大屏系統在體育賽事外場轉播中的應用

    中央電視臺（以下簡稱央視）體育頻道每年都有各類體育賽事的外場轉播。根據賽事級別的不同，外場轉播按照規模分成三類：A類賽事為全球性體育盛會或單項賽事，包括奧運會、田徑世錦賽等；B類賽事為洲際運動會，包括每四年一次的亞運會等；C類賽事為國內運動會，包括全運會、城運會等。

    為了更加及時、快捷地播出比賽資訊，央視會在比賽舉辦地搭建前方移動演播室，播出的節目形態包括賽事直播、體育新聞和訪談類專題節目直播。由于不同規模的體育盛會轉播商數量差異較大，全球性體育盛會（如奧運會）轉播商數量較多，所以主辦方分配給每家轉播商的面積非常有限。通常，A類賽事演播室面積在100 ㎡～150 ㎡之間；B類賽事由于轉播商數量較少，演播室面積通常在150 ㎡～200 ㎡之間；C類賽事參加轉播的基本都是國內電視臺，因此前方演播室面積可以達到200 ㎡以上。

    為了最大程度豐富演播區內置景、更好地將體育資訊通過演播室畫面傳播給觀眾，演播室大屏系統在體育外場轉播中發揮了重要作用。央視外場演播室大屏系統由屏體和渲染引擎兩部分組成。

    1 屏體

    電視臺通常根據屏體的材質和發光原理的不同并結合不同規模賽事轉播中演播室的實際特點來選擇不同類型的屏體。顯示質量是選擇屏體的首要指標，分辨率、對比度、色彩飽和度、亮度、可視角度等指標必須嚴格符合節目包裝的要求。同時，根據節目創意的需要，屏體的寬高比應該能方便組合成非常規尺寸。賽事規模差異決定了演播區面積的大小，而發光原理的不同會導致屏體尺寸和安裝尺寸有大有小，在同等顯示質量的前提下，屏體尺寸是否跟演播區面積適配也是電視臺選擇屏體的重要指標。

    同樣是A類賽事，在里約奧運會央視前方演播室內的大屏系統中，選擇了技術較為先進的PALLAS無邊框LCD拼接屏，而在2012年的倫敦奧運會前方演播室大屏系統中選擇的是點距為1.9 mm的高分辨率LED拼接屏；對于B類賽事，2010年的廣州亞運會中，央視選擇了DLP拼接屏作為前方演播室大屏系統的屏體；對于C類賽事，2013年沈陽全運會中，中央電視臺選擇了單體等離子屏作為屏體。

    以下將對這四種不同材質屏體的顯示原理和技術特點做詳細闡述。

    1.1里約奧運會采用的LCD液晶拼接屏

    LCD（Liquid Crystal Display）液晶屏的顯示原理是讓兩塊平行放置的玻璃之間充滿液態晶體，同時在兩塊玻璃之間還布滿了橫向和縱向的細小電線，通過電線施加一定電壓改變液態晶體分子的排列方向。通電時，液晶分子排列有序，光線可以順利通過而顯示出畫面；斷電時，液晶分子排列混亂，光線會受到阻礙不能通過而無法顯示。為液晶提供光源的方式有多種，其中最常用的光源為LED，這里所說的LED實際上是指發光二極管的單管應用，包括背光式LED和紅外LED。

    里約奧運會前方演播室面積為150 ㎡，有兩個景區都采用了PALLAS的55英寸LCD屏拼接，單屏分辨率為1920×1080，如圖1所示。在左側主持人站播區，屏體采用了4 × 2 的LCD 拼接屏（ 見圖2 ） ， 總分辨率高達7680×2160；右側主持人坐播區，采用2×2的LCD拼接屏（見圖3），總分辨率為3840×2160。里約奧運會采用的LCD顯示屏具有以下特點。

