《偉大征程》LED顯示系統及屏幕設計和實施

謝光明

（利亞德光電集團，北京 100091）

慶祝中國共產黨成立100周年文藝演出《偉大征程》2021年6月28日在國家體育場（“鳥巢”）舉行。《偉大征程》以大型情景史詩的形式呈現，綜合運用了音樂舞蹈、情景表演、廣場行進、戲劇演出、影像等多種藝術形式和手段。其中，舞臺上LED屏和LED網幕近10000 m2，是營造“情景”的重要道具。利亞德集團技術團隊與相關專家團隊從導演組籌備開始，就積極參與到設計工作中，對LED屏幕及其播控系統進行設計、施工及保障服務，以近乎嚴苛標準一次次打磨，力求精益求精，展現沉浸式的視覺效果，并保障現場演播視效萬無一失。下面解析該項目LED顯示系統、屏幕布局的方案，基于使用需求對LED顯示單元的燈板雙屏、雙控制系統、雙路電源供電、模組供電限流、灰度無損控制、IP66防護等特別設計，以及安裝方案的實施。

1 LED顯示系統的方案

該項目落地后，在演練場地（B場地）搭建了1:1的演出舞臺，配套安裝了5000多平方米的LED屏幕，可以第一時間對導演組的創意進行視覺呈現。在對正式演出場地國家體育場（A場地）的舞臺設計時，認真吸取B場地的各種經驗教訓，并根據場地A的特點進行深入優化，形成最終版的舞臺方案。

根據最終版舞臺方案，舞臺上的LED分為弧形主屏、兩道側屏、翻轉地屏、柔性旋轉屏、黨徽和大鼓網幕等六部分。各種LED屏幕距離觀眾距離在30 m～100 m，因此，屏幕的像素間距對顯示效果影響不大。

所有的屏幕單元都進行雙系統、雙電源設計。LED屏幕的供電，采用2路電源同時供電模式。根據屏幕位置，設置多個一級市電供電點位，每個點位都布置2臺容量為200 kW的一級柜，每臺一級柜再分出2臺容量為100 kW的二級柜，每臺二級柜再輸出6個容量為20 kW的三相航空插座，通過6組帶航空插頭的低煙無鹵阻燃電源線輸出到屏幕內部的電源分配器。一臺電源分配器輸出9根3×2.5的屏體電源線到屏幕單元。

播控系統設計為主備模式，采用3+3套媒體服務器同步輸出24路4K信號控制所有的屏幕。控制室到屏幕的信號傳輸采用單模光纖傳輸，提高屏幕工作的穩定性。顯示系統方案如圖1所示。

圖1 A場地LED顯示屏控制系統架構及組成

2 LED屏及網幕的布局

國家體育場為環形結構，可承載超大規模的演出。《偉大征程》舞臺設計依體育場結構搭建立體舞臺，突出空間感，用LED屏形成環繞立面視線，采用活動翻轉屏配合表演，兩側的副屏以旗幟飄揚的形象向外延伸，結合投影、虛擬拍攝等技術，使整個鳥巢視覺范圍所及之處都可被影像覆蓋，并與演員表演形成交互呈現，將整個鳥巢打造成沉浸式劇場。整個LED屏布局如圖2所示，選用的LED單元參數見表1。

圖2 LED屏布局

表1 LED單元的參數

（1）背景主屏幕：位于場地東側跑道，弧長174 m、高29.5 m，總面積5133 m2，主屏幕下沿距離地面6 m，其結構如圖3所示。由于是在使用時間為5、6、7三個月，屬于北京的雨季，因此，采用了防水性能達IP66的室外壓鑄鋁外殼VVRO5.2 LED箱體單元拼接。由于主屏幕物理像素達到33408×5664，橫向達到近9個4K，顯示素材提供不了那么高的分辨率，因此，現場通過視頻處理器將顯示素材放大顯示，即3×3個LED燈點顯示一個像素。

圖3 主屏幕示意圖

（2）側屏：分立在舞臺兩側，每側為兩道旗幟形狀的異形屏，形成立體空間，強化視覺沖擊力和感染力。LED單元采用室外壓鑄鋁外殼的VVRO3.9，特別是根據異形的結構定制了十幾種弧形單元，滿足現場無包邊的弧形顯示效果。

