杭州大剧院视频投影系统的构成与应用

钟国淼

（杭州大剧院，浙江 杭州 310016）

随着图像显示数字化、信息可视化、通信、互联网技术的不断发展，高亮度、高分辨率、高可靠性的大屏幕显示技术在各行各业的应用不断深入，在舞台演出领域尤为突出。近几年，全国文化场馆特别是大型剧院的建设如火如荼，对舞台背景显示图像的专业性、高品质、多用途的要求越来越高，人们都希望通过配置性能优越的视频投影系统，将舞美人员的艺术创意通过当今先进的数字化大屏幕投影显示技术立体化地展现在观众的面前，实现传统舞台背景设计无法达到的境界，从而增加艺术感染力，为演出锦上添花。

本文以杭州大剧院超高亮视频投影系统为例，详细分析其系统构成，并根据使用实际情况提出完善现有系统的建议，最后结合最新技术发展形势对系统功能的拓展情况谈谈自己的想法，供各位同行参考，不妥之处请各位老师指正。

1 系统详细介绍：

杭州大剧院超高亮视频投影系统建设的最基本需求是：在主舞台的天幕位置安装一套18 m×12 m的框架式背投幕布，利用后舞台24 m的深度空间，以2台超高亮度的投影机用双机叠加的方式把视频图像信号投射到背投幕上，实现舞台背景的数字化。

经过市场调研和综合考察，在最终方案中，投影机选择了比利时巴可公司的XLM H25，投影幕采用美国知名厂商Stewart的背投框架软幕，信号切换系统采用美国EXTRON 产品。图1为系统连接示意图。

1.1 无缝背投软幕：

为更好地营造出一个立体化、全方位、具感染力的舞台效果环境，投影幕采用了美国Stewart Filmscreen 100大型无缝背投软幕，该幕布的画面尺寸为18 m×12 m，采用框架安装方式，幕与四周边的圆管框架紧绷悬挂，避免了热胀冷缩对投影幕产生的影响。幕布表面的平整度非常好，可以清洗，并具有阻燃性。

根据舞台投影系统的应用特点，屏幕需要具有良好的透射均匀性和超宽的视角，以保证从不同方向观看均有良好的视觉效果。选用的投影幕宽视角达160°，增益为1.0，对数据、视频、电影投影的使用都非常理想；它提供了一个非常宽广的可视范围，幕内特殊的黑色材料和1.0的屏幕增益使得对比度得到极大的提升，画面更加生动；同时，它的高均匀度可有限抑制“太阳效应”。

为了有效地保护幕布，在原幕布自带圆型钢管框架基础上，又增加了50 cm宽的三角形铝合金Truss架作为保护框架，如图2所示。安装完毕后，整个幕布框架尺寸为19 m×13 m，重量接近800 kg。杭州大剧院的电动吊杆荷载均为1 t，并专门在天幕区位置安排了第59号吊杆负责投影幕的升降，还在其前后分别安装了白天幕和黑天幕各一道，用以隔离灰尘，有效保护幕面，同时，为了安全起见，专门给吊装幕布的吊杆设定使用时的上下限位。

随着系统的投入使用，Stewart Filmscreen 100 无缝背投软幕大屏幕多次应用于重大演出，舞台效果非常理想。良好的性能加上精心的养护，背投软幕经过近5年的使用，未见变形和下垂，效果良好。

1.2 BARCO XLM H25投影机

作为整个系统的核心设备，投影机的品质好坏直接影响整个系统。BARCO XLM H25三片式DLP 投影机是当时技术最先进的超高亮度投影机，堪称是高亮度、多功能、真实色彩再现和高度智能化的完美结合。

这套设备装备了高对比度黑色HDTV DMD 芯片，这是业界较早的以2 048×1 024高清晰度像素为自然分辨率的三片DLP宽屏投影机，成为需要在高要求环境下，能够显示非常清晰鲜艳的视频和数据信号的理想宽屏投影机。同时，在6 000 W氙灯的驱动下，XLM H25 的亮度输出可达到27 000 lm，对比度可达1 250∶1，即使在较高的环境灯光照明下，也能在不损失对比度的前提下，做到色彩鲜艳、真实再现的清晰投影。BARCO XLM H25 投影机除了具有以上特点外，还具有如下的丰富功能：