    對比度高。對比度越高，灰階表現能力越強，畫面層次就會更加豐富，色彩更加飽和、鮮艷。早期的LCD顯示屏對比度只能達到1000:1，這也是LCD與其他類型顯示屏（尤其是PDP）相比時的一個弱勢，但是隨著液晶技術的發展，現在的LCD顯示屏對比度有了大幅度的提高，里約奧運會采用的PALLAS LCD屏對比度已經能達到4500:1。

    亮度高。早期的LCD亮度值只能達到250 cd/㎡（坎德拉/平方米），而在里約奧運會所采用的PALLASLCD屏為500 cd/㎡。

    響應時間短。響應時間指的是液晶顯示屏對輸入信號的反應速度。在體育轉播中有大量的快速移和搖的畫面，同時也包括大量橫飛的底拉字幕，這對液晶顯示屏響應時間的要求較高。PALLAS LCD顯示屏響應時間為2 ms，從主觀視覺上基本看不出有拖尾現象。

    可視角度大。PALLAS采用了IPS（ I N -PLANE-SWITCHING）屏，可視角度為178°，能很好地滿足多角度拍攝需求。

    便于多種畫幅拼接。由于LCD安裝簡單，根據節目包裝需求，可以拼接出4×2和2×2不同寬高比的LCD顯示墻。

    安裝節省空間。LCD屏體厚度只有120 mm，4×2的LCD拼接屏高×寬為1 370 mm×4 860 mm，2×2的LCD拼接屏高×寬為1370 mm×2430 mm，占用演播室空間較小，能給拍攝留下更好的景深。

    拼接縫較小。PALLAS的LCD顯示屏采用了VBG邊緣顯示技術，可以顯示被拼接黑框破壞的圖像，能將多個液晶屏融貫成無黑框的拼接屏，物理拼接縫較小。

    PALLAS的LCD顯示屏采用了無風扇設計，自然排風，噪聲小，對主持人聲音干擾小。

    1.2倫敦奧運會采用的LED拼接屏

    LED（Light Emitting Diode）就是半導體器件——發光二極管，它能直接把電轉化為光。LED屏體規格通常是以兩個發光點中心之間的間距來區分的，目前廣電行業普遍應用的LED屏體規格在0.9 mm～6 mm之間，在外場體育轉播中LED屏體的點距通常選擇2.5 mm或1.9 mm。2012年倫敦奧運會前方演播室采用了間距為1.9 mm的LED屏搭建成一塊4000 mm×2400 mm的LED拼接屏（見圖4），該拼接屏的單組模塊尺寸寬×高為400 mm×300 mm，厚度為91 mm，單組模塊分辨率為208×156，總分辨率達到了2080×1248。

    1.2.1 LED拼接屏的特點

    體積小，安裝方便：由于倫敦奧運會演播區面積只有150 ㎡，留給大屏的安裝空間也非常小。而LED屏較薄，后部維修空間只需0.8 m，便于維護。而且LED屏體積相對較小、重量較輕，模塊化安裝較為方便。　　

    亮度對比度高，發熱量較低：LED使用冷發光技術，發熱量較低，同時間距為1.9 mm的屏體像素密度達到了270400點/㎡，對比度也達到了3 000:1，可視角度為160°，色彩顯示效果較好。

    LED拼接屏由400 mm×300 mm的基本單元組成，可根據包裝需要組成多種寬高比的顯示墻，并且模塊之間無拼縫，各模塊間色彩一致，畫面完整性較好。

    在近距離拍攝LED拼接屏時LED發光點比較明顯，而且在一定距離范圍內易產生摩爾紋。

    1.2.2 摩爾紋的產生原理和避免方法

    在演播室攝像機拍攝LED顯示屏（尤其是拍特寫和近景）時，常常會出現水波一樣的條紋和疊加的凌亂色彩，并且會閃爍，這就是摩爾紋（moiré）。摩爾紋是差拍原理的一種表現，由于演播室內LED顯示屏是由排列一致的點陣式發光二極管組成的，整個顯示屏不發光的面積較大，亮度高，攝像機CCD像素的空間頻率與拍攝LED屏幕中的條紋空間頻率接近而出現了高頻干擾，使得拍攝出來的畫面出現不規則的彩色高頻率條紋。拍攝LED拼接屏時容易出現摩爾紋是阻礙LED屏廣泛使用的重要原因。為了避免摩爾紋的出現，通常采用以下方法。