其中，異形二道副屏，長65 m、高22.5 m，兩側各一塊，共2塊，布局圖如圖4所示；現場通過視頻處理器將顯示素材放大至屏幕物理像素顯示，即2.6×2.6個LED燈點顯示一個像素。

圖4 兩側對稱的二道副屏示意圖

異形一道副屏，長37.5 m、高22.5 m，兩側各一塊，共2塊，布局圖如圖5所示；現場通過視頻處理器將顯示素材放大至屏幕物理像素顯示，即2.5×2.5個LED燈點顯示一個像素。

圖5 兩側對稱的一道副屏示意圖

（3）翻轉地屏：位于舞臺前區中央位置，長30 m、高9 m，采用室外壓鑄鋁箱體的VVRO5.2M LED單元，布局如圖6所示；現場通過視頻處理器將顯示素材放大至屏幕物理像素顯示，即1.5×1.5個LED燈點顯示一個像素；翻轉地屏用以拉近觀演距離，聚焦細節畫面，強化戲劇環境，并設置搖臂、升降臺、多功能臺階等設施，拓展表演的立體空間。

圖6 翻轉地屏

（4）柔性旋轉屏：位于舞臺前區兩側的轉臺上，共2塊，每塊面積約為350m2，結構如圖7所示。

圖7 柔性旋轉屏

（5）網幕黨徽和網幕大鼓：為突出慶祝建黨百年的主題，位于主屏幕背后舞臺中央，采用P55的網幕搭建了直徑16 m的黨徽網幕，采用P35的網幕搭建了直徑10 m的網幕大鼓，如圖8所示。

圖8 P55網幕黨徽和P35網幕大鼓

伴隨著主題曲《領航》的旋律，金色黨徽莊嚴升起，將整個晚會推向新的高潮。

3 LED顯示單元的創新設計

各類LED顯示屏需要在很短的時間內完成安裝、調試，并達到理想的舞臺效果，因此，前期的方案設計、產品研制就顯得非常重要。一方面，對LED顯示單元進行了針對性的設計，采用顯示燈板雙屏疊加、雙屏雙控制系統、雙路電源供電、模組供電限流、灰度無損控制、IP66防護等設計，并采用最高產品標準；另一方面，對于LED顯示屏的安裝方案，采用主屏幕分區的方法，同時配套設計了有效、快速撤場的方案。

（1）顯示單元LED燈板的雙屏疊加設計

結合以往的使用經驗，此次主屏幕顯示單元LED燈板采用像素間距為5.2 mm 的戶外顯示單元。其中燈板采用星型錯位間插式布局構成雙屏顯示，如圖9（a）所示，尺寸250 mm×250 mm，LED 數量96點×96點。

圖9 燈板的雙屏布局

4塊異形側屏顯示單元LED燈板采用像素間距為3.9 mm的戶外顯示單元。顯示單元LED燈板采用奇數偶數列的間插式布局的雙屏顯示，如圖9（b）所示。

同時，雙屏的顯示分別采用A、B雙路控制，A路控制燈板偶數行奇數列、奇數行偶數列的LED燈，B路控制偶數行偶數列、奇數行奇數列的LED燈。單元箱體內部包含2張接收卡、2臺電源，如圖10所示，各路獨立工作，A、B路接收同一路視頻信號，同時對顯示單元提供信號，并具備環路備份功能，每路的刷新率達到3840 Hz，控制器到屏體的數據刷新達到120 Hz，控制器每傳輸一行數據都會伴隨同步信號。接收卡輸入輸出分別接入不同的發送卡，接收卡1的信號來源于發送盒1和發送盒2。當發送盒1故障時，發送盒2仍然可以為接收卡1提供信號；同樣，接收卡2信號來源于發送盒3和發送盒4。當發送盒1、2、3和4的信號一樣時，接收卡1與接收卡2形成雙接收卡信號雙環路備份。任何一路傳輸信號出現故障，連續收不到3個同步信號，就會切換到有正常同步信號的通道，并在下一幀開始更新顯示數據，切換時間在10 ms（理論上最大延時1/120 s）以內，不影響屏幕的整體顯示。

