徐韜　李祖樂(lè)　朱介勇

【摘 要】 根據(jù)巨幅水幕投影《海滄湖水秀》演出形式的獨(dú)特性，解析水幕投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、設(shè)備選配，以及最終的實(shí)施 效果。

【關(guān)鍵詞】 水幕投影系統(tǒng)；水幕；戶外2K投影；光路設(shè)計(jì)；光纖傳輸；SMPTE協(xié)議

文章編號(hào)： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.10.002

【Abstract】According to the uniqueness of the performance of the water curtain projection Haicang Lake Water Show， the design， equipment selection， and the final implementation effect of the water curtain projection system are analyzed.

【Key Words】water curtain projection system； water curtain； outdoor 2K projection； optical path design； optical fiber transmission； SMPTE protocol

2017年9月廈門金磚峰會(huì)期間，巨幅水幕投影《海滄湖水秀》成功首演，極具震撼效果非巨幅的水幕投影莫屬，展現(xiàn)了科技與藝術(shù)完美結(jié)合的魅力。

《海滄湖水秀》位于福建省廈門市海滄區(qū)廈門中心大廈（見圖1），是近年來(lái)國(guó)內(nèi)單體最大的戶外水幕投影項(xiàng)目，同時(shí)也是亞洲最大的水幕投影。該水幕投影系統(tǒng)通過(guò)SMPTE時(shí)間碼解決了視頻、燈光、音響、噴泉、舞臺(tái)、特效的同步問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了整個(gè)演出系統(tǒng)的一鍵同步觸發(fā)。由于演出形式的獨(dú)特性，在水幕投影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)施過(guò)程中，需要從各個(gè)方面考慮整體投影的呈現(xiàn)效果及技術(shù)難點(diǎn)。

1 水幕投影系統(tǒng)概述及設(shè)計(jì)難點(diǎn)

水秀地處廈門海滄湖CBD區(qū)，有著氣勢(shì)恢宏的美麗建筑群，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路本著不對(duì)海滄湖周圍區(qū)域的建筑規(guī)劃作任何破壞或添加任何不協(xié)調(diào)元素的原則，在保留海滄湖原有景觀的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)大型水秀。白天游客依舊可以暢游在安靜優(yōu)美的環(huán)境中，夜晚降臨，水秀上演，隱藏在岸邊、水下的投影、噴泉、燈光、音響、舞臺(tái)會(huì)在平靜的湖面屹立而起，投影機(jī)將視頻圖像投射在由噴泉形成的“銀幕”上，同時(shí)，配合大功率全彩激光燈形成斑斕奪目的奇異效果。

水幕投影系統(tǒng)主要由數(shù)字投影系統(tǒng)、媒體播放、幾何校正服務(wù)器、傳輸系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)等組成。因投影畫幅大、投射距離遠(yuǎn)，由此給系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)施帶來(lái)諸多不可預(yù)見的困難。首先，噴泉呈現(xiàn)的水幕極易受到環(huán)境影響，從而帶來(lái)投影畫面調(diào)試時(shí)融合與聚焦的難度。另外，超遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳輸、聲光電的同步控制等，都是項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中極大的挑戰(zhàn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水幕投影系統(tǒng)將視頻內(nèi)容投射到水幕之上，其畫面的寬×高為180 m×80 m。由于單臺(tái)投影機(jī)投射畫面的寬×高為37 m×20 m，所以，需要將24（6×4）個(gè)投影畫面拼接成完整的畫面。投影機(jī)分布在兩個(gè)島上，每個(gè)島上各有24臺(tái)投影機(jī)，島中心離噴泉水幕位置208 m。視頻服務(wù)器位于岸邊控制室內(nèi)，通過(guò)光纖傳輸視頻信號(hào)和控制信號(hào)。系統(tǒng)方案見圖2。

水秀總控系統(tǒng)是基于PLC程序邏輯控制與各專業(yè)控制設(shè)備（視頻服務(wù)器、燈控臺(tái)、噴泉控制器等）相結(jié)合的控制系統(tǒng)，整體控制專業(yè)演出系統(tǒng)運(yùn)作及監(jiān)測(cè)。各分系統(tǒng)控制柜放置在相應(yīng)的控制設(shè)備間內(nèi)。總控臺(tái)與各分系統(tǒng)之間采用以太網(wǎng)TCP/IP控制協(xié)議。總控臺(tái)與音視頻相關(guān)的音視頻系統(tǒng)（AV）和燈光系統(tǒng)（lighting）等各系統(tǒng)之間通過(guò)SMPTE協(xié)議控制同步觸發(fā)，即總控臺(tái)同步觸發(fā)音頻時(shí)間碼SMPTE至各專業(yè)控制設(shè)備演出程序（cue）同步運(yùn)行。并通過(guò)交換機(jī)上傳反饋信息至總網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。SMPTE時(shí)標(biāo)是目前音視頻同步中得到廣泛運(yùn)用的時(shí)間碼標(biāo)準(zhǔn)，主要用于設(shè)備之間驅(qū)動(dòng)的時(shí)間同步，也是水秀總控系統(tǒng)中控制演出設(shè)備運(yùn)行同步觸發(fā)信號(hào)最重要的二級(jí)控制系統(tǒng)。