    改變攝像機的拍攝角度以及攝像機與LED屏之間的距離。攝像機距離LED屏2 m～5 m拍攝時最容易出現摩爾紋，為了避免出現摩爾紋，攝像人員可以通過移動攝像機的位置或者改變攝像機與LED屏之間的角度來減少摩爾紋。

    改變鏡頭焦點。過于清晰的焦點和高度細節可能會導致畫面出現摩爾紋，故意將焦點小幅調偏，略微犧牲畫面的清晰度也可減少摩爾紋。

    改變鏡頭焦長。當攝像機不便于移動位置時，可以改變鏡頭的焦長和構圖的景別來緩解摩爾紋的影響。

    在LED顯示屏表面增加光學膜。這種特殊的膜可以吸收和濾除雜光，通過膜表面多層等比放大后形成連續整體發光，消除LED發光管的網格效應，從而消除摩爾紋的出現。但這種方法安裝較為復雜，成本較高，不太適合短期臨時搭建的外場轉播演播室的LED拼接屏。

    1.3廣州亞運會采用的DLP拼接屏

    DLP（Digital Lighting Progress）字面意思為數字光處理，它的核心部件為德州儀器公司開發的DMD（Digital MicromirrorDevice）——數字微反射鏡器件。DLP通過DMD微鏡片反射技術和色輪來完成對色彩的分離和處理，分為單片DMD方式、兩片DMD方式和三片DMD方式。單片式DLP只有一片DMD芯片，在光源和DMD之間安裝了一個色輪。色輪（Color Wheel）是由紅、綠、藍等分色濾光片組合而成，濾光片可以將白光進行分色，并通過馬達的高速轉動在指定光路上按順序分出不同的單色光，最后再合成并投射出彩色畫面。2010年廣州亞運會演播室DLP拼接屏采用了單片DMD方式。在200 ㎡的演播室正中央由6塊50英寸DLP屏組成了3×2的DLP拼接屏（見圖5），單屏尺寸寬×高為1000 mm×750 mm，箱體厚度達到了640 mm，單屏分辨率為1024×768，總分辨率為3072×1 536。

    廣州亞運會演播室DLP大屏具有以下特點：

    （1）DLP顯示屏可拼接，能實現大尺寸屏幕的組裝。

    （2）視角為160°，圖像平滑流暢，色彩柔和，顆粒感較小。

    （3）DLP拼接屏拼縫較明顯，對拍攝效果有一定影響。

    （4）由于廣州亞運會在2010年舉行，當時DLP技術發展并不完善，采用的單片DLP還能觀察到“彩虹效應”，色彩上有一定程度的失真，且對比度僅為1 700:1，畫面亮度較暗。在使用一段時間后，各屏體間亮度容易產生差異。

