系統設計的概述

    順德演藝中心是順德文化中心建筑群之一，是一座綜合性大劇院，是順德區文化建筑的重點項目，是佛山市承辦第七屆亞洲藝術節的重要會場之一。該工程建筑總面積約3.2萬平方米，由大劇院、音樂廳和附樓三部分組成，其中，大劇院有1500個席位，分為地下3層（-12米），地上6層（建筑高度36米），音樂廳有500個席位。大劇院和音樂廳分別配備有現代化的舞臺機械、智能化、燈光、音響等設備，建成后大劇院可舉辦大型交響樂、歌舞劇、戲劇、戲曲等綜合性演藝活動，音樂廳可舉行古典音樂、民族音樂、現代音樂等表演活動。

    1.1.
    順德演藝中心工程計劃于2005年底啟用，將于2005年11中旬月作為亞洲文化藝術節主會場，屆時亞洲二十幾個國家的客人和國家領導人將會蒞臨。

    順德演藝中心已經進行的弱電系統建設已包含樓宇自控系統、安全防范系統、一卡通系統等常規智能化系統的建設，現為了滿足演藝中心承擔演出的特殊功能應用，用戶提出需進行專業應用系統的建設，具體包括如下系統：

    ①. 演藝中心歌劇院數字投影及信號處理系統，滿足歌劇院演出的背景幕、天幕、會議晚會多路視頻投放，同時兼數字電影放映；
    ②. 演藝中心歌劇院、多功能廳同聲傳譯系統，滿足歌劇院、多功能廳召開國際會議，舉行國際活動所需要的同聲傳譯系統；
    ③. 多功能廳多媒體會議攝像系統，滿足多功能廳舉行會議時視頻的投放；
    ④. 多功能廳投影顯示部分，使其能夠接收歌劇院的視頻信號；
    ⑤. 圖書館和演藝中心的信息應用系統，滿足演藝中心作為演出售檢票系統，滿足圖書館和演藝中心內部的辦公系統，滿足對演出視頻的編輯存儲。

    1.2. 系統設計的依據和擴展性

    根據用戶預期建設的標書要求大綱，并結合我公司以往在類似工程的經驗，在滿足用戶目前提出的需求前提下，參考國內外權威機構的各種設計和應用指南，我們對系統的整體設計經過反復的計算和技術論證，基本確定了方案設計的可行性、穩定性、智能化和可擴展性代表業內的先進水平。根據國際和國家現行規范，參考設計依據如下：

    1.3. 投影系統的標準依據

    1.4. 系統設備的選型依據

    我們設計各種進口設備除了符合上述國際及國家標準外，同時還符合以下安全標準：UL（美國）、CE（歐洲）、符合ISO（國際標準化組織）和CIE（國際照明協會）制定的國際通行標準規范。投標書附后提供了上述進口設備的檢測證明文件，設備選型及配置參照以下原則：

    先進性：
    我們從高起點高標準設計，確保系統在未來一定時期內保持先進；同時也要考慮到技術適用性，即實用程度。

    科學性：
    我們確保系統的設計從劇院的使用功能出發，在滿足各項使用功能的前提下，系統做到簡潔，不夸張；在線路工藝設計及系統設備選型上充分考慮其擴展能力。

    可靠性：
    系統運行安全可靠。追求先進性的同時考慮新技術的風險以及技術的成熟性，在關鍵環節采用冗余備設計。

系統設計的基本保證

    1.5.

    對于方案的構思、系統的設計、器材的選型，我們經過了嚴謹的刷選，并做了大量響應市場的調查論證，結合目前大部分類似工程在應用中出現的不足，提出解決方案并在本系統加以利用，確保系統能達到以下的優點：

    * 最先進的技術
    所有產品和技術源自業內最先進的權威機構，在業內并且有成功的應用【杭州大劇院、東莞大劇院】。

    * 最真實的指標
    所有投標器材的技術指標，我們提供各大廠家的官方資料，全部經過嚴密的測試和老化試驗，所有系統的指標全部經過科學計算和技術論證。

    * 最穩定的運行
    大部分投標器材的平均無故障運行時間大于20000小時，系統保證最少8小時不間斷工作。

    * 最佳的信號傳輸
    系統設計提供足夠的帶寬確保各種視頻信號的處理和傳輸，我們認真對各種模擬和數字視頻的傳輸特性做了嚴謹的分析，根據當前系統的要求作出科學的論證，不保守、不夸張，保證信號傳輸和控制設計可靠、穩定、高質量。

