顺德演艺中心大屏幕显示系统方案

系统设计的概述

    顺德演艺中心是顺德文化中心建筑群之一，是一座综合性大剧院，是顺德区文化建筑的重点项目，是佛山市承办第七届亚洲艺术节的重要会场之一。该工程建筑总面积约3.2万平方米，由大剧院、音乐厅和附楼三部分组成，其中，大剧院有1500个席位，分为地下3层（-12米），地上6层（建筑高度36米），音乐厅有500个席位。大剧院和音乐厅分别配备有现代化的舞台机械、智能化、灯光、音响等设备，建成后大剧院可举办大型交响乐、歌舞剧、戏剧、戏曲等综合性演艺活动，音乐厅可举行古典音乐、民族音乐、现代音乐等表演活动。

    1.1.
    顺德演艺中心工程计划于2005年底启用，将于2005年11中旬月作为亚洲文化艺术节主会场，届时亚洲二十几个国家的客人和国家领导人将会莅临。

    顺德演艺中心已经进行的弱电系统建设已包含楼宇自控系统、安全防范系统、一卡通系统等常规智能化系统的建设，现为了满足演艺中心承担演出的特殊功能应用，用户提出需进行专业应用系统的建设，具体包括如下系统：

    ①. 演艺中心歌剧院数字投影及信号处理系统，满足歌剧院演出的背景幕、天幕、会议晚会多路视频投放，同时兼数字电影放映；
    ②. 演艺中心歌剧院、多功能厅同声传译系统，满足歌剧院、多功能厅召开国际会议，举行国际活动所需要的同声传译系统；
    ③. 多功能厅多媒体会议摄像系统，满足多功能厅举行会议时视频的投放；
    ④. 多功能厅投影显示部分，使其能够接收歌剧院的视频信号；
    ⑤. 图书馆和演艺中心的信息应用系统，满足演艺中心作为演出售检票系统，满足图书馆和演艺中心内部的办公系统，满足对演出视频的编辑存储。

    1.2. 系统设计的依据和扩展性

    根据用户预期建设的标书要求大纲，并结合我公司以往在类似工程的经验，在满足用户目前提出的需求前提下，参考国内外权威机构的各种设计和应用指南，我们对系统的整体设计经过反复的计算和技术论证，基本确定了方案设计的可行性、稳定性、智能化和可扩展性代表业内的先进水平。根据国际和国家现行规范，参考设计依据如下：

    1.3. 投影系统的标准依据

    1.4. 系统设备的选型依据

    我们设计各种进口设备除了符合上述国际及国家标准外，同时还符合以下安全标准：UL（美国）、CE（欧洲）、符合ISO（国际标准化组织）和CIE（国际照明协会）制定的国际通行标准规范。投标书附后提供了上述进口设备的检测证明文件，设备选型及配置参照以下原则：

    先进性：
    我们从高起点高标准设计，确保系统在未来一定时期内保持先进；同时也要考虑到技术适用性，即实用程度。

    科学性：
    我们确保系统的设计从剧院的使用功能出发，在满足各项使用功能的前提下，系统做到简洁，不夸张；在线路工艺设计及系统设备选型上充分考虑其扩展能力。

    可靠性：
    系统运行安全可靠。追求先进性的同时考虑新技术的风险以及技术的成熟性，在关键环节采用冗余备设计。

系统设计的基本保证

    1.5.

    对于方案的构思、系统的设计、器材的选型，我们经过了严谨的刷选，并做了大量响应市场的调查论证，结合目前大部分类似工程在应用中出现的不足，提出解决方案并在本系统加以利用，确保系统能达到以下的优点：

    * 最先进的技术
    所有产品和技术源自业内最先进的权威机构，在业内并且有成功的应用【杭州大剧院、东莞大剧院】。

    * 最真实的指标
    所有投标器材的技术指标，我们提供各大厂家的官方资料，全部经过严密的测试和老化试验，所有系统的指标全部经过科学计算和技术论证。

    * 最稳定的运行
    大部分投标器材的平均无故障运行时间大于20000小时，系统保证最少8小时不间断工作。

    * 最佳的信号传输
    系统设计提供足够的带宽确保各种视频信号的处理和传输，我们认真对各种模拟和数字视频的传输特性做了严谨的分析，根据当前系统的要求作出科学的论证，不保守、不夸张，保证信号传输和控制设计可靠、稳定、高质量。

