巨幅水幕投影《海滄湖水秀》投影系統解析

徐韜　李祖樂　朱介勇

【摘 要】 根據巨幅水幕投影《海滄湖水秀》演出形式的獨特性，解析水幕投影系統的設計、設備選配，以及最終的實施 效果。

【關鍵詞】 水幕投影系統；水幕；戶外2K投影；光路設計；光纖傳輸；SMPTE協議

文章編號： 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，展現了科技與藝術完美結合的魅力。

《海滄湖水秀》位于福建省廈門市海滄區廈門中心大廈（見圖1），是近年來國內單體最大的戶外水幕投影項目，同時也是亞洲最大的水幕投影。該水幕投影系統通過SMPTE時間碼解決了視頻、燈光、音響、噴泉、舞臺、特效的同步問題，并實現了整個演出系統的一鍵同步觸發。由于演出形式的獨特性，在水幕投影系統的設計及實施過程中，需要從各個方面考慮整體投影的呈現效果及技術難點。

1 水幕投影系統概述及設計難點

水秀地處廈門海滄湖CBD區，有著氣勢恢宏的美麗建筑群，本項目設計思路本著不對海滄湖周圍區域的建筑規劃作任何破壞或添加任何不協調元素的原則，在保留海滄湖原有景觀的基礎上設計大型水秀。白天游客依舊可以暢游在安靜優美的環境中，夜晚降臨，水秀上演，隱藏在岸邊、水下的投影、噴泉、燈光、音響、舞臺會在平靜的湖面屹立而起，投影機將視頻圖像投射在由噴泉形成的“銀幕”上，同時，配合大功率全彩激光燈形成斑斕奪目的奇異效果。

水幕投影系統主要由數字投影系統、媒體播放、幾何校正服務器、傳輸系統、同步控制系統等組成。因投影畫幅大、投射距離遠，由此給系統設計及實施帶來諸多不可預見的困難。首先，噴泉呈現的水幕極易受到環境影響，從而帶來投影畫面調試時融合與聚焦的難度。另外，超遠距離的信號傳輸、聲光電的同步控制等，都是項目實施過程中極大的挑戰。

2 系統設計

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

水秀總控系統是基于PLC程序邏輯控制與各專業控制設備（視頻服務器、燈控臺、噴泉控制器等）相結合的控制系統，整體控制專業演出系統運作及監測。各分系統控制柜放置在相應的控制設備間內。總控臺與各分系統之間采用以太網TCP/IP控制協議。總控臺與音視頻相關的音視頻系統（AV）和燈光系統（lighting）等各系統之間通過SMPTE協議控制同步觸發，即總控臺同步觸發音頻時間碼SMPTE至各專業控制設備演出程序（cue）同步運行。并通過交換機上傳反饋信息至總網絡系統中。SMPTE時標是目前音視頻同步中得到廣泛運用的時間碼標準，主要用于設備之間驅動的時間同步，也是水秀總控系統中控制演出設備運行同步觸發信號最重要的二級控制系統。

整個水秀僅用一臺總控設備就可以非常精確、流暢地控制所有演出中的軟件和硬件。

2.1 投影載體及光路設計

2.1.1 投影載體

導演考慮不同水幕質感呈現不同的畫面需求，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質感類似于紗幕，更均勻、更利于影像附著；但必須間隔5 s噴射一次，且對壓力和水深有著較高的技術要求，不能作為主要表演形態使用。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，作為主要表演形態使用。水幕的設計參數如下。

（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。根據水幕大小，通過solidworks三維設計軟件建立1∶1模型，計算出融合帶，繪制各投影機四角坐標系，通過全站儀打點，使每臺投影機畫面與之對應。

因現場噴泉形式是高噴等高水幕，而不是扇形水幕，受到風向等因素影響，可能出現水幕介質不穩定，噴射高度和水幕厚度不均勻，不便于調試。因此，在噴泉水泵位置搭建12個長×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，并吊掛3 mm孔距白色網布，用于測試畫面，如圖3、圖4所示。

2.1.2 光路數據計算

在進行光路設計中需要考慮以下參數。

（1）像素利用率：投影機的自然分辨率2 048×1 080，采用標準鏡頭且投影光區均覆蓋到了水幕，幾乎沒有造成像素損失。endprint

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

（3）照度計算：單機照度（畫面變形前）計算如下：（光通量×玻璃透光率）/（成像面積）=（33 000×0.96）/（37×19.588）=43.7 lx；由于投影機安裝位置條件所限，不能保證每臺都在對應通道畫面的正前方，機器存在一定傾斜。同時考慮水幕的反射率，理論照度與上述計算值會有偏差。

兩組水幕照度值、清晰度的具體計算如下。

水幕一上投影畫面為180 m×75.2 m，軟件計算照度值為42.1 lx～44.6 lx，2臺疊加后為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，右半部是對稱關系。

水幕二上投影畫面為177 m×

58 m，軟件計算照度值為42.1 lx～44.6 lx（投影水幕二時，最上層通道投影機不使用），2臺疊加后為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，右半部是對稱關系。