（1）完全密封的 DMD光学引擎

具有完全密封的光学引擎，确保投影机在多尘、多烟雾的舞台环境下正常工作，同时，延长了投影机核心部件的寿命。

（2）高效的液体冷却方式

与传统的高亮度DLP 所采用的“风冷”方式相比，XLM H25 采用了更为高效和先进的“液冷”系统，它能够使被密封的光学引擎在极高的亮度输出条件下稳定地工作。

（3）可自行调节会聚系统（ACS）

可自行调节会聚系统（ACS）功能，允许用户在现场进行手工调整。会聚调整操作是在密封引擎外部进行的，避免了灰尘的进入；同时，有直观的屏显网格图案指导，非常容易操作。使得设备在长期使用中，仍能保持精细的图像质量。

（4）恒定光输出

独有 CLO 特性（恒定光输出）是通过电子技术科学地控制灯泡的光输出，从而较长时间地维持投影机的最大初始亮度。系统还支持联接多台投影机亮度，确保不会出现明显的亮度差异。

（5）多重图像动态画中画窗口实时处理

具有宽屏投影模式下 “画中画”窗口功能，无需另行配置额外的图像处理器。标准配置下，即可同时输入4 路不同的高带宽信号，计算机信号和视频信号均可，没有图像延迟现象。可在全屏幕的任意位置以任意大小显示窗口的内容，其中的任何一个窗口都可以放大到全屏大小，非常灵活，这大大丰富了演示和艺术表现的手法。它的画面调整，还能将不同比例的显示信号源调整到适合应用的效果，对舞台演出起到了“画龙点睛”的作用。

（6）信号源无缝瞬时切换

无需外部设备就可在不同的信号源之间进行无缝瞬时切换，并带有许多特殊的切换效果，比如“擦除”、“淡入淡出”、“框入框出”等。

（7）模块化结构

模块化的设计为设备的维护提供了便利性。投影机的所有部件，都可从投影机的一边进行接触和维护，比如灯座、电源供应、电子线路板、信号处理模块等，使维护模块的工作方便快捷。

XLM H25 配备了4 个标准的高带宽输入插槽，可以兼容目前众多的数字和模拟输入信号，比如模拟RGB、RGB/YUV(15 KHz)、DVI-D、SDI、复合视频/S-Video 和HD-SDI。标准情况下，每一台XLM H25 带有RGB、DVI-D、SDI 和HD-SDI 输入模块，可根据需要进行模块的交换和调整。4个通道的信号源，可以同时输入并显示在屏幕上。通过网络进行远程控制时，通过这些模块输入的信号也可被同时控制。

（8）能用网络控制的投影机

通过XLM H25 标准配置的以太网络端口,结合巴可公司特别开发的Communicator Events 软件，用户可以从远程来完成对投影机的状态监控和操作管理，所有通过遥控器能够完成的功能均可通过该软件实现，并可以对画中画的布局进行直观的图形化操作以及实现存储调用等功能。另外，投影机所有的操作都会自动被系统记录并保存在日志文件中，便于日后检索和作为维护的参考。技术人员在控制室内，就可对投影机的运行状态一目了然，大大提高了投影机的维护效率。

1.3 信号源和切换控制系统

1.3.1 信号源

根据当时舞台投影的实际应用需求，系统配置了两个常规性的信号源：笔记本电脑和DVD播放机（系统图中的实物投影仪和录像机最终并未配置）。由于舞台上应用的设备较多，如灯光、电机等的运行均会对类似模拟RGB信号产生干扰，影响画面质量，所以，系统增配了笔记本电脑的DVI 接口。因为计算机DVI接口技术采用的是最小化传输差分信号，它的抗干扰能力要比模拟信号强，而且使用DVI 接口（与模拟的RGB 相比）支持的传输距离更长，这些数字图像信息就会被直接传送到投影机上，由于没有D/A 和A/D 转换过程，避免了图像细节的丢失，从而保证计算机生成的图像真实和完整性，而且D/D 的数字信号直接传输，减少了与模拟信号的转换周折，使投影机显示的速度也更快、更流畅。

