《偉大征程》LED顯示系統(tǒng)及屏幕設(shè)計(jì)和實(shí)施

謝光明

（利亞德光電集團(tuán)，北京 100091）

慶祝中國共產(chǎn)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(chǎng)（“鳥巢”）舉行?！秱ゴ笳鞒獭芬源笮颓榫笆吩姷男问匠尸F(xiàn)，綜合運(yùn)用了音樂舞蹈、情景表演、廣場(chǎng)行進(jìn)、戲劇演出、影像等多種藝術(shù)形式和手段。其中，舞臺(tái)上LED屏和LED網(wǎng)幕近10000 m2，是營造“情景”的重要道具。利亞德集團(tuán)技術(shù)團(tuán)隊(duì)與相關(guān)專家團(tuán)隊(duì)從導(dǎo)演組籌備開始，就積極參與到設(shè)計(jì)工作中，對(duì)LED屏幕及其播控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工及保障服務(wù)，以近乎嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)一次次打磨，力求精益求精，展現(xiàn)沉浸式的視覺效果，并保障現(xiàn)場(chǎng)演播視效萬無一失。下面解析該項(xiàng)目LED顯示系統(tǒng)、屏幕布局的方案，基于使用需求對(duì)LED顯示單元的燈板雙屏、雙控制系統(tǒng)、雙路電源供電、模組供電限流、灰度無損控制、IP66防護(hù)等特別設(shè)計(jì)，以及安裝方案的實(shí)施。

1 LED顯示系統(tǒng)的方案

該項(xiàng)目落地后，在演練場(chǎng)地（B場(chǎng)地）搭建了1:1的演出舞臺(tái)，配套安裝了5000多平方米的LED屏幕，可以第一時(shí)間對(duì)導(dǎo)演組的創(chuàng)意進(jìn)行視覺呈現(xiàn)。在對(duì)正式演出場(chǎng)地國家體育場(chǎng)（A場(chǎng)地）的舞臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，認(rèn)真吸取B場(chǎng)地的各種經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并根據(jù)場(chǎng)地A的特點(diǎn)進(jìn)行深入優(yōu)化，形成最終版的舞臺(tái)方案。

根據(jù)最終版舞臺(tái)方案，舞臺(tái)上的LED分為弧形主屏、兩道側(cè)屏、翻轉(zhuǎn)地屏、柔性旋轉(zhuǎn)屏、黨徽和大鼓網(wǎng)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(duì)顯示效果影響不大。

所有的屏幕單元都進(jìn)行雙系統(tǒng)、雙電源設(shè)計(jì)。LED屏幕的供電，采用2路電源同時(shí)供電模式。根據(jù)屏幕位置，設(shè)置多個(gè)一級(jí)市電供電點(diǎn)位，每個(gè)點(diǎn)位都布置2臺(tái)容量為200 kW的一級(jí)柜，每臺(tái)一級(jí)柜再分出2臺(tái)容量為100 kW的二級(jí)柜，每臺(tái)二級(jí)柜再輸出6個(gè)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(nèi)部的電源分配器。一臺(tái)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(tǒng)設(shè)計(jì)為主備模式，采用3+3套媒體服務(wù)器同步輸出24路4K信號(hào)控制所有的屏幕?？刂剖业狡聊坏男盘?hào)傳輸采用單模光纖傳輸，提高屏幕工作的穩(wěn)定性。顯示系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 A場(chǎng)地LED顯示屏控制系統(tǒng)架構(gòu)及組成

2 LED屏及網(wǎng)幕的布局

國家體育場(chǎng)為環(huán)形結(jié)構(gòu)，可承載超大規(guī)模的演出?！秱ゴ笳鞒獭肺枧_(tái)設(shè)計(jì)依體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)搭建立體舞臺(tái)，突出空間感，用LED屏形成環(huán)繞立面視線，采用活動(dòng)翻轉(zhuǎn)屏配合表演，兩側(cè)的副屏以旗幟飄揚(yáng)的形象向外延伸，結(jié)合投影、虛擬拍攝等技術(shù)，使整個(gè)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(xiàn)，將整個(gè)鳥巢打造成沉浸式劇場(chǎng)。整個(gè)LED屏布局如圖2所示，選用的LED單元參數(shù)見表1。

