演藝領域中投影顯示系統設計

【摘 要】 基于投影顯示系統各部分的功用，給出系統的設計過程，以及需要注意的事項。

【關鍵詞】 投影顯示系統；投影設備；設計步驟

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.04.009

Projection Display System Design in the Field of Performing Arts

YANG Ying-jun

（Beijing Wincomn Technology Co.， ltd， Beijing 100176 ， China）

【Abstract】Based on the function of Projection display system each part， the design process of the system is given， and the matters needing attention.

【Key Words】projection display system； projection equipment； design steps

在《投影顯示系統在演藝領域的應用》[1]一文中，詳細闡述了演藝領域投影顯示系統的組成及其不同應用中的技術特點。本文中將繼續介紹投影顯示系統各部分的功用和及其設計過程，并指出需要注意的事項。

1 投影顯示系統各設備的功用

投影顯示系統組成如圖1所示，與LED大屏幕、LCD平板顯示等其他顯示技術不同，投影顯示是一種二元技術系統，由投影設備與“屏幕-被投射的介質”構成。理解這一點非常重要。在構建一個投影顯示系統時，絕大部分的需求在詢問投影機時都沒有考慮被投射介質/投影屏幕（演藝領域的投影屏幕更多地稱為投影介質）的情況，以至于很多的初步建議非常不準確。對于投影顯示，真正要看的是屏幕上的圖像，在沒有明確投影介質/投影屏幕前，任何的投影機建議都是少有參考價值的。

1.1 投影介質/投影屏幕

由于投影介質的種類非常多，很難與專門的投影屏幕相提并論。演藝活動中的投影介質可能是各種建筑材料表面；各種自然景物表面，如山體、崖壁、植被、沙丘，湖泊、水秀中的水幕、水簾、霧幕、舞臺紗幕等。

不同的材料表面有不同的反射特性，需要根據具體測試情況獲得數據，主要的參數有增益、視角和半增益角。其中，增益對觀看者的亮度感受影響重大，視角將影響觀眾的分布或者不同區域觀眾的觀看的亮度。

1.2 投影機

投影機是投影顯示系統核心設備，也是預算較大的設備。投影顯示技術發展已經很成熟，目前的主流顯示技術包括3DLP、3LCD、1DLP。一般在演藝活動中采用3DLP技術居多；單機的物理分辨率為1 400×1 050、1 920×1 080、1 920×1 200、2 048×1 080、4 096×2 160；輸出光通量從1 000 lm～60 000 lm；投影機ANSI對比度在幾十比一到幾百比一；投影機光源類型包括UHP、Xe、LASER（RGB）、 LASER（BLUE+熒光粉），如圖2所示。其中，不同光源的投影機特性不同。

1） UHP燈的壽命在1 500 h～

2 000 h。

2） Xe（大功率）燈的壽命在幾百小時。

3） 最新光源產品LASER（RGB）的壽命在20 000 h～

30 000 h，是更大功率的投影光源。LASER（RGB）光源是3D電影發展的需要，因為傳統的Xe燈在3D電影院的亮度大大降低，低亮度會引起眼睛疲勞，丟失細節。

4） LASER（BLUE+熒光粉）是一種經濟的激光光源方案，利用藍色激光器照射熒光粉色輪來實現顯示，也屬于一種時分的解決方案，成本較低。

1.3 媒體播放器

媒體播放器（見圖3）的主要任務是實現媒體視頻內容的播放，此外，在演藝投影系統中，投影機進行疊加和融合很常見，需要媒體播放器具備變形校正和融合功能，對視頻顯示有著至關重要的作用。

在系統設計過程中經常出現的問題是，投影設備采用了很高端的專業投影機來實現，但播放器卻是一臺普通計算機，導致整個顯示系統從信號源開始，信號質量就很一般或者較差，以至于在后端無論采用多好的設備，呈現的顯示質量都很一般。所以，高質量的播放器也是構建系統的核心設備。