1.3.2 切换控制系统

多媒体信号的接入、转换、切换控制在投影系统中起着至关重要的作用，这些设备的性能直接影响到显示画面的质量。本系统的信号切换设备均选用美国EXTRON 产品。考虑到系统可能用到的监视及扩展功能，信号切换器选用8 路输入与4 路输出的Extron MAV 8×4 AV 音视频矩阵切换器和Crosspoint 8×4 HV RGB 矩阵切换器各1台。Extron MAV 8×4 AV 音视频矩阵切换器把来自DVD播放机、摄像机或转播车等信号源的视频信号接入投影机的S-Video接口，通过切换输出视频信号到两个投影机的S-VIDEO接口。Crosspoint 8×4 HV RGB 矩阵切换器用于切换计算机和DVD等的RGB信号输出到两个投影机（矩阵可编组为两输出为一组相同信号）的RGBHV 接口。

根据实际情况，把所有信号接口设备放在一个可移动式的1.2 m高的机柜内，将笔记本电脑放在机柜上操作，如图3所示，通过延长信号线在后舞台按需求移动位置。

1.4 系统的实现

1.4.1 镜头的选择和投影机的投射空间

如图4所示，杭州大剧院后舞台的深度为24 m，图上标示的背投幕在24 m内，即背投空间的深度小于24 m。配了两只XLD 1.03∶1的镜头，刚好为系统使用，如图5所示，背投空间LD的深度由光路长度PD加上投影机的机身长度1.56 m，根据相应的镜头与投影机投射画面公式，计算投影距离PD如下：

考虑到双机的叠加应用，和需要投12 m高的屏幕，投影支架最佳位置是架高5.3 m（12 m 的画面高÷2 - 0.63 m单台投影机的高），而杭州大剧院的后舞台没有固定的台子来放置投影机（如跳台、走道等），同时，考虑到大剧院背投影系统有移动式使用需求，因此，配置了一台移动式的液压升降平台机，如图6所示，它可手动或电动两用升降。升降平台机备有四轮作为设备的移动，可提升质量大于400 kg（两个投影机的重量为2×180 kg）。

1.4.2 双机叠加的实现

投影机的多机叠加不但可提高大屏幕画面的亮度，同时也能起到投影机的备份功效。双机叠加是将两台投影机所投射相同的画面，通过光学和机械位置的调整，使其一直保持在重合状态，显示的像素一一对应。

（1）双机垂直叠加

利用投影机的机身上已经集成的夹锁装置和多用途定位点，双机垂直叠加无需额外的附件，可直接将投影机堆叠，并将夹锁点位互锁即可。通过机体内部的倾斜微调和电动位移功能，即可简便、快捷地将两个画面实现完美的重合。

（2）双机水平叠加

将两台投影机水平放置，利用镜头的电动位移功能，实现水平叠加，实现与双机垂直叠加相同的效果，给系统的安装提供灵活性。所有这些对设备电动调整的操作，既可通过遥控器，也可以通过更为方便和直观的网络软件进行远程控制调整。

1.5 设备供电系统

由于XLM H25投影机是精密设备，在演出现场复杂多样的电磁场环境中工作，极易受到各种干扰源特别是灯光系统的干扰，出现供电系统波形失真，造成投影机电源系统不能正常工作或由于信号受干扰使传输发生畸变造成图像失真的情况。为避免上述问题的出现，采取了以下技术手段：首先，根据系统用电总容量（三相交流电20 kW）在后舞台转播车供电位配置了一个单独的电源开关，独立于舞台供电系统（不属于同一个变压器），保持其不受舞台灯光、机械等供电系统的影响；接着，整个投影机电源系统的接口统一用进口32 A 5芯的防水插头，确保良好电气的接触性能；最后，采用3相5线制的供电方式，并采用接地技术，接地电阻不大于4 Ω，同时，在配电箱加装了防雷装置。在供电系统安全方面要特别注意，一旦供电系统接地系统出了问题，比如投影机地线凌空，会造成电子线路PFC模板和灯泡电源板被击穿、投影机无法启动等后果，所以，使用中务必谨慎操作，确保安全。