圖2 LED屏布局

表1 LED單元的參數(shù)

（1）背景主屏幕：位于場(chǎng)地東側(cè)跑道，弧長(zhǎng)174 m、高29.5 m，總面積5133 m2，主屏幕下沿距離地面6 m，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于是在使用時(shí)間為5、6、7三個(gè)月，屬于北京的雨季，因此，采用了防水性能達(dá)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(dá)到33408×5664，橫向達(dá)到近9個(gè)4K，顯示素材提供不了那么高的分辨率，因此，現(xiàn)場(chǎng)通過視頻處理器將顯示素材放大顯示，即3×3個(gè)LED燈點(diǎn)顯示一個(gè)像素。

圖3 主屏幕示意圖

（2）側(cè)屏：分立在舞臺(tái)兩側(cè)，每側(cè)為兩道旗幟形狀的異形屏，形成立體空間，強(qiáng)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(jù)異形的結(jié)構(gòu)定制了十幾種弧形單元，滿足現(xiàn)場(chǎng)無包邊的弧形顯示效果。

其中，異形二道副屏，長(zhǎng)65 m、高22.5 m，兩側(cè)各一塊，共2塊，布局圖如圖4所示；現(xiàn)場(chǎng)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(gè)LED燈點(diǎn)顯示一個(gè)像素。

圖4 兩側(cè)對(duì)稱的二道副屏示意圖

異形一道副屏，長(zhǎng)37.5 m、高22.5 m，兩側(cè)各一塊，共2塊，布局圖如圖5所示；現(xiàn)場(chǎng)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(gè)LED燈點(diǎn)顯示一個(gè)像素。

圖5 兩側(cè)對(duì)稱的一道副屏示意圖

（3）翻轉(zhuǎn)地屏：位于舞臺(tái)前區(qū)中央位置，長(zhǎng)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(xiàn)場(chǎng)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(gè)LED燈點(diǎn)顯示一個(gè)像素；翻轉(zhuǎn)地屏用以拉近觀演距離，聚焦細(xì)節(jié)畫面，強(qiáng)化戲劇環(huán)境，并設(shè)置搖臂、升降臺(tái)、多功能臺(tái)階等設(shè)施，拓展表演的立體空間。

圖6 翻轉(zhuǎn)地屏

（4）柔性旋轉(zhuǎn)屏：位于舞臺(tái)前區(qū)兩側(cè)的轉(zhuǎn)臺(tái)上，共2塊，每塊面積約為350m2，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 柔性旋轉(zhuǎn)屏

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

圖8 P55網(wǎng)幕黨徽和P35網(wǎng)幕大鼓

伴隨著主題曲《領(lǐng)航》的旋律，金色黨徽莊嚴(yán)升起，將整個(gè)晚會(huì)推向新的高潮。

3 LED顯示單元的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

各類LED顯示屏需要在很短的時(shí)間內(nèi)完成安裝、調(diào)試，并達(dá)到理想的舞臺(tái)效果，因此，前期的方案設(shè)計(jì)、產(chǎn)品研制就顯得非常重要。一方面，對(duì)LED顯示單元進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)，采用顯示燈板雙屏疊加、雙屏雙控制系統(tǒng)、雙路電源供電、模組供電限流、灰度無損控制、IP66防護(hù)等設(shè)計(jì)，并采用最高產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)；另一方面，對(duì)于LED顯示屏的安裝方案，采用主屏幕分區(qū)的方法，同時(shí)配套設(shè)計(jì)了有效、快速撤場(chǎng)的方案。

（1）顯示單元LED燈板的雙屏疊加設(shè)計(jì)

