基于計算機集群的高清3D數字電影放映技術研究與實現

李艷濤

摘? ?要：多通道顯示同步問題是數字電影放映技術的關鍵技術之一，它直接影響數字電影的畫面顯示質量及有效顯示面積的提高。本文以同步顯示控制機制為主要研究對象，利用計算機集群代替昂貴的專用圖形工作站，成功構建了基于計算機集群的高清3D數字電影放映系統，不僅有效地降低了系統成本，而且實現了一種具有高性價比和強擴展性的高清晰度大屏幕顯示方式。

關鍵詞：多屏同步顯示? 計算機集群? 數字電影? 多通道顯示

電影作為人們精神需求的娛樂產物從19世紀后期誕生到今天已經經歷了100多年的發展歷程，電影在制作術、放映平臺、演繹方式上都發生了巨大的改變。如今，數字放映技術作為當代電影放映的主要技術正在蓬勃發展，據統計從20世紀80年代數字電影的誕生以來，全世界大約有上萬塊數字銀幕，其中我國就占據了2000多塊。就現在電影的放映方式而言，已經完全突破了傳統電影膠片放映模式的束縛發生了質的突破，無論是在制片方式、制片質量、畫面效果還是存儲與運輸方式等方面都有顯著的提升。但是，電影院中的數字放映設備投入昂貴，尤其是高清大屏幕數字影像系統，造成數字影院系統推廣緩慢。

本文研究利用計算機集群進行高清立體數字電影的放映。系統將多臺計算機利用專用網絡連接，構成基于計算機集群并行計算協同渲染的電影放映方法，每臺計算機可以只對其中的一部分場景進行渲染和顯示，多臺計算機聯合拼接出整個畫面，實現了一種廉價且有效的高清立體數字電影放映方式。

1? 數字電影放映系統結構

數字電影放映系統是指數字電影放映時所需的各項與放映有關設備所組成的系統，通常由影片管理系統、媒體處理系統、投影系統、音效系統、放映控制系統等組成。數字電影的信號一般可分成兩路：一路為聲音信號，經由數字影院音頻處理器輸出;另一路為圖像信號，經由視頻處理器，將主畫面、字幕等顯示信息疊加后送入投影機放映。下面分別各個子系統進行簡述。

（1）影片管理系統：用以管理所存儲的放映影片，影院一般只設置本地存儲，多以磁盤陣列組成數據服務器進行圖像的壓縮存儲、音頻的采樣與存儲和文本數據的存儲。通常圖像壓縮連續碼流指標要求為307 Mbit/s;以24 bit對16聲道采樣。

（2）媒體處理系統：用于對音頻和圖像進行處理，其包括音頻和圖像兩個服務器。音頻服務器對聲音文件進行處理，圖像服務器對視頻和字幕進行處理，處理流程為拆包、解壓、解密和還原。

（3）投影系統：用于將服務器中的電影視頻文件和字幕文件進行疊加轉換成為光信號投影在指定屏幕上，目前，投影系統與圖像服務器有集成在一起的，也有相對獨立的兩種類型，二者各有其優缺點，集成類型設備體積小，操作簡便;獨立類型體積較大，操作較為復雜，但是易于維護。

（4）音效系統：用于管理電影音頻文件，它主要由音頻處理器、功放、音響等構成。音頻系統的功能是應對音頻服務器中的音頻文件進行解碼，將數字音頻轉換為模擬信號并發送到揚聲設備中。

（5）放映控制系統：放映控制系統是數字放映系統的控制樞紐。它用于對電影放映的控制，其中包括啟動、選擇播放節目和關閉等。此外，系統還具備監控和故障診斷等功能。

2? 多通道顯示系統

隨著4K數字投影機的推出及其價格的逐漸降低，數字電影放映系統逐步進入4K階段。目前，國際上院線中最常見的數字放映系統所使用的SONY投影機最高只能達到4K（4096×2180）分辨率，但具備3D放映功能的4K放映系統則可以利用雙放映鏡頭，按照左右畫面的方式把3D影像投放銀幕上展現3D效果。它的左、右圖像是在4096×2160的畫面中劃分出兩個2048×1080的區域。其左、右眼的一對畫面同時出現在成像器件上，單眼分辨率為2K。為解決立體電影在顯示畫面質量上的需要，我們使用雙投影機放映3D的方案，達到真正意義上的4K分辨率3D數字電影。在本系統中使用了兩臺SONY 4K投影機，不僅解決屏幕清晰度不夠的問題，還解決了屏幕放映亮度的問題。

目前，國際上可以將直接放映4K數字影片的多通道實時顯示系統，普遍采用的是基于SGI高端圖形工作站進行開發，由于開發成本非常高，所以普及率較低。隨著計算機的計算能力、存儲能力都有了大幅度的提升，在影片處理與播放方面無論是在渲染方面還是計算方面都具有了很強的處理能力，運用計算機技術實現多通道實時顯示系統已經具備了基礎的條件。