    * 足够的视角范围
    根据剧场的不同应用，我们作出了科学和灵活的显示方式设计，满足绝大部分观众的视角范围，没有视像盲区。

    * 足够的画面亮度
    参考国家对各种环境照度的规定，结合各种文献对最佳视像照度的推荐值和经验，所有设计指标均达到或超过预期数值。

    * 良好的图像范围
    根据现场的应用情况，我们对投影机的输出亮度、显像面积、1/2增益覆盖角以及最佳的投影角度方式进行了科学的计算和模拟论证，确保画面最佳的水平和垂直覆盖范围。

    * 丰富的视像效果
    根据剧院的实际应用要求，系统设计基本可以进行随心所欲移动图像位置，框入框出、淡入淡出、卷帘翻滚的无缝切换功能，数据与图像相结合的画中画显示特技应用。

    * 快速的系统响应
    对于系统的开启、关闭和控制实现快速的响应，确保系统5分钟内可以启动，10分钟内进入预期状态，5分钟内可以安全关闭。确保信号切换、环境控制以及预设程序的连琐反应达到无延时响应。

    * 无忧的系统维护
    对于系统故障可能会容易出现的环节，如投影机，我们选用的Barco XLM-H25具备模块化结构，任意一个出现故障的模块只需5分钟即可完成整个折装的过程，快速更换的镜头可以进行上下左右移动的遥控，并且整个维护过程无需任何特殊的工具和仪器。

    * 安全的使用保证
    系统所有器材都经过了UL（美国保险商试验所）安全认证以及FCC（美国联邦通信委员会）电磁兼容认证。

    * 合法的使用保证
    所有电子器材和应用软件已经解决类似“千年虫”和第三方版权问题，确保用户的合法使用权益。

系统的设计指标及投影距离和镜头的设计

1.6. 大屏幕视频系统的设计指标

    1.7. 投影距离和镜头的设计建议
    因为本视频系统设计为兼容演出、电影和会议三种模式，当应用于演出模式时，为了保留舞台最大的深度，我们设计屏幕位于离台口约20米处安装，投影机镜头设置为最短的焦距模式【1.45:1】，见下图所示：

    当应用于电影模式时，为了保证观众席最大的观看视角，我们设计利用滑轮的方式把投影机往台口方向移动5米，利用投影机的控制软件设置此时为最大的焦距【1.8:1】，屏幕往台口方向可以移动10米【焦距放大加移动距离】，即位于离台口约20米处安装，见下图所示：

    上述的2种模式因为涉及到投影机的投射距离和镜头焦距问题，我们设计的投影机可以利用软件预设多种焦距的程序，无需在每次变更投影模式都要进行复杂的调整。

多媒体数字投影机的选型

 1.9. 图像面积的设计建议

    根据DIN的相关标准，理想的视像方位是图像范围的4倍，最短的视像距离不应该小于2倍图像的高度，最远的视像距离不应该超过8倍图像的高度，建议视像距离为图像高度的4~6倍。为了获得良好的信息可读性，视距不应该大于字符高度的200倍，理想的屏幕尺寸和视像距离也取决于投影机的真实分辨率：

    对于XGA（1024×768），最远的视像距离不应该超过6倍图像的高度
    对于SXGA（1280×1024），最远的视像距离不应该超过4.5倍图像的高度
    对于SXGA+（1400×1050），最远的视像距离不应该超过4.4倍图像的高度
    对于UXGA（1600×1200），最远的视像距离不应该超过3.8倍图像的高度

    我们以剧院用于演出模式时作为设计的基准：屏幕离最后一排座位约60米，根据DIN的1024×768分辨率标准，屏幕换算公式计算的结果如下：

    【图像高度=60米/6倍=10米】

    因为我们采用的是1.89:1的格式，由此可得屏幕的图像尺寸=宽18.9米×高10米，但受舞台宽度限制，所以我们建议设计屏幕的图像范围=宽15米×7.9米，与投标文件的要求吻合。