1.4 傳輸設備

傳輸設備的功用是無損地將播放器輸出的信號輸送到投影機，包括控制信號。一般情況下，采取光纖傳輸（光纖傳輸設備見圖4）是比較簡單的，既可以抗空間干擾，且傳輸距離也比較遠。

1.5 控制設備

控制設備（見圖5）的功用一方面是控制視頻系統其他設備的使用，另一方面是與其他專業系統實現協同。在演藝領域的應用中，各個子系統可以獨立設置控制設備，最后再設置總控設備，也可以由某個專業的控制設備一同來管理各個子系統。

2 投影顯示系統設計

2.1 設計準備

設計人員一方面需要熟悉系統中各個設備的功用，一方面要熟悉目前行業中的設備供應情況及其特點，任何系統設計都離不開對所用設備和器材的了解，任何設計的落地最終是要落實到具體的產品上，或者說準確的設計是基于具體產品性能的設計，這是無法回避的，回避也是不科學的，招標中去特征化的技術文件，其結果就是投標技術文件不能落地，必須經過投標單位（實際上是施工單位）的深化設計。

設計人員除需要了解系統設備情況，還需要有一定的光學知識、色度學和光度學知識，也需要了解人眼工程學和人機工程學的知識；好的設計人員還要有豐富的工程經驗，能解決不同環境、不同約束帶來的安裝問題以及對設計造成的工程修正。

2.2 設計步驟

1） 視場規劃

由經營規劃確定觀眾人數，結合座位的布局，人眼的視場（見圖6），來確定屏幕的位置和尺寸（見圖7），要盡量保證全部（主要）觀眾都能看得見，看得清，不變形。

2） 研究屏幕/介質

演藝應用中的投影介質種類繁多，必須了解其反射特性（漫射是需要的）-反射率，視角（半增益角）（見圖8）、色彩。對某些文物來說，還要研究光譜中不同的光對文物的破環問題。

3） 計算滿屏分辨率

人眼分辨力是指對景物細節的分辨能力，一般將被觀察物體上剛能分辨的最近鄰兩黑點或兩白點的視角的倒數稱為人眼的分辨力，通常人眼的極限角分辨率為1弧分。根據觀看距離結合人眼角分辨率，計算像素尺寸，根據像素尺寸，結合屏幕尺寸，計算滿屏分辨率（見圖9）。

目前單機最大分辨率一般是4K，不能滿足需求時，采用多機融合的方式。

實際上人眼的分辨率還受到光照度、色彩、對比度、物體運動速度的影響（見圖10），所以在實際工程項目中，還要根據具體的情況來修正。

4） 計算屏幕亮度

亮度=（投影機光通量/單機投射面積）/π×屏幕增益×投影機燈衰減系數×非正交投射損失系數×亮度一致性系數×投影窗口損失系數×傳輸損耗系數

如果亮度不夠，一般按照以下順序的解決辦法操作：（1）更換更大通量的投影機；（2）投影機疊加；（3）減少單機投射面積，增加通道數。按上述順序解決亮度問題是科學的，因為設備的可靠性要大大優于系統的可靠性，設備往往是制造商反復改進后生產出來的，而系統是各類設備的集合，且絕大部分系統都是一次性建設的。

5） 計算圖像對比度

對比度是一個非常重要的概念和指標，這里所說的圖像對比度是用來評價有實際圖像呈現時，屏幕上的顯示對比度。用圖像對比度概念（見圖11、圖12）來評價顯示效果，是比較準確的，最接近觀看的效果。

圖像對比度=

其中，圖像亮度（B）：屏幕增益和屏幕尺寸以及投影機亮度；屏幕反射（R）：環境光照度乘以反射系數；投影機對比度（C）：經灰色階和白色階調整后，黑白格子圖對比（見圖11），不是全白/全黑對比度（有興趣的可以參閱ANSI/INFOCOMM 3M-2011投影圖像系統對比度標準）[2]。