    * 足夠的視角范圍
    根據劇場的不同應用，我們作出了科學和靈活的顯示方式設計，滿足絕大部分觀眾的視角范圍，沒有視像盲區。

    * 足夠的畫面亮度
    參考國家對各種環境照度的規定，結合各種文獻對最佳視像照度的推薦值和經驗，所有設計指標均達到或超過預期數值。

    * 良好的圖像范圍
    根據現場的應用情況，我們對投影機的輸出亮度、顯像面積、1/2增益覆蓋角以及最佳的投影角度方式進行了科學的計算和模擬論證，確保畫面最佳的水平和垂直覆蓋范圍。

    * 豐富的視像效果
    根據劇院的實際應用要求，系統設計基本可以進行隨心所欲移動圖像位置，框入框出、淡入淡出、卷簾翻滾的無縫切換功能，數據與圖像相結合的畫中畫顯示特技應用。

    * 快速的系統響應
    對于系統的開啟、關閉和控制實現快速的響應，確保系統5分鐘內可以啟動，10分鐘內進入預期狀態，5分鐘內可以安全關閉。確保信號切換、環境控制以及預設程序的連瑣反應達到無延時響應。

    * 無憂的系統維護
    對于系統故障可能會容易出現的環節，如投影機，我們選用的Barco XLM-H25具備模塊化結構，任意一個出現故障的模塊只需5分鐘即可完成整個折裝的過程，快速更換的鏡頭可以進行上下左右移動的遙控，并且整個維護過程無需任何特殊的工具和儀器。

    * 安全的使用保證
    系統所有器材都經過了UL（美國保險商試驗所）安全認證以及FCC（美國聯邦通信委員會）電磁兼容認證。

    * 合法的使用保證
    所有電子器材和應用軟件已經解決類似“千年蟲”和第三方版權問題，確保用戶的合法使用權益。

系統的設計指標及投影距離和鏡頭的設計

1.6. 大屏幕視頻系統的設計指標

    1.7. 投影距離和鏡頭的設計建議
    因為本視頻系統設計為兼容演出、電影和會議三種模式，當應用于演出模式時，為了保留舞臺最大的深度，我們設計屏幕位于離臺口約20米處安裝，投影機鏡頭設置為最短的焦距模式【1.45:1】，見下圖所示：

    當應用于電影模式時，為了保證觀眾席最大的觀看視角，我們設計利用滑輪的方式把投影機往臺口方向移動5米，利用投影機的控制軟件設置此時為最大的焦距【1.8:1】，屏幕往臺口方向可以移動10米【焦距放大加移動距離】，即位于離臺口約20米處安裝，見下圖所示：

    上述的2種模式因為涉及到投影機的投射距離和鏡頭焦距問題，我們設計的投影機可以利用軟件預設多種焦距的程序，無需在每次變更投影模式都要進行復雜的調整。

多媒體數字投影機的選型

 1.9. 圖像面積的設計建議

    根據DIN的相關標準，理想的視像方位是圖像范圍的4倍，最短的視像距離不應該小于2倍圖像的高度，最遠的視像距離不應該超過8倍圖像的高度，建議視像距離為圖像高度的4~6倍。為了獲得良好的信息可讀性，視距不應該大于字符高度的200倍，理想的屏幕尺寸和視像距離也取決于投影機的真實分辨率：

    對于XGA（1024×768），最遠的視像距離不應該超過6倍圖像的高度
    對于SXGA（1280×1024），最遠的視像距離不應該超過4.5倍圖像的高度
    對于SXGA+（1400×1050），最遠的視像距離不應該超過4.4倍圖像的高度
    對于UXGA（1600×1200），最遠的視像距離不應該超過3.8倍圖像的高度

    我們以劇院用于演出模式時作為設計的基準：屏幕離最后一排座位約60米，根據DIN的1024×768分辨率標準，屏幕換算公式計算的結果如下：

    【圖像高度=60米/6倍=10米】

    因為我們采用的是1.89:1的格式，由此可得屏幕的圖像尺寸=寬18.9米×高10米，但受舞臺寬度限制，所以我們建議設計屏幕的圖像范圍=寬15米×7.9米，與投標文件的要求吻合。

