【摘 要】根据巨幅水幕投影《海沧湖水秀》演出形式的独特性，解析水幕投影系统的设计、设备选配，以及最终的实施 效果。
【关键词】水幕投影系统；水幕；户外2K投影；光路设计；光纤传输；SMPTE协议
文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2017.10.002
【Abstract】According to the uniqueness of the performance of the water curtain projection Haicang Lake Water Show， the design， equipment selection， and the final implementation effect of the water curtain projection system are analyzed.
【Key Words】water curtain projection system； water curtain； outdoor 2K projection； optical path design； optical fiber transmission； SMPTE protocol
2017年9月厦门金砖峰会期间，巨幅水幕投影《海沧湖水秀》成功首演，极具震撼效果非巨幅的水幕投影莫属，展现了科技与艺术完美结合的魅力。
《海沧湖水秀》位于福建省厦门市海沧区厦门中心大厦（见图1），是近年来国内单体最大的户外水幕投影项目，同时也是亚洲最大的水幕投影。该水幕投影系统通过SMPTE时间码解决了视频、灯光、音响、喷泉、舞台、特效的同步问题，并实现了整个演出系统的一键同步触发。由于演出形式的独特性，在水幕投影系统的设计及实施过程中，需要从各个方面考虑整体投影的呈现效果及技术难点。
1 水幕投影系统概述及设计难点
水秀地处厦门海沧湖CBD区，有着气势恢宏的美丽建筑群，本项目设计思路本着不对海沧湖周围区域的建筑规划作任何破坏或添加任何不协调元素的原则，在保留海沧湖原有景观的基础上设计大型水秀。白天游客依旧可以畅游在安静优美的环境中，夜晚降临，水秀上演，隐藏在岸边、水下的投影、喷泉、灯光、音响、舞台会在平静的湖面屹立而起，投影机将视频图像投射在由喷泉形成的“银幕”上，同时，配合大功率全彩激光灯形成斑斓夺目的奇异效果。
水幕投影系统主要由数字投影系统、媒体播放、几何校正服务器、传输系统、同步控制系统等组成。因投影画幅大、投射距离远，由此给系统设计及实施带来诸多不可预见的困难。首先，喷泉呈现的水幕极易受到环境影响，从而带来投影画面调试时融合与聚焦的难度。另外，超远距离的信号传输、声光电的同步控制等，都是项目实施过程中极大的挑战。
2 系统设计
水幕投影系统将视频内容投射到水幕之上，其画面的宽×高为180 m×80 m。由于单台投影机投射画面的宽×高为37 m×20 m，所以，需要将24（6×4）个投影画面拼接成完整的画面。投影机分布在两个岛上，每个岛上各有24台投影机，岛中心离喷泉水幕位置208 m。视频服务器位于岸边控制室内，通过光纤传输视频信号和控制信号。系统方案见图2。
水秀总控系统是基于PLC程序逻辑控制与各专业控制设备（视频服务器、灯控台、喷泉控制器等）相结合的控制系统，整体控制专业演出系统运作及监测。各分系统控制柜放置在相应的控制设备间内。总控台与各分系统之间采用以太网TCP/IP控制协议。总控台与音视频相关的音视频系统（AV）和灯光系统（lighting）等各系统之间通过SMPTE协议控制同步触发，即总控台同步触发音频时间码SMPTE至各专业控制设备演出程序（cue）同步运行。并通过交换机上传反馈信息至总网络系统中。SMPTE时标是目前音视频同步中得到广泛运用的时间码标准，主要用于设备之间驱动的时间同步，也是水秀总控系统中控制演出设备运行同步触发信号最重要的二级控制系统。
整个水秀仅用一台总控设备就可以非常精确、流畅地控制所有演出中的软件和硬件。