    1.10. 数字投影机亮度的设计

    为了在屏幕范围最大程度保证亮度、均匀度、色彩和色温的一致性，最大程度满足使用环境的视角范围，对于所需的投影机亮度，根据比利时Barco公司众多专业投影系统解决方案的经验，采用背投影方式的投影系统对投影机亮度的要求，可采用如下经验公式进行计算：

    LP=LuxE×IS×CRP×【CR-1】/【CRP-CR】

   上述公式中，LP代表所需的投影机亮度指标（光通量流明），LuxE是所测的环境光亮度（lux），IS代表屏幕的面积，CRP是投影机的ANSI对比度（标准对比度），CR代表屏幕显示理想的对比度。

    关于LuxE环境光亮度，参考DIN的标准要求是剧场观众席所需的最小亮度不高于5 Lux，考虑灯光的干扰，我们设计为不低于8Lux；CRP参数对于DLP投影机约为250:1【ANSI对比度】。对于以多媒体应用为主的显示，要求CR至少为27。

    IS为投影图象显示面积【宽×高】，这里所需的投影面积约为120m2，宽高比例为1.89:1，由此可计算出所要求的投影机亮度：

    LP=8Lux×120m2×250×【27-1】/【250-27】=27,982ANSI流明

    我们设计的Barco XLM-H25数字投影机具备27,000流明的光通量，优于标书的预期设计指标，换言之，在同样的环境光下，可以获得更加深的对比度。

    1.11. 多媒体数字投影机的选型建议

    综合上述的计算依据，我们设计使用比利时Barco XLM-H25数字投影机，该机具备27000流明的光通量输出，也代表了目前全球范围内数字投影机单机的最高亮度，而且在国内已经有成功的类似案例【杭州大剧院设计使用了2台XLM-H25数字投影机、东莞大剧院设计使用了1台XLM-H25数字投影机】。在早期投影机亮度没有达到这么高水平时，也可以设计双机甚至多机叠加的方式，但很难保证整屏范围内色温、色彩、对比度、汇聚等方面的一致性，因为这么大的图像范围就算一个像素的微小区别都会体现很大的反差。Barco XLM-H25还具备以下的优点针对剧院的特殊应用：

    * 足够高的亮度（27000流明），确保可靠的观看环境。
    * 足够的对比度（1200:1），能够体现更多的图像细节。
    * 多种镜头焦距可选，可以满足本剧院投影距离的不同要求。
    * 真实分辨率2048(1080，适应大面积显示高分辨率。
    * 安全可靠的6,000瓦氙灯，确保任何时候可以进行开关机。
    * 灯泡功率可调，并内置专利CLO恒定亮度输出技术。
    * 马达驱动的镜头水平、垂直位移，提供快捷方便的安装调试。
    * 密封的3(DMD(tm)机芯模块，确保投影机在多尘、烟雾的舞台环境下的正常工作。

    * 高效“液冷”系统，保证密封的光学引擎在极高的亮度输出条件下稳定工作。
    * 考虑到搬运、运输所产生的震动可能对会聚系统产生的些微影响，投影机可以提供可自行调节会聚系统（ACS）功能，允许用户在现场进行手工调整。该会聚调整操作应该从密封引擎外部进行，避免灰尘的进入。
    * 模块化信号输入：Compsite Video、S-Video、YUV、RGBHV、SDI、HD-SDI
    * 先进的网络管理和诊断功能，提供实时的监测与维护。
    * 无缝切换和特技播放功能，不会给屏幕留下任何黑暗的间隙。
    * 动态画中画实时处理功能，画面位置可以储存或取消，内置多屏应用的图像边缘混合技术。
    * 专利TCR真彩重现技术应用，提供完美的色彩范围，专利像素处理技术，提供足够的分辨率和动态范围。整机模块化设计，确保快捷方便的维护服务。
    * 符合UL 1950和EN60950安全标准，电磁兼容符合FCC（美国通信委员会）15B级，符合CE EN55022 B级。

