《伟大征程》LED显示系统及屏幕设计和实施

谢光明

（利亚德光电集团，北京 100091）

庆祝中国共产党成立100周年文艺演出《伟大征程》2021年6月28日在国家体育场（“鸟巢”）举行。《伟大征程》以大型情景史诗的形式呈现，综合运用了音乐舞蹈、情景表演、广场行进、戏剧演出、影像等多种艺术形式和手段。其中，舞台上LED屏和LED网幕近10000 m2，是营造“情景”的重要道具。利亚德集团技术团队与相关专家团队从导演组筹备开始，就积极参与到设计工作中，对LED屏幕及其播控系统进行设计、施工及保障服务，以近乎严苛标准一次次打磨，力求精益求精，展现沉浸式的视觉效果，并保障现场演播视效万无一失。下面解析该项目LED显示系统、屏幕布局的方案，基于使用需求对LED显示单元的灯板双屏、双控制系统、双路电源供电、模组供电限流、灰度无损控制、IP66防护等特别设计，以及安装方案的实施。

1 LED显示系统的方案

该项目落地后，在演练场地（B场地）搭建了1:1的演出舞台，配套安装了5000多平方米的LED屏幕，可以第一时间对导演组的创意进行视觉呈现。在对正式演出场地国家体育场（A场地）的舞台设计时，认真吸取B场地的各种经验教训，并根据场地A的特点进行深入优化，形成最终版的舞台方案。

根据最终版舞台方案，舞台上的LED分为弧形主屏、两道侧屏、翻转地屏、柔性旋转屏、党徽和大鼓网幕等六部分。各种LED屏幕距离观众距离在30 m～100 m，因此，屏幕的像素间距对显示效果影响不大。

所有的屏幕单元都进行双系统、双电源设计。LED屏幕的供电，采用2路电源同时供电模式。根据屏幕位置，设置多个一级市电供电点位，每个点位都布置2台容量为200 kW的一级柜，每台一级柜再分出2台容量为100 kW的二级柜，每台二级柜再输出6个容量为20 kW的三相航空插座，通过6组带航空插头的低烟无卤阻燃电源线输出到屏幕内部的电源分配器。一台电源分配器输出9根3×2.5的屏体电源线到屏幕单元。

播控系统设计为主备模式，采用3+3套媒体服务器同步输出24路4K信号控制所有的屏幕。控制室到屏幕的信号传输采用单模光纤传输，提高屏幕工作的稳定性。显示系统方案如图1所示。

图1 A场地LED显示屏控制系统架构及组成

2 LED屏及网幕的布局

国家体育场为环形结构，可承载超大规模的演出。《伟大征程》舞台设计依体育场结构搭建立体舞台，突出空间感，用LED屏形成环绕立面视线，采用活动翻转屏配合表演，两侧的副屏以旗帜飘扬的形象向外延伸，结合投影、虚拟拍摄等技术，使整个鸟巢视觉范围所及之处都可被影像覆盖，并与演员表演形成交互呈现，将整个鸟巢打造成沉浸式剧场。整个LED屏布局如图2所示，选用的LED单元参数见表1。

图2 LED屏布局

表1 LED单元的参数

（1）背景主屏幕：位于场地东侧跑道，弧长174 m、高29.5 m，总面积5133 m2，主屏幕下沿距离地面6 m，其结构如图3所示。由于是在使用时间为5、6、7三个月，属于北京的雨季，因此，采用了防水性能达IP66的室外压铸铝外壳VVRO5.2 LED箱体单元拼接。由于主屏幕物理像素达到33408×5664，横向达到近9个4K，显示素材提供不了那么高的分辨率，因此，现场通过视频处理器将显示素材放大显示，即3×3个LED灯点显示一个像素。

