大屏系统在体育赛事外场转播中的应用

    中央电视台（以下简称央视）体育频道每年都有各类体育赛事的外场转播。根据赛事级别的不同，外场转播按照规模分成三类：A类赛事为全球性体育盛会或单项赛事，包括奥运会、田径世锦赛等；B类赛事为洲际运动会，包括每四年一次的亚运会等；C类赛事为国内运动会，包括全运会、城运会等。

    为了更加及时、快捷地播出比赛资讯，央视会在比赛举办地搭建前方移动演播室，播出的节目形态包括赛事直播、体育新闻和访谈类专题节目直播。由于不同规模的体育盛会转播商数量差异较大，全球性体育盛会（如奥运会）转播商数量较多，所以主办方分配给每家转播商的面积非常有限。通常，A类赛事演播室面积在100 ㎡～150 ㎡之间；B类赛事由于转播商数量较少，演播室面积通常在150 ㎡～200 ㎡之间；C类赛事参加转播的基本都是国内电视台，因此前方演播室面积可以达到200 ㎡以上。

    为了最大程度丰富演播区内置景、更好地将体育资讯通过演播室画面传播给观众，演播室大屏系统在体育外场转播中发挥了重要作用。央视外场演播室大屏系统由屏体和渲染引擎两部分组成。

    1 屏体

    电视台通常根据屏体的材质和发光原理的不同并结合不同规模赛事转播中演播室的实际特点来选择不同类型的屏体。显示质量是选择屏体的首要指标，分辨率、对比度、色彩饱和度、亮度、可视角度等指标必须严格符合节目包装的要求。同时，根据节目创意的需要，屏体的宽高比应该能方便组合成非常规尺寸。赛事规模差异决定了演播区面积的大小，而发光原理的不同会导致屏体尺寸和安装尺寸有大有小，在同等显示质量的前提下，屏体尺寸是否跟演播区面积适配也是电视台选择屏体的重要指标。

    同样是A类赛事，在里约奥运会央视前方演播室内的大屏系统中，选择了技术较为先进的PALLAS无边框LCD拼接屏，而在2012年的伦敦奥运会前方演播室大屏系统中选择的是点距为1.9 mm的高分辨率LED拼接屏；对于B类赛事，2010年的广州亚运会中，央视选择了DLP拼接屏作为前方演播室大屏系统的屏体；对于C类赛事，2013年沈阳全运会中，中央电视台选择了单体等离子屏作为屏体。

    以下将对这四种不同材质屏体的显示原理和技术特点做详细阐述。

    1.1里约奥运会采用的LCD液晶拼接屏

    LCD（Liquid Crystal Display）液晶屏的显示原理是让两块平行放置的玻璃之间充满液态晶体，同时在两块玻璃之间还布满了横向和纵向的细小电线，通过电线施加一定电压改变液态晶体分子的排列方向。通电时，液晶分子排列有序，光线可以顺利通过而显示出画面；断电时，液晶分子排列混乱，光线会受到阻碍不能通过而无法显示。为液晶提供光源的方式有多种，其中最常用的光源为LED，这里所说的LED实际上是指发光二极管的单管应用，包括背光式LED和红外LED。

    里约奥运会前方演播室面积为150 ㎡，有两个景区都采用了PALLAS的55英寸LCD屏拼接，单屏分辨率为1920×1080，如图1所示。在左侧主持人站播区，屏体采用了4 × 2 的LCD 拼接屏（ 见图2 ） ， 总分辨率高达7680×2160；右侧主持人坐播区，采用2×2的LCD拼接屏（见图3），总分辨率为3840×2160。里约奥运会采用的LCD显示屏具有以下特点。

    对比度高。对比度越高，灰阶表现能力越强，画面层次就会更加丰富，色彩更加饱和、鲜艳。早期的LCD显示屏对比度只能达到1000:1，这也是LCD与其他类型显示屏（尤其是PDP）相比时的一个弱势，但是随着液晶技术的发展，现在的LCD显示屏对比度有了大幅度的提高，里约奥运会采用的PALLAS LCD屏对比度已经能达到4500:1。