結(jié)合以往的使用經(jīng)驗(yàn)，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(cuò)位間插式布局構(gòu)成雙屏顯示，如圖9（a）所示，尺寸250 mm×250 mm，LED 數(shù)量96點(diǎn)×96點(diǎn)。

圖9 燈板的雙屏布局

4塊異形側(cè)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(shù)偶數(shù)列的間插式布局的雙屏顯示，如圖9（b）所示。

同時(shí)，雙屏的顯示分別采用A、B雙路控制，A路控制燈板偶數(shù)行奇數(shù)列、奇數(shù)行偶數(shù)列的LED燈，B路控制偶數(shù)行偶數(shù)列、奇數(shù)行奇數(shù)列的LED燈。單元箱體內(nèi)部包含2張接收卡、2臺(tái)電源，如圖10所示，各路獨(dú)立工作，A、B路接收同一路視頻信號(hào)，同時(shí)對(duì)顯示單元提供信號(hào)，并具備環(huán)路備份功能，每路的刷新率達(dá)到3840 Hz，控制器到屏體的數(shù)據(jù)刷新達(dá)到120 Hz，控制器每傳輸一行數(shù)據(jù)都會(huì)伴隨同步信號(hào)。接收卡輸入輸出分別接入不同的發(fā)送卡，接收卡1的信號(hào)來源于發(fā)送盒1和發(fā)送盒2。當(dāng)發(fā)送盒1故障時(shí)，發(fā)送盒2仍然可以為接收卡1提供信號(hào)；同樣，接收卡2信號(hào)來源于發(fā)送盒3和發(fā)送盒4。當(dāng)發(fā)送盒1、2、3和4的信號(hào)一樣時(shí)，接收卡1與接收卡2形成雙接收卡信號(hào)雙環(huán)路備份。任何一路傳輸信號(hào)出現(xiàn)故障，連續(xù)收不到3個(gè)同步信號(hào)，就會(huì)切換到有正常同步信號(hào)的通道，并在下一幀開始更新顯示數(shù)據(jù)，切換時(shí)間在10 ms（理論上最大延時(shí)1/120 s）以內(nèi)，不影響屏幕的整體顯示。

圖10 雙系統(tǒng)示意圖

（2）雙電源設(shè)計(jì)

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

圖11 雙電源并供方案示意圖

屏幕系統(tǒng)由供電局同時(shí)提供兩路一級(jí)柜供電，通過2路二級(jí)柜獨(dú)立提供多路380 V電到屏幕附近的三級(jí)電源分配器，再給每一個(gè)顯示單元提供2路獨(dú)立的220 V供電。2路供電同時(shí)正常供電時(shí)，每個(gè)顯示單元里的開關(guān)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(xiàn)故障，或者顯示單元里的一路開關(guān)電源出現(xiàn)故障，則另一路開關(guān)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(tǒng)將某一路電源出現(xiàn)故障的信息傳輸?shù)娇刂浦行?，提示維護(hù)人員及時(shí)處理該故障。

（3）灰度無損控制設(shè)計(jì)

LED單元的顯示模組采用具有電流調(diào)節(jié)功能的PWM恒流源IC，基于其配置的寄存器參數(shù)控制電流輸出調(diào)節(jié)亮度，灰階、刷新等參數(shù)由恒流源算法電路GCLK信號(hào)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(diào)節(jié)功能的PWM恒流源IC的工作原理

（4）模組供電限流設(shè)計(jì)

LED單元的顯示模組直流供電端采用限流設(shè)計(jì)，在開關(guān)電源輸出直流到模組端口位置設(shè)計(jì)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(zāi)。當(dāng)LED顯示模組出現(xiàn)短路大電流時(shí)，限流磁珠毀壞，從而避免電源持續(xù)給模組輸出大電流。

圖13 供電限流設(shè)計(jì)示意圖

（5）IP66防護(hù)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的LED單元，因在戶外使用，按IP66標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