图3 主屏幕示意图

（2）侧屏：分立在舞台两侧，每侧为两道旗帜形状的异形屏，形成立体空间，强化视觉冲击力和感染力。LED单元采用室外压铸铝外壳的VVRO3.9，特别是根据异形的结构定制了十几种弧形单元，满足现场无包边的弧形显示效果。

其中，异形二道副屏，长65 m、高22.5 m，两侧各一块，共2块，布局图如图4所示；现场通过视频处理器将显示素材放大至屏幕物理像素显示，即2.6×2.6个LED灯点显示一个像素。

图4 两侧对称的二道副屏示意图

异形一道副屏，长37.5 m、高22.5 m，两侧各一块，共2块，布局图如图5所示；现场通过视频处理器将显示素材放大至屏幕物理像素显示，即2.5×2.5个LED灯点显示一个像素。

图5 两侧对称的一道副屏示意图

（3）翻转地屏：位于舞台前区中央位置，长30 m、高9 m，采用室外压铸铝箱体的VVRO5.2M LED单元，布局如图6所示；现场通过视频处理器将显示素材放大至屏幕物理像素显示，即1.5×1.5个LED灯点显示一个像素；翻转地屏用以拉近观演距离，聚焦细节画面，强化戏剧环境，并设置摇臂、升降台、多功能台阶等设施，拓展表演的立体空间。

图6 翻转地屏

（4）柔性旋转屏：位于舞台前区两侧的转台上，共2块，每块面积约为350m2，结构如图7所示。

图7 柔性旋转屏

（5）网幕党徽和网幕大鼓：为突出庆祝建党百年的主题，位于主屏幕背后舞台中央，采用P55的网幕搭建了直径16 m的党徽网幕，采用P35的网幕搭建了直径10 m的网幕大鼓，如图8所示。

图8 P55网幕党徽和P35网幕大鼓

伴随着主题曲《领航》的旋律，金色党徽庄严升起，将整个晚会推向新的高潮。

3 LED显示单元的创新设计

各类LED显示屏需要在很短的时间内完成安装、调试，并达到理想的舞台效果，因此，前期的方案设计、产品研制就显得非常重要。一方面，对LED显示单元进行了针对性的设计，采用显示灯板双屏叠加、双屏双控制系统、双路电源供电、模组供电限流、灰度无损控制、IP66防护等设计，并采用最高产品标准；另一方面，对于LED显示屏的安装方案，采用主屏幕分区的方法，同时配套设计了有效、快速撤场的方案。

（1）显示单元LED灯板的双屏叠加设计

结合以往的使用经验，此次主屏幕显示单元LED灯板采用像素间距为5.2 mm 的户外显示单元。其中灯板采用星型错位间插式布局构成双屏显示，如图9（a）所示，尺寸250 mm×250 mm，LED 数量96点×96点。

图9 灯板的双屏布局

4块异形侧屏显示单元LED灯板采用像素间距为3.9 mm的户外显示单元。显示单元LED灯板采用奇数偶数列的间插式布局的双屏显示，如图9（b）所示。

同时，双屏的显示分别采用A、B双路控制，A路控制灯板偶数行奇数列、奇数行偶数列的LED灯，B路控制偶数行偶数列、奇数行奇数列的LED灯。单元箱体内部包含2张接收卡、2台电源，如图10所示，各路独立工作，A、B路接收同一路视频信号，同时对显示单元提供信号，并具备环路备份功能，每路的刷新率达到3840 Hz，控制器到屏体的数据刷新达到120 Hz，控制器每传输一行数据都会伴随同步信号。接收卡输入输出分别接入不同的发送卡，接收卡1的信号来源于发送盒1和发送盒2。当发送盒1故障时，发送盒2仍然可以为接收卡1提供信号；同样，接收卡2信号来源于发送盒3和发送盒4。当发送盒1、2、3和4的信号一样时，接收卡1与接收卡2形成双接收卡信号双环路备份。任何一路传输信号出现故障，连续收不到3个同步信号，就会切换到有正常同步信号的通道，并在下一帧开始更新显示数据，切换时间在10 ms（理论上最大延时1/120 s）以内，不影响屏幕的整体显示。