2.2 投光設備

由于投影水幕尺寸最大可達180 m×75.2 m，投射距離超過200 m。投影機的選型須優先考慮：遠距離投射、高亮度、寬畫幅（長焦鏡頭）等核心技術參數。

2.2.1 投影機的選配

投影機采用了CP2230高亮度數字電影機，相比普通數字投影機，這款氙燈電影機具有獨特的光學設計和強大的圖像處理能力，畫面均勻度大于90%，35億單元色彩數，可呈現高清晰度、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要求；同時，也滿足了超遠距離投影照度的要求。此外，原廠定制的5.5～8.5：1長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。單機亮度達到33 000 lm；采用標準2K視頻傳輸（2 048×1 080），可升級到4K，支持HDCP、SNMP和VNC。

該氙氣電影機采用分體式設計，可安裝到各種機座和通用底座，滿足海滄湖水秀投影島上嚴苛的安裝條件。7 kW遠程電源可遠離機身達30 m，使安裝位置更靈活，有效地解決了投影島內設備安裝空間不足的問題。

2.2.2 投影機的安裝及畫面定位

系統共設兩個投影機房，每個投影機房安裝四排六列共24臺投影機。每臺投影機的安裝角度及投影窗口位置通過專業模擬軟件計算出數據，安裝方案如圖7所示，實際安裝情況如圖8、圖9所示。

每臺投影機投射畫面尺寸、融合區域、畫面虛實，由全站儀等專業調試工具進行測算、定位；畫面的拼接、融合、疊加、梯形校正等通過視頻服務器進行輔助調試，如圖10。

2.3 數據傳輸

由于水幕投影大多采用背投方式，控制室和投影機房較遠，整個視頻信號及控制信號的傳輸使用兩組120芯單模光纖（其中包含48臺水幕投影機，以及控制信號和備用信號），并同時考慮冗余及備份，分別通過海底光纜敷設至兩個投影機房。單通道光纖傳輸長度達到500 m，光纖傳輸總長度超過20 000 m。

設計目標為：

（1）采用4：4：4色度、采樣精度8 bit的色彩模式，SMPTE/CEA標準2K×30 f/s視頻數據傳輸；

（2）通過DVI-D接口形成多模光纖電纜傳輸鏈路；

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

（4）EDID信號自動管理系統。

視頻服務器采用Delta服務器，選用12通道DVI/DisplayPort輸出或12通道SDI輸出加4K120、4K60和3-4K30輸出，具有無壓縮、高質量播放的特點，能以2 GB/s的速度直接流暢地播放TGA/DPX格式的影片。精準的時間軸控制，能支持多層融合和變形處理；同步DVI輸出，每機最多可達12通道輸出，共4臺服務器48通道輸出，每個通道通過miniDP轉DVI設備獨立輸出至每臺電影機，在做拼接、融合時可以通過服務器獨立調整每個機器的輸出畫面。

服務器視頻輸出通過光纖傳輸器（DVI 602 R/T）、光纖傳輸至投影機；視頻信號采用兩芯單模光纖傳輸；控制信號通過六類網線TCP/IP協議進行遠程訪問控制；同時通過同步發射器進行幀同步，保證畫面輸出一致性。

2.4 強電分配

每臺投影機功率約9 kW，3相5線制供電，不小于23 A@380 V。每臺投影機都設有單獨的空開控制。每個投影機房滿足設備運行電量的同時，投影機機身額外配置有一臺延時不小于15 min的UPS，在緊急斷電時，保證投影機散熱時間，正常關機。

該系統在控制室還設有遠程控制投影機房的電源閉合的功能。

2.5 通風系統

投影機房位于湖面中心位置（人工島），機房內空氣鹽分高、濕度大、溫度高，通過精密空調系統向投影機房房間內送新風時，需考慮無鹽化處理，避免送入新風含鹽量高而導致對設備元器件的腐蝕。同時，為控制投影機房溫度在25°左右，根據設備總散熱量，送入新風總流量不小于25×600 ft3/min，保證設備的正常運行。

3 系統方案實施情況及效果

系統實施后的實測情況如下。

（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）單臺投影機投射尺寸：37 m×19.8 m。

（4）實際照度值：82.5 lx～85.5 lx。

（5）實際分辨率：全畫幅分辨率：9 858×3 288。

（6）系統畫面擴展性：該電影機芯片基于4K平臺打造，僅需升級電影機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時的設備兼容能力；同時該電影機支持Brilliant 3D技術（3倍頻技術），可以滿足演出中3D片源的播放要求。

以上測試數據滿足設計指標，能夠根據藝術創作的視頻內容完成水秀演出；實現視頻系統與總控系統的同步控制，保證了整體演出效果（見圖11、圖12）。

4 結束語

此項目從觀眾的視覺出發，充分考慮到戶外投影的環境因素，集眾多先進科技為一體，如全光纖網絡系統，充分保證了高品質數據傳輸；邊緣融合拼接技術，保證了巨幅畫面效果；采用SMPTE時標的總控系統有效地解決了視頻、燈光、音響、噴泉、舞臺、特效等各分系統的同步問題；真正實現了整個演出系統的一鍵同步觸發功能。最終呈現的效果得到了業主及觀眾的認可，也為業內其他水幕投影項目的設備選型和系統構造提供了參考和依據。endprint