箱體外框采用壓鑄鋁金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)上采用分散設(shè)計(jì)，均勻分布電子器件，如圖14（b）所示，使產(chǎn)品熱量分散平均，避免局部集聚熱量。

圖14 全鋁單元防火設(shè)計(jì)

底殼與箱體間采用側(cè)面防水硅膠密封，密封圈采用雙層疊加防水棱條設(shè)計(jì)；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(yù)留導(dǎo)水槽設(shè)計(jì)，箱體間安裝留有小縫隙。通過一系列的防水設(shè)計(jì)，如圖15所示，積水可以通過箱體外框的導(dǎo)水槽疏散，防止正常使用過程中水汽進(jìn)入模組與箱體內(nèi)部。

圖15 IP66標(biāo)準(zhǔn)防水設(shè)計(jì)

4 安裝的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的超大屏幕一般采用網(wǎng)幕、格柵屏或點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)連接方式固定在架體上。

在本項(xiàng)目中，主屏弧長(zhǎng)174 m、高29.5 m，屏幕總重量達(dá)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(jié)構(gòu)架設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮安全性。如果在鋼結(jié)構(gòu)懸空6 m位置做174 m長(zhǎng)度的工字鋼平臺(tái)，屏幕再堆放上去，整個(gè)屏幕的重量對(duì)平臺(tái)和鋼結(jié)構(gòu)都是非常不安全的，安裝方式是需要突破的難題。經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，對(duì)于總長(zhǎng)度174 m、高度達(dá)到39 m、厚度達(dá)到15 m、屏幕底部距離地面6 m的鋼結(jié)構(gòu)架，并需要安裝成弧形的要求，因此，采用將主屏幕分區(qū)，并特制安裝轉(zhuǎn)接件進(jìn)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(qū)方法

主屏幕從左到右分成13個(gè)部分，每一部分顯示屏是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的矩形，獨(dú)立安裝，如圖17所示。這樣大大降低了顯示屏的安裝強(qiáng)度，同時(shí)，13個(gè)矩形單元按照一定角度拼接，形成超大的內(nèi)弧形。

圖17 顯示屏分區(qū)安裝方法

（2）顯示屏與鋼結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新連接方法

如此巨大的主屏幕如何與鋼結(jié)構(gòu)連接沒有先例可參考。通過與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位多次溝通和試裝，專門設(shè)計(jì)了安裝轉(zhuǎn)換件，如圖18所示。

圖18 屏幕安裝轉(zhuǎn)換件設(shè)計(jì)圖

這樣的安裝方法將屏幕探出鋼結(jié)構(gòu)表面只有50 mm左右，整個(gè)屏幕的重量緊貼著鋼結(jié)構(gòu)垂直向下，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的側(cè)向應(yīng)力最小，如圖19所示。

圖19 固定在雷亞架上的安裝轉(zhuǎn)換件

整個(gè)屏幕分成若干長(zhǎng)3 m、高1.5 m的安裝單元，每個(gè)單元采用2根3 m長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換件固定3行6列18個(gè)箱體，再通過安裝轉(zhuǎn)換件固定在鋼結(jié)構(gòu)上，每個(gè)安裝單元之間預(yù)留1 mm～2 mm的縫隙，以滿足鋼結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換件與鋼結(jié)構(gòu)同步安裝，利用轉(zhuǎn)換件的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度來調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)的施工誤差，防止鋼結(jié)構(gòu)的施工誤差過大，導(dǎo)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(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)換件同步安裝，圖22所示為安裝完轉(zhuǎn)換件待裝屏幕狀態(tài)。

圖21 安裝鋼結(jié)構(gòu)時(shí)安裝屏幕轉(zhuǎn)換件

圖22 安裝完轉(zhuǎn)換件待裝屏幕狀態(tài)