    （5）安裝較為復雜，屏體安裝需要底座，每個單元重達83 kg，連接也需要特定的連接板，加上屏體厚度較大，維護占用空間較大。

    （6）存在風扇噪聲，對演播室主持人拾音有一定影響。

    1.4沈陽全運會采用的PDP單體屏

    PDP（Plasma Display Panel）就是人們常說的等離子顯示屏。等離子態實際上是不同于普通的固態、液態和氣態之外的第四種物質狀態，它是當氣體溫度升高時由電子和正離子組成的一種物質狀態。PDP顯示屏的工作原理是在兩塊非常薄的玻璃板之間填充混合氙氣和氖氣并密封形成等離子管，在對這些混合氣體加上特定電壓之后會產生等離子氣體，等離子氣體放電后會產生肉眼看不見的紫外光，這些紫外光激勵平板顯示屏上的R/G/B熒光體后就能發出可見光，形成彩色圖像。演播室所使用的PDP顯示屏就是由大量等離子管排列在一起組成的。沈陽全運會演播室面積為200 ㎡，根據節目需要，演播室除了常規賽事直播之外，還要承擔《全運聊起來》《風云會》《今日之星》等多個欄目的直播，另外還需要通過大屏傳遞給觀眾比賽賽程、對陣情況、明星運動員信息以及與觀眾互動的微博、微信等多媒體信息，因此當時的演播室分成了坐播區、站播區和訪談區三個區域，每個區域都配備了一塊50英寸PDP單體屏，外觀尺寸寬×高為1210 mm×724 mm，分辨率為1920×1080。如圖6、圖7所示。沈陽全運會采用的PDP單體屏具有以下特點。

    色彩鮮艷明亮，亮度與色彩均勻性較好，對比度可達30000:1，發光強度*高可達1700 cd/㎡，灰階、色度和飽和度較高。

    響應速度快，畫面快速移動和字幕滾動無拖尾。

    50英寸單體屏厚度僅為89 mm，占用空間較小。

    單體等PDP屏重量為31 kg，安裝靈活，移動方便，可多點立體分散布置。

    長時間靜幀畫面容易將屏幕灼傷。

    屏體易碎，在運輸、安裝和使用的過程中需要妥善保護。

    2 渲染引擎

    為了保持節目包裝的統一性，方便引用和交換大屏場景和素材，大屏渲染引擎通常采用與頻道包裝和模板創作系統同一品牌的渲染服務器。

    2.1渲染服務器配置

    由于各類賽事轉播中大屏場景圖片和視頻內容非常豐富，素材來源途徑多種多樣，加上素材分辨率高，因此對演播室本地渲染服務器要求較高。渲染服務器的硬件配置直接決定了它的運算能力，因此要求渲染服務器CPU性能不能低于INTEL至強E5-2620v2六核，內存條至少是DDR3 1 333 MHz，容量不小于16 GB；硬盤有效容量不小于1 TB，同時應配置RAID1或更高級別的冗余機制；顯卡為NVIDIA專業級圖形顯卡，顯存容量不小于2 GB；為了保證視頻素材采集質量，視頻I/O板卡須為廣播級高清圖像卡，視頻接口應支持6路HD Video Input，支持2路HD Video Output，能分別輸出兩路高清圖形信號和鍵信號；為了保證播出安全，渲染服務器還應該支持預監輸出；為了便于輸入音效，采集卡還應支持嵌入式音頻和AES/EBU音頻輸入和輸出。

    2.2渲染軟件要求

    在渲染制作軟件方面，央視也有嚴格的要求，尤其是對渲染后的HD視頻延時量要求較高。體育節目中經常用到的雙視窗連線就是由渲染服務器制作而成，如果延時量過大會出現主持人和前方記者對不上口型的現象，因此要求經過軟件渲染后的三維DVE效果延時不能超過2幀。同時為方便素材交換，軟件在圖片格式上須支持TGA、BMP、JPG、GIF、PCX、PSD、PNG、TIF等圖片格式，且攜帶TGA、PNG序列的透明信息；在視頻格式上須支持AVI、MP4、MOV、MPG、RM、VOB等外部視頻文件格式；在音頻格式上須支持AVI、MP3、WAV等音頻文件格式，另外還須支持3DS、WRL、AI、OBJ等三維模型文件的導入，支持與數據庫的連接，支持類型包括Excel、SQL Server、Oracle等，支持視頻開窗播放，支持MXF視頻格式編碼，可根據引擎性能選擇封裝格式與內部轉碼格式。

    在歷屆的奧運會、亞運會和全運會轉播中，央視多次選用了ORAD的HDVG 4K作為渲染服務器（見圖8），選用了3Designer為渲染制作軟件，該服務器和渲染軟件的各項配置均達到或超過了轉播要求。

    節選自《演藝科技》2016年第8期陳格平《大屏系統在體育賽事外場轉播中的應用——以中央電視臺直播應用為例》