演艺领域中投影显示系统设计

时间：2024-05-19

【摘要】基于投影显示系统各部分的功用，给出系统的设计过程，以及需要注意的事项。

【关键词】投影显示系统；投影设备；设计步骤

文章编号： 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《投影顯示系统在演艺领域的应用》[1]一文中，详细阐述了演艺领域投影显示系统的组成及其不同应用中的技术特点。本文中将继续介绍投影显示系统各部分的功用和及其设计过程，并指出需要注意的事项。

1 投影显示系统各设备的功用

投影显示系统组成如图1所示，与LED大屏幕、LCD平板显示等其他显示技术不同，投影显示是一种二元技术系统，由投影设备与“屏幕-被投射的介质”构成。理解这一点非常重要。在构建一个投影显示系统时，绝大部分的需求在询问投影机时都没有考虑被投射介质/投影屏幕（演艺领域的投影屏幕更多地称为投影介质）的情况，以至于很多的初步建议非常不准确。对于投影显示，真正要看的是屏幕上的图像，在没有明确投影介质/投影屏幕前，任何的投影机建议都是少有参考价值的。

1.1 投影介质/投影屏幕

由于投影介质的种类非常多，很难与专门的投影屏幕相提并论。演艺活动中的投影介质可能是各种建筑材料表面；各种自然景物表面，如山体、崖壁、植被、沙丘，湖泊、水秀中的水幕、水帘、雾幕、舞台纱幕等。

不同的材料表面有不同的反射特性，需要根据具体测试情况获得数据，主要的参数有增益、视角和半增益角。其中，增益对观看者的亮度感受影响重大，视角将影响观众的分布或者不同区域观众的观看的亮度。

1.2 投影机

投影机是投影显示系统核心设备，也是预算较大的设备。投影显示技术发展已经很成熟，目前的主流显示技术包括3DLP、3LCD、1DLP。一般在演艺活动中采用3DLP技术居多；单机的物理分辨率为1 400×1 050、1 920×1 080、1 920×1 200、2 048×1 080、4 096×2 160；输出光通量从1 000 lm～60 000 lm；投影机ANSI对比度在几十比一到几百比一；投影机光源类型包括UHP、Xe、LASER（RGB）、 LASER（BLUE+荧光粉），如图2所示。其中，不同光源的投影机特性不同。

1） UHP灯的寿命在1 500 h～

2 000 h。

2） Xe（大功率）灯的寿命在几百小时。

3）最新光源产品LASER（RGB）的寿命在20 000 h～

30 000 h，是更大功率的投影光源。LASER（RGB）光源是3D电影发展的需要，因为传统的Xe灯在3D电影院的亮度大大降低，低亮度会引起眼睛疲劳，丢失细节。

4） LASER（BLUE+荧光粉）是一种经济的激光光源方案，利用蓝色激光器照射荧光粉色轮来实现显示，也属于一种时分的解决方案，成本较低。

1.3 媒体播放器

媒体播放器（见图3）的主要任务是实现媒体视频内容的播放，此外，在演艺投影系统中，投影机进行叠加和融合很常见，需要媒体播放器具备变形校正和融合功能，对视频显示有着至关重要的作用。

在系统设计过程中经常出现的问题是，投影设备采用了很高端的专业投影机来实现，但播放器却是一台普通计算机，导致整个显示系统从信号源开始，信号质量就很一般或者较差，以至于在后端无论采用多好的设备，呈现的显示质量都很一般。所以，高质量的播放器也是构建系统的核心设备。

1.4 传输设备

传输设备的功用是无损地将播放器输出的信号输送到投影机，包括控制信号。一般情况下，采取光纤传输（光纤传输设备见图4）是比较简单的，既可以抗空间干扰，且传输距离也比较远。

1.5 控制设备

控制设备（见图5）的功用一方面是控制视频系统其他设备的使用，另一方面是与其他专业系统实现协同。在演艺领域的应用中，各个子系统可以独立设置控制设备，最后再设置总控设备，也可以由某个专业的控制设备一同来管理各个子系统。

2 投影显示系统设计

2.1 设计准备

设计人员一方面需要熟悉系统中各个设备的功用，一方面要熟悉目前行业中的设备供应情况及其特点，任何系统设计都离不开对所用设备和器材的了解，任何设计的落地最终是要落实到具体的产品上，或者说准确的设计是基于具体产品性能的设计，这是无法回避的，回避也是不科学的，招标中去特征化的技术文件，其结果就是投标技术文件不能落地，必须经过投标单位（实际上是施工单位）的深化设计。

设计人员除需要了解系统设备情况，还需要有一定的光学知识、色度学和光度学知识，也需要了解人眼工程学和人机工程学的知识；好的设计人员还要有丰富的工程经验，能解决不同环境、不同约束带来的安装问题以及对设计造成的工程修正。

2.2 设计步骤

1）视场规划

由经营规划确定观众人数，结合座位的布局，人眼的视场（见图6），来确定屏幕的位置和尺寸（见图7），要尽量保证全部（主要）观众都能看得见，看得清，不变形。

2）研究屏幕/介质

演艺应用中的投影介质种类繁多，必须了解其反射特性（漫射是需要的）-反射率，视角（半增益角）（见图8）、色彩。对某些文物来说，还要研究光谱中不同的光对文物的破环问题。