圖10 雙系統示意圖

（2）雙電源設計

LED單元的開關電源帶有PFC（功率因數校正），具有均流平衡負載功能，如圖11所示。

圖11 雙電源并供方案示意圖

屏幕系統由供電局同時提供兩路一級柜供電，通過2路二級柜獨立提供多路380 V電到屏幕附近的三級電源分配器，再給每一個顯示單元提供2路獨立的220 V供電。2路供電同時正常供電時，每個顯示單元里的開關電源通過均流線信息提供相同大小的電流到燈板。任意一路供電出現故障，或者顯示單元里的一路開關電源出現故障，則另一路開關電源加大電流輸出，確保顯示單元正常工作，并通過控制系統將某一路電源出現故障的信息傳輸到控制中心，提示維護人員及時處理該故障。

（3）灰度無損控制設計

LED單元的顯示模組采用具有電流調節功能的PWM恒流源IC，基于其配置的寄存器參數控制電流輸出調節亮度，灰階、刷新等參數由恒流源算法電路GCLK信號控制，可在低亮度的情況下，使灰度損失極小，如圖12所示。

圖12 具有電流調節功能的PWM恒流源IC的工作原理

（4）模組供電限流設計

LED單元的顯示模組直流供電端采用限流設計，在開關電源輸出直流到模組端口位置設計有限流磁珠，如圖13所示（紅色字體位置），限制模組電流不超過4×3 A=12 A，可避免因局部大電流熱量集聚引起的火災。當LED顯示模組出現短路大電流時，限流磁珠毀壞，從而避免電源持續給模組輸出大電流。

圖13 供電限流設計示意圖

（5）IP66防護設計

本次設計的LED單元，因在戶外使用，按IP66標準設計。

箱體外框采用壓鑄鋁金屬結構設計，如圖14（a）所示，盡量控制減少使用塑料成分原料，電路布線設計上采用分散設計，均勻分布電子器件，如圖14（b）所示，使產品熱量分散平均，避免局部集聚熱量。

圖14 全鋁單元防火設計

底殼與箱體間采用側面防水硅膠密封，密封圈采用雙層疊加防水棱條設計；電源后蓋為一體成型的壓鑄鋁后蓋，通過硅膠圈與箱體外框密封，后蓋與箱體間通過螺絲固定；箱體外框四周預留導水槽設計，箱體間安裝留有小縫隙。通過一系列的防水設計，如圖15所示，積水可以通過箱體外框的導水槽疏散，防止正常使用過程中水汽進入模組與箱體內部。

圖15 IP66標準防水設計

4 安裝的創新設計

傳統的超大屏幕一般采用網幕、格柵屏或點光源，屏幕單元重量輕，可以直接懸掛或綁扎在架體上。面積小一點的屏幕，一般是屏幕自帶快速連接鎖扣，屏幕自成一體，單后通過多點連接方式固定在架體上。

在本項目中，主屏弧長174 m、高29.5 m，屏幕總重量達到205 T，屏幕底部還要作為演員通道。因此，用于安裝主屏幕的鋼結構架設計重點考慮安全性。如果在鋼結構懸空6 m位置做174 m長度的工字鋼平臺，屏幕再堆放上去，整個屏幕的重量對平臺和鋼結構都是非常不安全的，安裝方式是需要突破的難題。經過技術攻關，對于總長度174 m、高度達到39 m、厚度達到15 m、屏幕底部距離地面6 m的鋼結構架，并需要安裝成弧形的要求，因此，采用將主屏幕分區，并特制安裝轉接件進行安裝。主屏幕架體平面圖如圖16所示。

圖16 主屏架體平面圖

（1）主屏幕分區方法

主屏幕從左到右分成13個部分，每一部分顯示屏是一個標準的矩形，獨立安裝，如圖17所示。這樣大大降低了顯示屏的安裝強度，同時，13個矩形單元按照一定角度拼接，形成超大的內弧形。