图10 双系统示意图

（2）双电源设计

LED单元的开关电源带有PFC（功率因数校正），具有均流平衡负载功能，如图11所示。

图11 双电源并供方案示意图

屏幕系统由供电局同时提供两路一级柜供电，通过2路二级柜独立提供多路380 V电到屏幕附近的三级电源分配器，再给每一个显示单元提供2路独立的220 V供电。2路供电同时正常供电时，每个显示单元里的开关电源通过均流线信息提供相同大小的电流到灯板。任意一路供电出现故障，或者显示单元里的一路开关电源出现故障，则另一路开关电源加大电流输出，确保显示单元正常工作，并通过控制系统将某一路电源出现故障的信息传输到控制中心，提示维护人员及时处理该故障。

（3）灰度无损控制设计

LED单元的显示模组采用具有电流调节功能的PWM恒流源IC，基于其配置的寄存器参数控制电流输出调节亮度，灰阶、刷新等参数由恒流源算法电路GCLK信号控制，可在低亮度的情况下，使灰度损失极小，如图12所示。

图12 具有电流调节功能的PWM恒流源IC的工作原理

（4）模组供电限流设计

LED单元的显示模组直流供电端采用限流设计，在开关电源输出直流到模组端口位置设计有限流磁珠，如图13所示（红色字体位置），限制模组电流不超过4×3 A=12 A，可避免因局部大电流热量集聚引起的火灾。当LED显示模组出现短路大电流时，限流磁珠毁坏，从而避免电源持续给模组输出大电流。

图13 供电限流设计示意图

（5）IP66防护设计

本次设计的LED单元，因在户外使用，按IP66标准设计。

箱体外框采用压铸铝金属结构设计，如图14（a）所示，尽量控制减少使用塑料成分原料，电路布线设计上采用分散设计，均匀分布电子器件，如图14（b）所示，使产品热量分散平均，避免局部集聚热量。

图14 全铝单元防火设计

底壳与箱体间采用侧面防水硅胶密封，密封圈采用双层叠加防水棱条设计；电源后盖为一体成型的压铸铝后盖，通过硅胶圈与箱体外框密封，后盖与箱体间通过螺丝固定；箱体外框四周预留导水槽设计，箱体间安装留有小缝隙。通过一系列的防水设计，如图15所示，积水可以通过箱体外框的导水槽疏散，防止正常使用过程中水汽进入模组与箱体内部。

图15 IP66标准防水设计

4 安装的创新设计

传统的超大屏幕一般采用网幕、格栅屏或点光源，屏幕单元重量轻，可以直接悬挂或绑扎在架体上。面积小一点的屏幕，一般是屏幕自带快速连接锁扣，屏幕自成一体，单后通过多点连接方式固定在架体上。

在本项目中，主屏弧长174 m、高29.5 m，屏幕总重量达到205 T，屏幕底部还要作为演员通道。因此，用于安装主屏幕的钢结构架设计重点考虑安全性。如果在钢结构悬空6 m位置做174 m长度的工字钢平台，屏幕再堆放上去，整个屏幕的重量对平台和钢结构都是非常不安全的，安装方式是需要突破的难题。经过技术攻关，对于总长度174 m、高度达到39 m、厚度达到15 m、屏幕底部距离地面6 m的钢结构架，并需要安装成弧形的要求，因此，采用将主屏幕分区，并特制安装转接件进行安装。主屏幕架体平面图如图16所示。

图16 主屏架体平面图

（1）主屏幕分区方法

主屏幕从左到右分成13个部分，每一部分显示屏是一个标准的矩形，独立安装，如图17所示。这样大大降低了显示屏的安装强度，同时，13个矩形单元按照一定角度拼接，形成超大的内弧形。