3）计算满屏分辨率

人眼分辨力是指对景物细节的分辨能力，一般将被观察物体上刚能分辨的最近邻两黑点或两白点的视角的倒数称为人眼的分辨力，通常人眼的极限角分辨率为1弧分。根据观看距离结合人眼角分辨率，计算像素尺寸，根据像素尺寸，结合屏幕尺寸，计算满屏分辨率（见图9）。

目前单机最大分辨率一般是4K，不能满足需求时，采用多机融合的方式。

实际上人眼的分辨率还受到光照度、色彩、对比度、物体运动速度的影响（见图10），所以在实际工程项目中，还要根据具体的情况来修正。

4）计算屏幕亮度

亮度=（投影机光通量/单机投射面积）/π×屏幕增益×投影机灯衰减系数×非正交投射损失系数×亮度一致性系数×投影窗口损失系数×传输损耗系数

如果亮度不够，一般按照以下顺序的解决办法操作：（1）更换更大通量的投影机；（2）投影机叠加；（3）减少单机投射面积，增加通道数。按上述顺序解决亮度问题是科学的，因为设备的可靠性要大大优于系统的可靠性，设备往往是制造商反复改进后生产出来的，而系统是各类设备的集合，且绝大部分系统都是一次性建设的。

5）计算图像对比度

对比度是一个非常重要的概念和指标，这里所说的图像对比度是用来评价有实际图像呈现时，屏幕上的显示对比度。用图像对比度概念（见图11、图12）来评价显示效果，是比较准确的，最接近观看的效果。

图像对比度=

其中，图像亮度（B）：屏幕增益和屏幕尺寸以及投影机亮度；屏幕反射（R）：环境光照度乘以反射系数；投影机对比度（C）：经灰色阶和白色阶调整后，黑白格子图对比（见图11），不是全白/全黑对比度（有兴趣的可以参阅ANSI/INFOCOMM 3M-2011投影图像系统对比度标准）[2]。

一般来说，空间中最亮位置的亮度应该比最暗的位置明亮10倍以上，才能避免眼睛疲劳的情况出现，使人集中注意力在明亮的地方，正常情况下，人眼极限对比度为1 000：1。可以看出，人眼感知的亮度是一个非常复杂的事情，同样亮度指标的屏幕，会因为屏幕大小的不同、环境空间的大小、播放内容的不同以及周边环境的不同而不同。很多时候，客户都是要求通过测试来确定，但大部分的测试都比较随意，并没有考虑最后实际使用效果与测试结果之间的关系，盲目地认为，测试结果就是最终结果。比较合理的方式是，按照上述设计步骤从理论上计算清晰之后，再进行测试，合理推测最终效果。

6）配置投影机

在满足分辨率要求的前提下，用尽量少的设备完成系统构建，能用一台不用两台，因为两台以上的投影机就会增加亮度一致性、颜色一致性、融合等新问题。这也符合系统设计精而简的原则。

当亮度不够的情况下，采用设备叠加的方式解决。当亮度不够且投射距离不够的情况下，采用减少投射面积，增加通道数的方式解决。

7）配置媒体服务器

在演艺项目中，媒体播放器的主要任务是高质量稳定可靠的播放，在确定设备规格参数时，需要了解：通道数，单通道分辨率（1 920×1 200、4 096×2 160），影片长度（秒），媒体格式（TGA、PNG……），媒体参数（4：4：4、4：2：2、4：2：0），灰度（8、10、12），音频参数（5.1、7.1……），同步方式（LTE、帧同步），控制方式（LAN），时间轴控制（SMPTE），输出接口（DP、HDMI、DVI、SDI）

8）确定传输方式和传输设备

传输有同轴电缆传输、双绞线传输、光纤传输等。

演艺项目环境复杂，可靠、优选的方式是使用光纤传输，此部分占整体预算较少。

9）确定控制设备和控制方式

控制包括设备控制（开关机和状态参数设置）以及表演控制（媒体服务器时间轴控制），可以采用集中控制設备来完成。优选的控制设备是“嵌入式操作系统”的纯硬件控制设备，与基于windows操作系统的设备相比，这种方式更可靠。

10）根据约束条件修正设计

实际应用中，投影机的安装位置受限，造成投影机与“屏幕”之间呈现一定的夹角（水平、垂直、同时存在），此时投射的图像会出现变形，同时也会造成光通量的损失。

如果空气中尘埃较多或者水汽较大，都会影响光的传输，造成亮度损失。

当投影机被隔离时，投影窗口玻璃也会造成亮度损失。

11）工程安装的考虑因素

在系统设计中，在满足功能设计的同时，还要考虑工程安装的设计，要保证设备易于安装、易维修、控制噪声到合适的程度、让投影机有良好的散热。概括地说，就是要保证投影机的使用环境，包括防尘、温度、湿度、烟雾、盐雾等。

12）设备选择