2.1 投影载体及光路设计
2.1.1 投影载体
导演考虑不同水幕质感呈现不同的画面需求，在同一垂直面穿插布置水炮喷泉（水幕一）和高喷喷泉（水幕二）。水炮喷泉极限高度80 m～85 m。水炮喷射散开后呈现质感类似于纱幕，更均匀、更利于影像附着；但必须间隔5 s喷射一次，且对压力和水深有着较高的技术要求，不能作为主要表演形态使用。高喷喷泉极限高度60 m～65 m，喷头间隔3 m，喷泉画面为水柱状，作为主要表演形态使用。水幕的设计参数如下。
（1）水幕一：投影画面尺寸为180 m×75.2 m，高度方向融合约5%，宽度方向融合约22%；
（2）水幕二：投影画面尺寸为177 m×58 m，高度方向融合约6%，宽度方向融合约22%；
两组水幕喷头位置相同，投射的直线距离为208 m。根据水幕大小，通过solidworks三维设计软件建立1∶1模型，计算出融合带，绘制各投影机四角坐标系，通过全站仪打点，使每台投影机画面与之对应。
因现场喷泉形式是高喷等高水幕，而不是扇形水幕，受到风向等因素影响，可能出现水幕介质不稳定，喷射高度和水幕厚度不均匀，不便于调试。因此，在喷泉水泵位置搭建12个长×宽为4 m×4 m、高8 m的脚手架，分布于水幕180 m投影范围内，并吊挂3 mm孔距白色网布，用于测试畫面，如图3、图4所示。
2.1.2 光路数据计算
在进行光路设计中需要考虑以下参数。
（1）像素利用率：投影机的自然分辨率2 048×1 080，采用标准镜头且投影光区均覆盖到了水幕，几乎没有造成像素损失。
（2）清晰度计算：中间观众观看水幕中心位置图像清晰度计算如下：角度、角分转换系数×Arctg（像素点大小/观看距离）。
（3）照度计算：单机照度（画面变形前）计算如下：（光通量×玻璃透光率）/（成像面积）=（33 000×0.96）/（37×19.588）=43.7 lx；由于投影机安装位置条件所限，不能保证每台都在对应通道画面的正前方，机器存在一定倾斜。同时考虑水幕的反射率，理论照度与上述计算值会有偏差。
两组水幕照度值、清晰度的具体计算如下。
水幕一上投影画面为180 m×75.2 m，软件计算照度值为42.1 lx～44.6 lx，2台叠加后为84.2 lx～89.2 lx，分辨率为10 035×4 192，如图3所示。投影示意如图5所示，以左半部为例，右半部是对称关系。
水幕二上投影画面为177 m×
58 m，软件计算照度值为42.1 lx～44.6 lx（投影水幕二时，最上层通道投影机不使用），2台叠加后为84.2 lx～89.2 lx，分辨率为10 035×3 288，如图4所示。投影示意如图6所示，以左半部为例，右半部是对称关系。
2.2 投光设备
由于投影水幕尺寸最大可达180 m×75.2 m，投射距离超过200 m。投影机的选型须优先考虑：远距离投射、高亮度、宽画幅（长焦镜头）等核心技术参数。
2.2.1 投影机的选配
投影机采用了CP2230高亮度数字电影机，相比普通数字投影机，这款氙灯电影机具有独特的光学设计和强大的图像处理能力，画面均匀度大于90%，35亿单元色彩数，可呈现高清晰度、逼真的图像，以及具有极高色彩饱和度。尤其适合室外水幕投影及效果呈现要求；同时，也满足了超远距离投影照度的要求。此外，原厂定制的5.5～8.5：1长焦镜头完全符合海沧湖水秀超宽投影水幕[宽度近100 ft（30.48 m）]的画幅尺寸。单机亮度达到33 000 lm；采用标准2K视频传输（2 048×1 080），可升级到4K，支持HDCP、SNMP和VNC。
该氙气电影机采用分体式设计，可安装到各种机座和通用底座，满足海沧湖水秀投影岛上严苛的安装条件。7 kW远程电源可远离机身达30 m，使安装位置更灵活，有效地解决了投影岛内设备安装空间不足的问题。
2.2.2 投影机的安装及画面定位
系统共设两个投影机房，每个投影机房安装四排六列共24台投影机。每台投影机的安装角度及投影窗口位置通过专业模拟软件计算出数据，安装方案如图7所示，实际安装情况如图8、图9所示。