一般來說，空間中最亮位置的亮度應該比最暗的位置明亮10倍以上，才能避免眼睛疲勞的情況出現，使人集中注意力在明亮的地方，正常情況下，人眼極限對比度為1 000：1。可以看出，人眼感知的亮度是一個非常復雜的事情，同樣亮度指標的屏幕，會因為屏幕大小的不同、環境空間的大小、播放內容的不同以及周邊環境的不同而不同。很多時候，客戶都是要求通過測試來確定，但大部分的測試都比較隨意，并沒有考慮最后實際使用效果與測試結果之間的關系，盲目地認為，測試結果就是最終結果。比較合理的方式是，按照上述設計步驟從理論上計算清晰之后，再進行測試，合理推測最終效果。

6） 配置投影機

在滿足分辨率要求的前提下，用盡量少的設備完成系統構建，能用一臺不用兩臺，因為兩臺以上的投影機就會增加亮度一致性、顏色一致性、融合等新問題。這也符合系統設計精而簡的原則。

當亮度不夠的情況下，采用設備疊加的方式解決。當亮度不夠且投射距離不夠的情況下，采用減少投射面積，增加通道數的方式解決。

7） 配置媒體服務器

在演藝項目中，媒體播放器的主要任務是高質量穩定可靠的播放，在確定設備規格參數時，需要了解：通道數，單通道分辨率（1 920×1 200、4 096×2 160），影片長度（秒），媒體格式（TGA、PNG……），媒體參數（4：4：4、4：2：2、4：2：0），灰度（8、10、12），音頻參數（5.1、7.1……），同步方式（LTE、幀同步），控制方式（LAN），時間軸控制（SMPTE），輸出接口（DP、HDMI、DVI、SDI）

8） 確定傳輸方式和傳輸設備

傳輸有同軸電纜傳輸、雙絞線傳輸、光纖傳輸等。

演藝項目環境復雜，可靠、優選的方式是使用光纖傳輸，此部分占整體預算較少。

9） 確定控制設備和控制方式

控制包括設備控制（開關機和狀態參數設置）以及表演控制（媒體服務器時間軸控制），可以采用集中控制設備來完成。優選的控制設備是“嵌入式操作系統”的純硬件控制設備，與基于windows操作系統的設備相比，這種方式更可靠。

10） 根據約束條件修正設計

實際應用中，投影機的安裝位置受限，造成投影機與“屏幕”之間呈現一定的夾角（水平、垂直、同時存在），此時投射的圖像會出現變形，同時也會造成光通量的損失。

如果空氣中塵埃較多或者水汽較大，都會影響光的傳輸，造成亮度損失。

當投影機被隔離時，投影窗口玻璃也會造成亮度損失。

11） 工程安裝的考慮因素

在系統設計中，在滿足功能設計的同時，還要考慮工程安裝的設計，要保證設備易于安裝、易維修、控制噪聲到合適的程度、讓投影機有良好的散熱。概括地說，就是要保證投影機的使用環境，包括防塵、溫度、濕度、煙霧、鹽霧等。

12） 設備選擇

在滿足設計分辨率、亮度和對比度要求的前提下，要選擇可靠性高、易維護、維修、耗材成本低、省電、環境投資低的品牌設備。

3 結束語

投影顯示系統在演藝領域的應用，相對而言還是一個新的領域，缺少流程化系統設計的指導，文中筆者總結了自己在演藝領域投影系統設計實踐中的經驗，雖然限于篇幅無法進一步從基礎概念進行深入、細致的理論介紹，但希望能對業內技術人員有一定的參考價值。

參考文獻：

[1] 楊英俊. 投影顯示系統在演藝領域的應用. 演藝科技，2017（1）：52-55.

[2] ANSI/INFOCOMM 3M-2011. Projected Image System Contrast Ratio[S]. 2011.