圖17 顯示屏分區安裝方法

（2）顯示屏與鋼結構的創新連接方法

如此巨大的主屏幕如何與鋼結構連接沒有先例可參考。通過與鋼結構設計單位多次溝通和試裝，專門設計了安裝轉換件，如圖18所示。

圖18 屏幕安裝轉換件設計圖

這樣的安裝方法將屏幕探出鋼結構表面只有50 mm左右，整個屏幕的重量緊貼著鋼結構垂直向下，對鋼結構的側向應力最小，如圖19所示。

圖19 固定在雷亞架上的安裝轉換件

整個屏幕分成若干長3 m、高1.5 m的安裝單元，每個單元采用2根3 m長的轉換件固定3行6列18個箱體，再通過安裝轉換件固定在鋼結構上，每個安裝單元之間預留1 mm～2 mm的縫隙，以滿足鋼結構的施工誤差，如圖20所示。

圖20 3 m×1.5 m顯示單元示意圖

安裝轉換件與鋼結構同步安裝，利用轉換件的標準長度來調整鋼結構的施工誤差，防止鋼結構的施工誤差過大，導致屏幕安裝不上或者屏幕之間縫隙過大影響顯示效果。如圖21所示，鋼結構與轉換件同步安裝，圖22所示為安裝完轉換件待裝屏幕狀態。

圖21 安裝鋼結構時安裝屏幕轉換件

圖22 安裝完轉換件待裝屏幕狀態

主屏幕的LED單元安裝時，借助提前固定在架體頂部的18臺卷揚機，將預裝好的寬0.5 m、高1.5 m的安裝單元提升到適當位置并固定到安裝轉換件上。這樣的安裝方法效率很高，一個區域可兩組人員同時安裝，如圖23所示，每天安裝最高能達到500 m2以上。屏幕、鋼結構整體安裝完成的效果如圖24所示。

圖23 兩組人員同時吊裝屏幕單元

圖24 從側面看屏幕緊貼在鋼結構表面

5 現場保障方案

技術保障從始至終把安全放在第一位，形成了一整套為重大活動提供安全保障的成熟方案和工作流程，從巡檢、值守、備件三方面構建了現場保障方案。

（1）巡檢：《偉大征程》針對人員、設備、系統的安全，制定了詳細的巡檢方案，設置10個點，巡檢頻率與巡檢點數均達到最高級別。

（2）控制室值守：播放系統的安全性設計是保障屏幕內容安全播放的重點，在控制室安排專人24小時守護播控，播放系統操作人員是經過嚴格培訓的專職人員；對播放計算機的操控都需要經過層層密碼授權才能打開，拷貝素材到電腦里也需要多部門聯合授權才能把素材拷貝進去；為防止任何人的惡意損壞，杜絕一切無關人員進入。

（3）準備充足的備件：該項目副場演練場地和主場演出場地，均提供超高清、雙備份的LED顯示系統保障；副場演練場地搭建規模與主場規模1:1，需要超過5000 m2屏幕，提前二個月搭建，預測在主場搭建會遇到的各種意外情況。

6 結語

由于國家體育場承接的各種大型活動眾多，留給這臺文藝演出的安裝、調試、彩排、演出時間都非常緊張。從4月1日鋼結構進場施工，到5月20號舞臺驗收，將近一萬平方米的顯示屏，安裝調試工作量空前巨大。6月28日演出完成及后續紀錄影片拍攝完成后，按照要求，72小時以內必須將現場所有的LED顯示系統撤收完畢，圖25、圖26為主屏幕多組人員同時拆屏現場照片。在極短時間內快速撤場能力也再一次印證了前期安裝設計方案的安全、合理、高效。

圖25 多組人員同時對主屏LED單元進行拆卸

圖26 多組人員同時對主屏LED單元進行拆卸

《偉大征程》文藝演出作為慶祝中國共產黨百年華誕舉辦的一項重要活動，規模空前盛大，但時間緊、任務重、責任大、難度高。為了保證這場演出的精彩呈現，導演組從接到任務開始就協調各方力量，對各項工作采用雙保險的模式。史詩般的舞臺效果是科技和藝術的深度融合，LED顯示屏及播控系統的創新實踐為今后舞臺實踐提供了優秀范本。