每台投影机投射画面尺寸、融合区域、画面虚实，由全站仪等专业调试工具进行测算、定位；画面的拼接、融合、叠加、梯形校正等通过视频服务器进行辅助调试，如图10。
2.3 数据传输
由于水幕投影大多采用背投方式，控制室和投影机房较远，整个视频信号及控制信号的传输使用两组120芯单模光纤（其中包含48台水幕投影机，以及控制信号和备用信号），并同时考虑冗余及备份，分别通过海底光缆敷设至两个投影机房。单通道光纤传输长度达到500 m，光纤传输总长度超过20 000 m。
设计目标为：
（1）采用4：4：4色度、采样精度8 bit的色彩模式，SMPTE/CEA标准2K×30 f/s视频数据传输；
（2）通过DVI-D接口形成多模光纤电缆传输链路；
（3）全数字式零压缩技术处理，分辨率1 920×1 200（包括HDTV 1 080 p/60）信号；
（4）EDID信号自动管理系统。
视频服务器采用Delta服务器，选用12通道DVI/DisplayPort输出或12通道SDI输出加4K120、4K60和3-4K30输出，具有无压缩、高质量播放的特点，能以2 GB/s的速度直接流畅地播放TGA/DPX格式的影片。精准的时间轴控制，能支持多层融合和变形处理；同步DVI输出，每机最多可达12通道输出，共4台服务器48通道输出，每个通道通过miniDP转DVI设备独立输出至每台电影机，在做拼接、融合时可以通过服务器独立调整每个机器的输出画面。
服务器视频输出通过光纤传输器（DVI 602 R/T）、光纤传输至投影机；视频信号采用两芯单模光纤传输；控制信号通过六类网线TCP/IP协议进行远程访问控制；同时通过同步发射器进行帧同步，保证画面输出一致性。
2.4 强电分配
每台投影机功率约9 kW，3相5线制供电，不小于23 A@380 V。每台投影机都设有单独的空开控制。每个投影机房满足设备运行电量的同时，投影机机身额外配置有一台延时不小于15 min的UPS，在紧急断电时，保证投影机散热时间，正常关机。
该系统在控制室还设有远程控制投影机房的电源闭合的功能。
2.5 通风系统
投影机房位于湖面中心位置（人工岛），机房内空气盐分高、湿度大、温度高，通过精密空调系统向投影机房房间内送新风时，需考虑无盐化处理，避免送入新风含盐量高而导致对设备元器件的腐蚀。同时，为控制投影机房温度在25°左右，根据设备总散热量，送入新风总流量不小于25×600 ft3/min，保证设备的正常运行。
3 系统方案实施情况及效果
系统实施后的实测情况如下。
（1）水幕一画面尺寸：180 m×75.2 m，水平融合带：8.4 m×19.8 m，垂直融合带：37 m×1.3 m。
（2）水幕二画面尺寸：177 m×56.8 m，水平融合带：8.4 m×19.8 m，垂直融合带：37 m×1.3 m。
（3）单台投影机投射尺寸：37 m×19.8 m。
（4）实际照度值：82.5 lx～85.5 lx。
（5）实际分辨率：全画幅分辨率：9 858×3 288。
（6）系统画面扩展性：该电影机芯片基于4K平台打造，仅需升级电影机光引擎部分即可播放4K片源；可更换多媒体播放处理板卡，保证后期画面效果升级时的设备兼容能力；同时该电影机支持Brilliant 3D技术（3倍频技术），可以满足演出中3D片源的播放要求。
以上测试数据满足设计指标，能够根据艺术创作的视频内容完成水秀演出；实现视频系统与总控系统的同步控制，保证了整体演出效果（见图11、图12）。
4 结束语
此项目从观众的视觉出发，充分考虑到户外投影的环境因素，集众多先进科技为一体，如全光纤网絡系统，充分保证了高品质数据传输；边缘融合拼接技术，保证了巨幅画面效果；采用SMPTE时标的总控系统有效地解决了视频、灯光、音响、喷泉、舞台、特效等各分系统的同步问题；真正实现了整个演出系统的一键同步触发功能。最终呈现的效果得到了业主及观众的认可，也为业内其他水幕投影项目的设备选型和系统构造提供了参考和依据。