图形处理器及屏幕的选型分析

    1.12. 高清图形处理器的设计

     为了最大程度发挥投影机的功效，以符合显示设备日益先进的要求，我们在信号源与投影机之间设计了一台Barco Acsar2高清数字图形处理器，对所有输入投影机的视频信号进行预处理，即不管输入处理器是任何格式、任何分辨率的信号源，处理器都以DVI数字视频【2048×1080分辨率】输出到投影机，以其达到与投影机的最佳匹配。

    1.13. 高清图形处理器的选型

    我们设计使用一台Barco Acsar2高清图形处理器，该处理器专为XLM-H25和数字电影机设计生产，可以对所有外接输入的信号进行视频信号定标和路由处理：转换任何视频信号至DVI-Dual数字视频输出，Barco Acsar2高清图形处理器的基本功能如下：

    自动识别HD-SDI的任何标准
    模块式信号输入插槽，兼容所有数字和模拟信号，本系统配置复合视频及RGB信号输入插卡各2张；
    高分辨率电脑信号输入
    无缝信号源输出切换
    PIP功能可以选择内置的图片背景
    4路插槽：可选SDI/HDSDI/DVI/RGsB/YUV/RGBHV/RGsBHV/复合视频/S视频/数字解码器
    数字处理：16bit
    处理后视频输出：DVI-Dual数字视频2048(1080@60Hz
    控制：Internal网络控制
    无缝信号源切换，4路动态实时画中画处理

    1.14. 无缝背投屏幕的选型建议

    由于背投幕在保证画面达到亮度、均匀度、对比度、色彩、色温和可视角度的一致性同样起了非常关键的作用，我们设计使用美国Stewart公司出品的AT系列无缝散射背投软幕，有效图像范围宽1500cm×高793cm，如下图：

    1.15. Stewart AT系列背投屏幕的技术规格

    AT系列屏幕的1/2增益视角不低于50度，可以最大程度满足剧场的视角范围，投影方式可以最大程度满足会场的所有方位观看视角。背投幕的基本的技术规格如下：

    * 超大无拼缝，不存在物理接缝
    * 漫反射屏幕，可擦洗进行清洁，具有阻燃性
    * 幕与四周边框紧绷悬挂的安装方式彻底消除热胀冷缩对屏幕的影响
    * 高均匀度可降低“太阳效应”
    * 峰值增益不低于1.0，1/2增益视角不低于50度
    * 视像范围：水平/垂直不低于160°

视频处理与传输带宽的设计建议

    1.16.

    带宽是信号在没有产生严重扭曲或损失传输时，需要的频率总范围。常用单位是KHz或MHz，如右图是模拟音频信号的频响范围20Hz~20KHz，通过计算可以得出模拟音频信号的带宽至少是19.98KHz。但是在音响行业一般会以【频率响应范围】来描述，比如说某某功放的频率响应范围是20Hz~20KHz@±1dB。

    复合视频信号根据制式的不同，信号的带宽也有一点差异，见下表：

    我们设计复合视频矩阵的带宽为150MHz（-3dB，满负载）。

    计算机视频信号的带宽没有统一的国际标准，根据美国Extron公司的推荐经验，可以通过如下公式进行简易计算：

    视频带宽=【（像素点×场频）/2】×3
    比如：已知XGA的像素点约786万（1024×768），场频是60Hz，代入公式可以得到：
【（1024×768×60）/2】×3≈70.8MHz

    知道了一个信号的带宽（复合视频或者计算机视频），如何决定矩阵的带宽？根据美国Extron公司的推荐经验，选择矩阵或其它的视频处理器材（如接口、扫描器等）的带宽最好是信号源带宽的2~3倍，同时，还应该注意所选择的器材带宽是否是在【满负载】的状态测试。

    视频系统中任何一个环节的周边设备（如电脑接口、选择切换器、信号处理器、矩阵切换器、分配放大器、传输线缆等）带宽不够，都会引起画面的模糊不清。标书的设计带宽指标为【200MHz，-3dB满载】，最高分辨率推荐不高于1400×1050，显然不太适应目前高速发展的电脑显卡分辨率， 所以我们设计RGBHV视频矩阵的带宽为300MHz（-3dB，满负载），可以满足高达U-XGA（1600×1200）信号带宽的传输需求，优于标书的设计指标【200MHz，-3dB满载】。