    亮度高。早期的LCD亮度值只能达到250 cd/㎡（坎德拉/平方米），而在里约奥运会所采用的PALLASLCD屏为500 cd/㎡。

    响应时间短。响应时间指的是液晶显示屏对输入信号的反应速度。在体育转播中有大量的快速移和摇的画面，同时也包括大量横飞的底拉字幕，这对液晶显示屏响应时间的要求较高。PALLAS LCD显示屏响应时间为2 ms，从主观视觉上基本看不出有拖尾现象。

    可视角度大。PALLAS采用了IPS（ I N -PLANE-SWITCHING）屏，可视角度为178°，能很好地满足多角度拍摄需求。

    便于多种画幅拼接。由于LCD安装简单，根据节目包装需求，可以拼接出4×2和2×2不同宽高比的LCD显示墙。

    安装节省空间。LCD屏体厚度只有120 mm，4×2的LCD拼接屏高×宽为1 370 mm×4 860 mm，2×2的LCD拼接屏高×宽为1370 mm×2430 mm，占用演播室空间较小，能给拍摄留下更好的景深。

    拼接缝较小。PALLAS的LCD显示屏采用了VBG边缘显示技术，可以显示被拼接黑框破坏的图像，能将多个液晶屏融贯成无黑框的拼接屏，物理拼接缝较小。

    PALLAS的LCD显示屏采用了无风扇设计，自然排风，噪声小，对主持人声音干扰小。

    1.2伦敦奥运会采用的LED拼接屏

    LED（Light Emitting Diode）就是半导体器件——发光二极管，它能直接把电转化为光。LED屏体规格通常是以两个发光点中心之间的间距来区分的，目前广电行业普遍应用的LED屏体规格在0.9 mm～6 mm之间，在外场体育转播中LED屏体的点距通常选择2.5 mm或1.9 mm。2012年伦敦奥运会前方演播室采用了间距为1.9 mm的LED屏搭建成一块4000 mm×2400 mm的LED拼接屏（见图4），该拼接屏的单组模块尺寸宽×高为400 mm×300 mm，厚度为91 mm，单组模块分辨率为208×156，总分辨率达到了2080×1248。

    1.2.1 LED拼接屏的特点

    体积小，安装方便：由于伦敦奥运会演播区面积只有150 ㎡，留给大屏的安装空间也非常小。而LED屏较薄，后部维修空间只需0.8 m，便于维护。而且LED屏体积相对较小、重量较轻，模块化安装较为方便。　　

    亮度对比度高，发热量较低：LED使用冷发光技术，发热量较低，同时间距为1.9 mm的屏体像素密度达到了270400点/㎡，对比度也达到了3 000:1，可视角度为160°，色彩显示效果较好。

    LED拼接屏由400 mm×300 mm的基本单元组成，可根据包装需要组成多种宽高比的显示墙，并且模块之间无拼缝，各模块间色彩一致，画面完整性较好。

    在近距离拍摄LED拼接屏时LED发光点比较明显，而且在一定距离范围内易产生摩尔纹。

    1.2.2 摩尔纹的产生原理和避免方法

    在演播室摄像机拍摄LED显示屏（尤其是拍特写和近景）时，常常会出现水波一样的条纹和叠加的凌乱色彩，并且会闪烁，这就是摩尔纹（moiré）。摩尔纹是差拍原理的一种表现，由于演播室内LED显示屏是由排列一致的点阵式发光二极管组成的，整个显示屏不发光的面积较大，亮度高，摄像机CCD像素的空间频率与拍摄LED屏幕中的条纹空间频率接近而出现了高频干扰，使得拍摄出来的画面出现不规则的彩色高频率条纹。拍摄LED拼接屏时容易出现摩尔纹是阻碍LED屏广泛使用的重要原因。为了避免摩尔纹的出现，通常采用以下方法。

    改变摄像机的拍摄角度以及摄像机与LED屏之间的距离。摄像机距离LED屏2 m～5 m拍摄时最容易出现摩尔纹，为了避免出现摩尔纹，摄像人员可以通过移动摄像机的位置或者改变摄像机与LED屏之间的角度来减少摩尔纹。