整個(gè)水秀僅用一臺(tái)總控設(shè)備就可以非常精確、流暢地控制所有演出中的軟件和硬件。

2.1 投影載體及光路設(shè)計(jì)

2.1.1 投影載體

導(dǎo)演考慮不同水幕質(zhì)感呈現(xiàn)不同的畫面需求，在同一垂直面穿插布置水炮噴泉（水幕一）和高噴噴泉（水幕二）。水炮噴泉極限高度80 m～85 m。水炮噴射散開后呈現(xiàn)質(zhì)感類似于紗幕，更均勻、更利于影像附著；但必須間隔5 s噴射一次，且對(duì)壓力和水深有著較高的技術(shù)要求，不能作為主要表演形態(tài)使用。高噴噴泉極限高度60 m～65 m，噴頭間隔3 m，噴泉畫面為水柱狀，作為主要表演形態(tài)使用。水幕的設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

（1）水幕一：投影畫面尺寸為180 m×75.2 m，高度方向融合約5%，寬度方向融合約22%；

（2）水幕二：投影畫面尺寸為177 m×58 m，高度方向融合約6%，寬度方向融合約22%；

兩組水幕噴頭位置相同，投射的直線距離為208 m。根據(jù)水幕大小，通過(guò)solidworks三維設(shè)計(jì)軟件建立1∶1模型，計(jì)算出融合帶，繪制各投影機(jī)四角坐標(biāo)系，通過(guò)全站儀打點(diǎn)，使每臺(tái)投影機(jī)畫面與之對(duì)應(yīng)。

因現(xiàn)場(chǎng)噴泉形式是高噴等高水幕，而不是扇形水幕，受到風(fēng)向等因素影響，可能出現(xiàn)水幕介質(zhì)不穩(wěn)定，噴射高度和水幕厚度不均勻，不便于調(diào)試。因此，在噴泉水泵位置搭建12個(gè)長(zhǎng)×寬為4 m×4 m、高8 m的腳手架，分布于水幕180 m投影范圍內(nèi)，并吊掛3 mm孔距白色網(wǎng)布，用于測(cè)試畫面，如圖3、圖4所示。

2.1.2 光路數(shù)據(jù)計(jì)算

在進(jìn)行光路設(shè)計(jì)中需要考慮以下參數(shù)。

（1）像素利用率：投影機(jī)的自然分辨率2 048×1 080，采用標(biāo)準(zhǔn)鏡頭且投影光區(qū)均覆蓋到了水幕，幾乎沒(méi)有造成像素?fù)p失。endprint

（2）清晰度計(jì)算：中間觀眾觀看水幕中心位置圖像清晰度計(jì)算如下：角度、角分轉(zhuǎn)換系數(shù)×Arctg（像素點(diǎn)大小/觀看距離）。

（3）照度計(jì)算：?jiǎn)螜C(jī)照度（畫面變形前）計(jì)算如下：（光通量×玻璃透光率）/（成像面積）=（33 000×0.96）/（37×19.588）=43.7 lx；由于投影機(jī)安裝位置條件所限，不能保證每臺(tái)都在對(duì)應(yīng)通道畫面的正前方，機(jī)器存在一定傾斜。同時(shí)考慮水幕的反射率，理論照度與上述計(jì)算值會(huì)有偏差。

兩組水幕照度值、清晰度的具體計(jì)算如下。

水幕一上投影畫面為180 m×75.2 m，軟件計(jì)算照度值為42.1 lx～44.6 lx，2臺(tái)疊加后為84.2 lx～89.2 lx，分辨率為10 035×4 192，如圖3所示。投影示意如圖5所示，以左半部為例，右半部是對(duì)稱關(guān)系。