2 实际使用效果

该视频投影系统自2005年投入使用以来，多次成功应用于各种大型晚会、综艺演出及政府会议。比如，2006年6月在上海大剧院举行的上海合作组织峰会晚会《和谐礼赞》，如图7所示，在晚会现场保障双机水平叠加超高亮投影机系统，圆满完成演出任务；2006年4月，在世界佛教大会开幕式晚会《和平颂》上，这套系统也得到了充分的应用，具体是用于晚会的一个经典舞蹈《墨舞》中：节目开场音乐一起，一滴墨水自上而下落在巨大的白幕上，随着音乐的节奏、跟随舞者闪动的身影，墨水快速向四周渗透，如图8所示。在“咚”的一声响亮的钟声后，幕上的墨水瞬间变成了“儒”、“道”、“禅”三个字，体现出舞蹈的深刻内涵，如图9所示；2006年7月，在某商场开业晚会上，使用H25投影机系统（单机）把晚会现场画面投射到30 m开外的建筑大厦墙面上，投影画面达32 m×24 m，现场效果非常震撼。此外，2008年，西湖国际音乐节晚会等大型演出均使用了该系统。使用者对该投影系统的效果都交口称赞。

3 系统完善和拓展设想

3.1 增配变焦镜头

杭州大剧院超高亮视频投影系统是量身订做、固定使用的，因此，只配置了1.03∶1的定焦镜头，造成投射的距离只能是投影幕宽的1.03倍，这样一来，大大限制了系统的利用率，曾多次由于没有合适镜头放弃使用，留下不少遗憾；同时，难以更好地实现系统的经济效益。所以，为了提高投影机的最大利用率和对不同场所的适用性（特别租赁使用），系统应该增配两只XLD 1.45-1.8的变焦镜头，以适应投影画面的大小和投射距离的各种组合，并为图象投射位置和投影机的放置位置提供最大的灵活性，从而满足不同应用需求。

3.2 增配轻便性正/背投幕

由于Stewart Filmscreen 100 无缝背投软幕安装后重达800 kg，不方便移动，只能固定使用，造成投影机每次只能在同样位置使用，大大限制了系统的利用率。现在大部分新建大剧院投影系统还是固定镜头、固定位置的模式，如2009年，广州“九艺节”主会场就是这样，笔者认为可以把系统做得更好。根据5年多来的使用经验，笔者认为，应该在原来基础上增配1套轻便型的投影幕，包括正投和背投幕，尺寸不用很大，14 m×10 m即可，要便于拆卸移动，在前面变焦镜头的配合下可以实现在舞台中轴线上任何位置投影，满足舞美设计需要，同时使系统做到真正的“移动”：既可以在本剧院舞台上移动，又可以移动到外单位，提高经济效益。

3.3 结合现有系统拓展功能

从本质上讲，现有超高亮视频投影机系统只是个显示或者信号回放系统，信号源给什么图像出来就是什么图像。而且，演出时候和灯光、音响的控制不是在一起（一般都在后舞台），配合不是很方便。针对现状，笔者设想在现有系统的基础上增配媒体服务器，利用杭州大剧院已有的MA控制台，通过网络控制MA视频服务器，再由视频服务器的DVI等接口连到XLM H25投影机，这样既可以实现能和灯光系统统一控制，而且还能获得以下新增功能：

（1）能够以“全高清”1 080像素方式，或“高清”720像素方式，演示视频内容。

（2）可以将视频调整到需要的尺寸大小，只要利用水平及垂直方向的软化边缘功能、梯形校正功能，就能生成极佳的展示设计效果。还有三维梯形校正功能，可将任何尺寸及状态的视频内容调整到适合投射对象的形态。

（3）可生成如帧混合、色彩增强、动态色键、对比度调整、亮度调整、色调调整、饱和度调整，以及模糊化、棕褐色特效、黑/白色特效、鱼眼镜头效果和反相等特殊效果，实现真正的数字化视频投影系统。

当然，其他大剧院不一定和杭州大剧院一样，应该结合自己现有设备拓展投影系统，如可以用WHOLEHOG（飞猪）系列控制台加AXON媒体服务器来实现拓展，也可以用MARTIN（马田） XYZ系列控制台加Maxedia媒体服务器来实现拓展等。总之，利用原有设备和系统，增加少量设备就能使原有投影系统焕发新的生机，还能实现灯光、视频系统统一控制，一举两得。