主屏幕的LED單元安裝時(shí)，借助提前固定在架體頂部的18臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)，將預(yù)裝好的寬0.5 m、高1.5 m的安裝單元提升到適當(dāng)位置并固定到安裝轉(zhuǎn)換件上。這樣的安裝方法效率很高，一個(gè)區(qū)域可兩組人員同時(shí)安裝，如圖23所示，每天安裝最高能達(dá)到500 m2以上。屏幕、鋼結(jié)構(gòu)整體安裝完成的效果如圖24所示。

圖23 兩組人員同時(shí)吊裝屏幕單元

圖24 從側(cè)面看屏幕緊貼在鋼結(jié)構(gòu)表面

5 現(xiàn)場(chǎng)保障方案

技術(shù)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(dòng)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(gòu)建了現(xiàn)場(chǎng)保障方案。

（1）巡檢：《偉大征程》針對(duì)人員、設(shè)備、系統(tǒng)的安全，制定了詳細(xì)的巡檢方案，設(shè)置10個(gè)點(diǎn)，巡檢頻率與巡檢點(diǎn)數(shù)均達(dá)到最高級(jí)別。

（2）控制室值守：播放系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)是保障屏幕內(nèi)容安全播放的重點(diǎn)，在控制室安排專人24小時(shí)守護(hù)播控，播放系統(tǒng)操作人員是經(jīng)過嚴(yán)格培訓(xùn)的專職人員；對(duì)播放計(jì)算機(jī)的操控都需要經(jīng)過層層密碼授權(quán)才能打開，拷貝素材到電腦里也需要多部門聯(lián)合授權(quán)才能把素材拷貝進(jìn)去；為防止任何人的惡意損壞，杜絕一切無關(guān)人員進(jìn)入。

（3）準(zhǔn)備充足的備件：該項(xiàng)目副場(chǎng)演練場(chǎng)地和主場(chǎng)演出場(chǎng)地，均提供超高清、雙備份的LED顯示系統(tǒng)保障；副場(chǎng)演練場(chǎng)地搭建規(guī)模與主場(chǎng)規(guī)模1:1，需要超過5000 m2屏幕，提前二個(gè)月搭建，預(yù)測(cè)在主場(chǎng)搭建會(huì)遇到的各種意外情況。

6 結(jié)語

由于國家體育場(chǎng)承接的各種大型活動(dòng)眾多，留給這臺(tái)文藝演出的安裝、調(diào)試、彩排、演出時(shí)間都非常緊張。從4月1日鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)場(chǎng)施工，到5月20號(hào)舞臺(tái)驗(yàn)收，將近一萬平方米的顯示屏，安裝調(diào)試工作量空前巨大。6月28日演出完成及后續(xù)紀(jì)錄影片拍攝完成后，按照要求，72小時(shí)以內(nèi)必須將現(xiàn)場(chǎng)所有的LED顯示系統(tǒng)撤收完畢，圖25、圖26為主屏幕多組人員同時(shí)拆屏現(xiàn)場(chǎng)照片。在極短時(shí)間內(nèi)快速撤場(chǎng)能力也再一次印證了前期安裝設(shè)計(jì)方案的安全、合理、高效。

圖25 多組人員同時(shí)對(duì)主屏LED單元進(jìn)行拆卸

圖26 多組人員同時(shí)對(duì)主屏LED單元進(jìn)行拆卸

《偉大征程》文藝演出作為慶祝中國共產(chǎn)黨百年華誕舉辦的一項(xiàng)重要活動(dòng)，規(guī)?？涨笆⒋?，但時(shí)間緊、任務(wù)重、責(zé)任大、難度高。為了保證這場(chǎng)演出的精彩呈現(xiàn)，導(dǎo)演組從接到任務(wù)開始就協(xié)調(diào)各方力量，對(duì)各項(xiàng)工作采用雙保險(xiǎn)的模式。史詩般的舞臺(tái)效果是科技和藝術(shù)的深度融合，LED顯示屏及播控系統(tǒng)的創(chuàng)新實(shí)踐為今后舞臺(tái)實(shí)踐提供了優(yōu)秀范本。