水幕二上投影畫面為177 m×

58 m，軟件計(jì)算照度值為42.1 lx～44.6 lx（投影水幕二時(shí)，最上層通道投影機(jī)不使用），2臺(tái)疊加后為84.2 lx～89.2 lx，分辨率為10 035×3 288，如圖4所示。投影示意如圖6所示，以左半部為例，右半部是對(duì)稱關(guān)系。

2.2 投光設(shè)備

由于投影水幕尺寸最大可達(dá)180 m×75.2 m，投射距離超過(guò)200 m。投影機(jī)的選型須優(yōu)先考慮：遠(yuǎn)距離投射、高亮度、寬畫幅（長(zhǎng)焦鏡頭）等核心技術(shù)參數(shù)。

2.2.1 投影機(jī)的選配

投影機(jī)采用了CP2230高亮度數(shù)字電影機(jī)，相比普通數(shù)字投影機(jī)，這款氙燈電影機(jī)具有獨(dú)特的光學(xué)設(shè)計(jì)和強(qiáng)大的圖像處理能力，畫面均勻度大于90%，35億單元色彩數(shù)，可呈現(xiàn)高清晰度、逼真的圖像，以及具有極高色彩飽和度。尤其適合室外水幕投影及效果呈現(xiàn)要求；同時(shí)，也滿足了超遠(yuǎn)距離投影照度的要求。此外，原廠定制的5.5～8.5：1長(zhǎng)焦鏡頭完全符合海滄湖水秀超寬投影水幕[寬度近100 ft（30.48 m）]的畫幅尺寸。單機(jī)亮度達(dá)到33 000 lm；采用標(biāo)準(zhǔn)2K視頻傳輸（2 048×1 080），可升級(jí)到4K，支持HDCP、SNMP和VNC。

該氙氣電影機(jī)采用分體式設(shè)計(jì)，可安裝到各種機(jī)座和通用底座，滿足海滄湖水秀投影島上嚴(yán)苛的安裝條件。7 kW遠(yuǎn)程電源可遠(yuǎn)離機(jī)身達(dá)30 m，使安裝位置更靈活，有效地解決了投影島內(nèi)設(shè)備安裝空間不足的問(wèn)題。

2.2.2 投影機(jī)的安裝及畫面定位

系統(tǒng)共設(shè)兩個(gè)投影機(jī)房，每個(gè)投影機(jī)房安裝四排六列共24臺(tái)投影機(jī)。每臺(tái)投影機(jī)的安裝角度及投影窗口位置通過(guò)專業(yè)模擬軟件計(jì)算出數(shù)據(jù)，安裝方案如圖7所示，實(shí)際安裝情況如圖8、圖9所示。

每臺(tái)投影機(jī)投射畫面尺寸、融合區(qū)域、畫面虛實(shí)，由全站儀等專業(yè)調(diào)試工具進(jìn)行測(cè)算、定位；畫面的拼接、融合、疊加、梯形校正等通過(guò)視頻服務(wù)器進(jìn)行輔助調(diào)試，如圖10。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

由于水幕投影大多采用背投方式，控制室和投影機(jī)房較遠(yuǎn)，整個(gè)視頻信號(hào)及控制信號(hào)的傳輸使用兩組120芯單模光纖（其中包含48臺(tái)水幕投影機(jī)，以及控制信號(hào)和備用信號(hào)），并同時(shí)考慮冗余及備份，分別通過(guò)海底光纜敷設(shè)至兩個(gè)投影機(jī)房。單通道光纖傳輸長(zhǎng)度達(dá)到500 m，光纖傳輸總長(zhǎng)度超過(guò)20 000 m。

設(shè)計(jì)目標(biāo)為：

（1）采用4：4：4色度、采樣精度8 bit的色彩模式，SMPTE/CEA標(biāo)準(zhǔn)2K×30 f/s視頻數(shù)據(jù)傳輸；

（2）通過(guò)DVI-D接口形成多模光纖電纜傳輸鏈路；

（3）全數(shù)字式零壓縮技術(shù)處理，分辨率1 920×1 200（包括HDTV 1 080 p/60）信號(hào)；

（4）EDID信號(hào)自動(dòng)管理系統(tǒng)。

視頻服務(wù)器采用Delta服務(wù)器，選用12通道DVI/DisplayPort輸出或12通道SDI輸出加4K120、4K60和3-4K30輸出，具有無(wú)壓縮、高質(zhì)量播放的特點(diǎn)，能以2 GB/s的速度直接流暢地播放TGA/DPX格式的影片。精準(zhǔn)的時(shí)間軸控制，能支持多層融合和變形處理；同步DVI輸出，每機(jī)最多可達(dá)12通道輸出，共4臺(tái)服務(wù)器48通道輸出，每個(gè)通道通過(guò)miniDP轉(zhuǎn)DVI設(shè)備獨(dú)立輸出至每臺(tái)電影機(jī)，在做拼接、融合時(shí)可以通過(guò)服務(wù)器獨(dú)立調(diào)整每個(gè)機(jī)器的輸出畫面。