    1.10. 數字投影機亮度的設計

    為了在屏幕范圍最大程度保證亮度、均勻度、色彩和色溫的一致性，最大程度滿足使用環境的視角范圍，對于所需的投影機亮度，根據比利時Barco公司眾多專業投影系統解決方案的經驗，采用背投影方式的投影系統對投影機亮度的要求，可采用如下經驗公式進行計算：

    LP=LuxE×IS×CRP×【CR-1】/【CRP-CR】

   上述公式中，LP代表所需的投影機亮度指標（光通量流明），LuxE是所測的環境光亮度（lux），IS代表屏幕的面積，CRP是投影機的ANSI對比度（標準對比度），CR代表屏幕顯示理想的對比度。

    關于LuxE環境光亮度，參考DIN的標準要求是劇場觀眾席所需的最小亮度不高于5 Lux，考慮燈光的干擾，我們設計為不低于8Lux；CRP參數對于DLP投影機約為250:1【ANSI對比度】。對于以多媒體應用為主的顯示，要求CR至少為27。

    IS為投影圖象顯示面積【寬×高】，這里所需的投影面積約為120m2，寬高比例為1.89:1，由此可計算出所要求的投影機亮度：

    LP=8Lux×120m2×250×【27-1】/【250-27】=27,982ANSI流明

    我們設計的Barco XLM-H25數字投影機具備27,000流明的光通量，優于標書的預期設計指標，換言之，在同樣的環境光下，可以獲得更加深的對比度。

    1.11. 多媒體數字投影機的選型建議

    綜合上述的計算依據，我們設計使用比利時Barco XLM-H25數字投影機，該機具備27000流明的光通量輸出，也代表了目前全球范圍內數字投影機單機的最高亮度，而且在國內已經有成功的類似案例【杭州大劇院設計使用了2臺XLM-H25數字投影機、東莞大劇院設計使用了1臺XLM-H25數字投影機】。在早期投影機亮度沒有達到這么高水平時，也可以設計雙機甚至多機疊加的方式，但很難保證整屏范圍內色溫、色彩、對比度、匯聚等方面的一致性，因為這么大的圖像范圍就算一個像素的微小區別都會體現很大的反差。Barco XLM-H25還具備以下的優點針對劇院的特殊應用：

    * 足夠高的亮度（27000流明），確保可靠的觀看環境。
    * 足夠的對比度（1200:1），能夠體現更多的圖像細節。
    * 多種鏡頭焦距可選，可以滿足本劇院投影距離的不同要求。
    * 真實分辨率2048(1080，適應大面積顯示高分辨率。
    * 安全可靠的6,000瓦氙燈，確保任何時候可以進行開關機。
    * 燈泡功率可調，并內置專利CLO恒定亮度輸出技術。
    * 馬達驅動的鏡頭水平、垂直位移，提供快捷方便的安裝調試。
    * 密封的3(DMD(tm)機芯模塊，確保投影機在多塵、煙霧的舞臺環境下的正常工作。

    * 高效“液冷”系統，保證密封的光學引擎在極高的亮度輸出條件下穩定工作。
    * 考慮到搬運、運輸所產生的震動可能對會聚系統產生的些微影響，投影機可以提供可自行調節會聚系統（ACS）功能，允許用戶在現場進行手工調整。該會聚調整操作應該從密封引擎外部進行，避免灰塵的進入。
    * 模塊化信號輸入：Compsite Video、S-Video、YUV、RGBHV、SDI、HD-SDI
    * 先進的網絡管理和診斷功能，提供實時的監測與維護。
    * 無縫切換和特技播放功能，不會給屏幕留下任何黑暗的間隙。
    * 動態畫中畫實時處理功能，畫面位置可以儲存或取消，內置多屏應用的圖像邊緣混合技術。
    * 專利TCR真彩重現技術應用，提供完美的色彩范圍，專利像素處理技術，提供足夠的分辨率和動態范圍。整機模塊化設計，確保快捷方便的維護服務。
    * 符合UL 1950和EN60950安全標準，電磁兼容符合FCC（美國通信委員會）15B級，符合CE EN55022 B級。

圖形處理器及屏幕的選型分析

    1.12. 高清圖形處理器的設計

     為了最大程度發揮投影機的功效，以符合顯示設備日益先進的要求，我們在信號源與投影機之間設計了一臺Barco Acsar2高清數字圖形處理器，對所有輸入投影機的視頻信號進行預處理，即不管輸入處理器是任何格式、任何分辨率的信號源，處理器都以DVI數字視頻【2048×1080分辨率】輸出到投影機，以其達到與投影機的最佳匹配。