在使用計算機技術實現多通道實時顯示時，屏幕上的畫面由多臺計算機輸出拼接而成，由于每臺計算機的數據能力存在差異，就導致在多機協同渲染時會發生渲染效率不同，顯示在熒屏上的畫面發生不同步問題。為此本文本文通過分析Client/ Server、Master/Slave結構特點，提出一種消息控制同步算法，通過對各個顯示終端的幀同步延時控制，有效地改善多通道顯示系統的同步性能，解決了多機渲染的同步顯示問題。

在放映過程中，影片的呈現需要放映系統進行數據讀取、解碼與顯示等一系列過程，為了保證畫面顯示的同步效果，就必須使信號輸出保持同步。由于數字圖像是由幀構成，這就說明各計算機同步輸出的幀在同一時刻能夠保證影片的完整性，幀所對應的畫面渲染時間上保持一致。本文所提出的基于消息控制的同步算法通過消息機制對影片進行解碼、顯示控制，控制方式如下：

第一、在幀同步階段，采用空消息機制進行協調，調制方法是利用后繼實體向前驅實體傳輸的不是空消息，而是系統解碼得到的當前幀標號。

第二、在解碼階段，每個實體要采用系統消息控制措施完成解碼，當某一幀沒有解碼完成時，整個系統等待該幀解碼完畢。

第三、在顯示階段，采用自適應控制算法，當系統中所有計算機發出幀顯示指令時，進行刷屏顯示，實現顯示階段同步。

3? 多機3D數字電影放映系統的實現

整個系統首先可以劃分為Client節點和Server節點，如圖所示主控PC機是Server節點，負責整個系統的監控和管理，所有的圖形工作站作為顯示終端節點都是Client節點，接收Server節點的指令并執行相應的動作。

顯示終端節點再可以劃分為 Master節點、Slave節點。在顯示終端，通過一個Master主節點管理多個Slave 子節點，通過Master-Slave結構實現多通道同步顯示。

其中，Master節點負責進行系統的同步決策。在Master-Slave結構中，每一臺計算都可以自由變換模式，當某一臺計算被設定為Master節點則其他節點為Slave節點，Master節點獲取每個Slave節點的注冊信息進行同步控制。Slave節點負責圖像的渲染，如果待渲染的數據幀不是同一幀則Master節點會將最新數據幀從新分配給各Slave節點進行渲染。當所有節點都渲染完畢后，Master節點通知所有顯示節點顯示場景。

圖形工作站接收放映控制系統的指令，執行放映的相關操作。數字電影文件存儲在圖形工作站的磁盤陣列中，包含了圖像、字幕、和聲音等數據。其中圖像數據經圖像解碼，字幕數據經開關選擇、圖像轉換等流程， 最后將圖像和字幕疊加后送入投影機，投映到屏幕。聲音數據經解碼轉換處理后通過數字音頻信號傳輸到音頻解碼器，再輸出模擬音頻信號到功放擴聲系統。

4? 結語

通過分析數字電影放映系統結構，分析多通道同步實時顯示存在的畫面不同步問題，提出一種消息控制同步算法分別在幀同步階段、解碼階段和顯示階段利用消息機制進行協調與控制達到多通道同步實時顯示的目的。在系統構建時，采用了Master-Slave結構實現多通道同步顯示，利用一個Master節點管理多個Slave節點進行同步渲染，每個Slave節點都完成圖像渲染后再統一進行顯示，實現利用機群系統各個結點的顯示設備完整放映。

參考文獻

[1] Singh Rajvikram， Jeong Byungil， Renambot Luc， et al. TeraVision： a Distributed， Scalable， High Resolution Graphics Streaming System[EB/OL]. （Sept， 2004） [June， 2006].

[2] Jeong Byungil， Renambot Luc， Singh Rajvikram， et al. High-Performance Scalable Graphics Architecture for High-Resolution Displays [EB/OL]. （Sept， 2004） [June， 2006].

[3] 彭妙顏.數字電影的發展及其相關標準[J].電視技術，2008，32（8）：83-84.

[4] 李樞平.數字影院發展的現狀和趨勢[J].現代電影技術，2008（12）：15-23.

[5] Shum，Ng，Chan.A virtual reality system using the concentric mosaic-construction，rendering，and dam compression.IEEE Transactions on Multimedia，2005，7（1）：85-95。

[6] Kamisetty Ramamohan Rao，Z.S.Bojkovic，D.A.Milovanovic.Multimedia communication systems：Techniques standards and networks.Tokyo，2002：42-43.

[7] LI Jun， HUANG Shaojun，GONG Guang-hong. Real-time Research in Data Interchange in Tactic Training Simulation System [J]. Journal of System Simulation，2006， 18（S2）：381-389.

[8] MA Ji-feng， PENG Xiao-yuan， FENG Qin， et al. Research andRealization of Visual System in Virtual Battlefield [J]. Journal of System Simulation， 2004， 16（8）： 1735-1741.