服務(wù)器視頻輸出通過(guò)光纖傳輸器（DVI 602 R/T）、光纖傳輸至投影機(jī)；視頻信號(hào)采用兩芯單模光纖傳輸；控制信號(hào)通過(guò)六類網(wǎng)線TCP/IP協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)控制；同時(shí)通過(guò)同步發(fā)射器進(jìn)行幀同步，保證畫面輸出一致性。

2.4 強(qiáng)電分配

每臺(tái)投影機(jī)功率約9 kW，3相5線制供電，不小于23 A@380 V。每臺(tái)投影機(jī)都設(shè)有單獨(dú)的空開控制。每個(gè)投影機(jī)房滿足設(shè)備運(yùn)行電量的同時(shí)，投影機(jī)機(jī)身額外配置有一臺(tái)延時(shí)不小于15 min的UPS，在緊急斷電時(shí)，保證投影機(jī)散熱時(shí)間，正常關(guān)機(jī)。

該系統(tǒng)在控制室還設(shè)有遠(yuǎn)程控制投影機(jī)房的電源閉合的功能。

2.5 通風(fēng)系統(tǒng)

投影機(jī)房位于湖面中心位置（人工島），機(jī)房?jī)?nèi)空氣鹽分高、濕度大、溫度高，通過(guò)精密空調(diào)系統(tǒng)向投影機(jī)房房間內(nèi)送新風(fēng)時(shí)，需考慮無(wú)鹽化處理，避免送入新風(fēng)含鹽量高而導(dǎo)致對(duì)設(shè)備元器件的腐蝕。同時(shí)，為控制投影機(jī)房溫度在25°左右，根據(jù)設(shè)備總散熱量，送入新風(fēng)總流量不小于25×600 ft3/min，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

3 系統(tǒng)方案實(shí)施情況及效果

系統(tǒng)實(shí)施后的實(shí)測(cè)情況如下。

（1）水幕一畫面尺寸：180 m×75.2 m，水平融合帶：8.4 m×19.8 m，垂直融合帶：37 m×1.3 m。

（2）水幕二畫面尺寸：177 m×56.8 m，水平融合帶：8.4 m×19.8 m，垂直融合帶：37 m×1.3 m。

（3）單臺(tái)投影機(jī)投射尺寸：37 m×19.8 m。

（4）實(shí)際照度值：82.5 lx～85.5 lx。

（5）實(shí)際分辨率：全畫幅分辨率：9 858×3 288。

（6）系統(tǒng)畫面擴(kuò)展性：該電影機(jī)芯片基于4K平臺(tái)打造，僅需升級(jí)電影機(jī)光引擎部分即可播放4K片源；可更換多媒體播放處理板卡，保證后期畫面效果升級(jí)時(shí)的設(shè)備兼容能力；同時(shí)該電影機(jī)支持Brilliant 3D技術(shù)（3倍頻技術(shù)），可以滿足演出中3D片源的播放要求。

以上測(cè)試數(shù)據(jù)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，能夠根據(jù)藝術(shù)創(chuàng)作的視頻內(nèi)容完成水秀演出；實(shí)現(xiàn)視頻系統(tǒng)與總控系統(tǒng)的同步控制，保證了整體演出效果（見圖11、圖12）。

4 結(jié)束語(yǔ)

此項(xiàng)目從觀眾的視覺(jué)出發(fā)，充分考慮到戶外投影的環(huán)境因素，集眾多先進(jìn)科技為一體，如全光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，充分保證了高品質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸；邊緣融合拼接技術(shù)，保證了巨幅畫面效果；采用SMPTE時(shí)標(biāo)的總控系統(tǒng)有效地解決了視頻、燈光、音響、噴泉、舞臺(tái)、特效等各分系統(tǒng)的同步問(wèn)題；真正實(shí)現(xiàn)了整個(gè)演出系統(tǒng)的一鍵同步觸發(fā)功能。最終呈現(xiàn)的效果得到了業(yè)主及觀眾的認(rèn)可，也為業(yè)內(nèi)其他水幕投影項(xiàng)目的設(shè)備選型和系統(tǒng)構(gòu)造提供了參考和依據(jù)。endprint