    1.13. 高清圖形處理器的選型

    我們設計使用一臺Barco Acsar2高清圖形處理器，該處理器專為XLM-H25和數字電影機設計生產，可以對所有外接輸入的信號進行視頻信號定標和路由處理：轉換任何視頻信號至DVI-Dual數字視頻輸出，Barco Acsar2高清圖形處理器的基本功能如下：

    自動識別HD-SDI的任何標準
    模塊式信號輸入插槽，兼容所有數字和模擬信號，本系統配置復合視頻及RGB信號輸入插卡各2張；
    高分辨率電腦信號輸入
    無縫信號源輸出切換
    PIP功能可以選擇內置的圖片背景
    4路插槽：可選SDI/HDSDI/DVI/RGsB/YUV/RGBHV/RGsBHV/復合視頻/S視頻/數字解碼器
    數字處理：16bit
    處理后視頻輸出：DVI-Dual數字視頻2048(1080@60Hz
    控制：Internal網絡控制
    無縫信號源切換，4路動態實時畫中畫處理

    1.14. 無縫背投屏幕的選型建議

    由于背投幕在保證畫面達到亮度、均勻度、對比度、色彩、色溫和可視角度的一致性同樣起了非常關鍵的作用，我們設計使用美國Stewart公司出品的AT系列無縫散射背投軟幕，有效圖像范圍寬1500cm×高793cm，如下圖：

    1.15. Stewart AT系列背投屏幕的技術規格

    AT系列屏幕的1/2增益視角不低于50度，可以最大程度滿足劇場的視角范圍，投影方式可以最大程度滿足會場的所有方位觀看視角。背投幕的基本的技術規格如下：

    * 超大無拼縫，不存在物理接縫
    * 漫反射屏幕，可擦洗進行清潔，具有阻燃性
    * 幕與四周邊框緊繃懸掛的安裝方式徹底消除熱脹冷縮對屏幕的影響
    * 高均勻度可降低“太陽效應”
    * 峰值增益不低于1.0，1/2增益視角不低于50度
    * 視像范圍：水平/垂直不低于160°

視頻處理與傳輸帶寬的設計建議

    1.16.

    帶寬是信號在沒有產生嚴重扭曲或損失傳輸時，需要的頻率總范圍。常用單位是KHz或MHz，如右圖是模擬音頻信號的頻響范圍20Hz~20KHz，通過計算可以得出模擬音頻信號的帶寬至少是19.98KHz。但是在音響行業一般會以【頻率響應范圍】來描述，比如說某某功放的頻率響應范圍是20Hz~20KHz@±1dB。

    復合視頻信號根據制式的不同，信號的帶寬也有一點差異，見下表：

    我們設計復合視頻矩陣的帶寬為150MHz（-3dB，滿負載）。

    計算機視頻信號的帶寬沒有統一的國際標準，根據美國Extron公司的推薦經驗，可以通過如下公式進行簡易計算：

    視頻帶寬=【（像素點×場頻）/2】×3
    比如：已知XGA的像素點約786萬（1024×768），場頻是60Hz，代入公式可以得到：
【（1024×768×60）/2】×3≈70.8MHz

    知道了一個信號的帶寬（復合視頻或者計算機視頻），如何決定矩陣的帶寬？根據美國Extron公司的推薦經驗，選擇矩陣或其它的視頻處理器材（如接口、掃描器等）的帶寬最好是信號源帶寬的2~3倍，同時，還應該注意所選擇的器材帶寬是否是在【滿負載】的狀態測試。

    視頻系統中任何一個環節的周邊設備（如電腦接口、選擇切換器、信號處理器、矩陣切換器、分配放大器、傳輸線纜等）帶寬不夠，都會引起畫面的模糊不清。標書的設計帶寬指標為【200MHz，-3dB滿載】，最高分辨率推薦不高于1400×1050，顯然不太適應目前高速發展的電腦顯卡分辨率， 所以我們設計RGBHV視頻矩陣的帶寬為300MHz（-3dB，滿負載），可以滿足高達U-XGA（1600×1200）信號帶寬的傳輸需求，優于標書的設計指標【200MHz，-3dB滿載】。