图17 显示屏分区安装方法

（2）显示屏与钢结构的创新连接方法

如此巨大的主屏幕如何与钢结构连接没有先例可参考。通过与钢结构设计单位多次沟通和试装，专门设计了安装转换件，如图18所示。

图18 屏幕安装转换件设计图

这样的安装方法将屏幕探出钢结构表面只有50 mm左右，整个屏幕的重量紧贴着钢结构垂直向下，对钢结构的侧向应力最小，如图19所示。

图19 固定在雷亚架上的安装转换件

整个屏幕分成若干长3 m、高1.5 m的安装单元，每个单元采用2根3 m长的转换件固定3行6列18个箱体，再通过安装转换件固定在钢结构上，每个安装单元之间预留1 mm～2 mm的缝隙，以满足钢结构的施工误差，如图20所示。

图20 3 m×1.5 m显示单元示意图

安装转换件与钢结构同步安装，利用转换件的标准长度来调整钢结构的施工误差，防止钢结构的施工误差过大，导致屏幕安装不上或者屏幕之间缝隙过大影响显示效果。如图21所示，钢结构与转换件同步安装，图22所示为安装完转换件待装屏幕状态。

图21 安装钢结构时安装屏幕转换件

图22 安装完转换件待装屏幕状态

主屏幕的LED单元安装时，借助提前固定在架体顶部的18台卷扬机，将预装好的宽0.5 m、高1.5 m的安装单元提升到适当位置并固定到安装转换件上。这样的安装方法效率很高，一个区域可两组人员同时安装，如图23所示，每天安装最高能达到500 m2以上。屏幕、钢结构整体安装完成的效果如图24所示。

图23 两组人员同时吊装屏幕单元

图24 从侧面看屏幕紧贴在钢结构表面

5 现场保障方案

技术保障从始至终把安全放在第一位，形成了一整套为重大活动提供安全保障的成熟方案和工作流程，从巡检、值守、备件三方面构建了现场保障方案。

（1）巡检：《伟大征程》针对人员、设备、系统的安全，制定了详细的巡检方案，设置10个点，巡检频率与巡检点数均达到最高级别。

（2）控制室值守：播放系统的安全性设计是保障屏幕内容安全播放的重点，在控制室安排专人24小时守护播控，播放系统操作人员是经过严格培训的专职人员；对播放计算机的操控都需要经过层层密码授权才能打开，拷贝素材到电脑里也需要多部门联合授权才能把素材拷贝进去；为防止任何人的恶意损坏，杜绝一切无关人员进入。

（3）准备充足的备件：该项目副场演练场地和主场演出场地，均提供超高清、双备份的LED显示系统保障；副场演练场地搭建规模与主场规模1:1，需要超过5000 m2屏幕，提前二个月搭建，预测在主场搭建会遇到的各种意外情况。

6 结语

由于国家体育场承接的各种大型活动众多，留给这台文艺演出的安装、调试、彩排、演出时间都非常紧张。从4月1日钢结构进场施工，到5月20号舞台验收，将近一万平方米的显示屏，安装调试工作量空前巨大。6月28日演出完成及后续纪录影片拍摄完成后，按照要求，72小时以内必须将现场所有的LED显示系统撤收完毕，图25、图26为主屏幕多组人员同时拆屏现场照片。在极短时间内快速撤场能力也再一次印证了前期安装设计方案的安全、合理、高效。

图25 多组人员同时对主屏LED单元进行拆卸

图26 多组人员同时对主屏LED单元进行拆卸

《伟大征程》文艺演出作为庆祝中国共产党百年华诞举办的一项重要活动，规模空前盛大，但时间紧、任务重、责任大、难度高。为了保证这场演出的精彩呈现，导演组从接到任务开始就协调各方力量，对各项工作采用双保险的模式。史诗般的舞台效果是科技和艺术的深度融合，LED显示屏及播控系统的创新实践为今后舞台实践提供了优秀范本。