    改变镜头焦点。过于清晰的焦点和高度细节可能会导致画面出现摩尔纹，故意将焦点小幅调偏，略微牺牲画面的清晰度也可减少摩尔纹。

    改变镜头焦长。当摄像机不便于移动位置时，可以改变镜头的焦长和构图的景别来缓解摩尔纹的影响。

    在LED显示屏表面增加光学膜。这种特殊的膜可以吸收和滤除杂光，通过膜表面多层等比放大后形成连续整体发光，消除LED发光管的网格效应，从而消除摩尔纹的出现。但这种方法安装较为复杂，成本较高，不太适合短期临时搭建的外场转播演播室的LED拼接屏。

    1.3广州亚运会采用的DLP拼接屏

    DLP（Digital Lighting Progress）字面意思为数字光处理，它的核心部件为德州仪器公司开发的DMD（Digital MicromirrorDevice）——数字微反射镜器件。DLP通过DMD微镜片反射技术和色轮来完成对色彩的分离和处理，分为单片DMD方式、两片DMD方式和三片DMD方式。单片式DLP只有一片DMD芯片，在光源和DMD之间安装了一个色轮。色轮（Color Wheel）是由红、绿、蓝等分色滤光片组合而成，滤光片可以将白光进行分色，并通过马达的高速转动在指定光路上按顺序分出不同的单色光，最后再合成并投射出彩色画面。2010年广州亚运会演播室DLP拼接屏采用了单片DMD方式。在200 ㎡的演播室正中央由6块50英寸DLP屏组成了3×2的DLP拼接屏（见图5），单屏尺寸宽×高为1000 mm×750 mm，箱体厚度达到了640 mm，单屏分辨率为1024×768，总分辨率为3072×1 536。

    广州亚运会演播室DLP大屏具有以下特点：

    （1）DLP显示屏可拼接，能实现大尺寸屏幕的组装。

    （2）视角为160°，图像平滑流畅，色彩柔和，颗粒感较小。

    （3）DLP拼接屏拼缝较明显，对拍摄效果有一定影响。

    （4）由于广州亚运会在2010年举行，当时DLP技术发展并不完善，采用的单片DLP还能观察到“彩虹效应”，色彩上有一定程度的失真，且对比度仅为1 700:1，画面亮度较暗。在使用一段时间后，各屏体间亮度容易产生差异。

    （5）安装较为复杂，屏体安装需要底座，每个单元重达83 kg，连接也需要特定的连接板，加上屏体厚度较大，维护占用空间较大。

    （6）存在风扇噪声，对演播室主持人拾音有一定影响。

    1.4沈阳全运会采用的PDP单体屏

    PDP（Plasma Display Panel）就是人们常说的等离子显示屏。等离子态实际上是不同于普通的固态、液态和气态之外的第四种物质状态，它是当气体温度升高时由电子和正离子组成的一种物质状态。PDP显示屏的工作原理是在两块非常薄的玻璃板之间填充混合氙气和氖气并密封形成等离子管，在对这些混合气体加上特定电压之后会产生等离子气体，等离子气体放电后会产生肉眼看不见的紫外光，这些紫外光激励平板显示屏上的R/G/B荧光体后就能发出可见光，形成彩色图像。演播室所使用的PDP显示屏就是由大量等离子管排列在一起组成的。沈阳全运会演播室面积为200 ㎡，根据节目需要，演播室除了常规赛事直播之外，还要承担《全运聊起来》《风云会》《今日之星》等多个栏目的直播，另外还需要通过大屏传递给观众比赛赛程、对阵情况、明星运动员信息以及与观众互动的微博、微信等多媒体信息，因此当时的演播室分成了坐播区、站播区和访谈区三个区域，每个区域都配备了一块50英寸PDP单体屏，外观尺寸宽×高为1210 mm×724 mm，分辨率为1920×1080。如图6、图7所示。沈阳全运会采用的PDP单体屏具有以下特点。

    色彩鲜艳明亮，亮度与色彩均匀性较好，对比度可达30000:1，发光强度*高可达1700 cd/㎡，灰阶、色度和饱和度较高。

    响应速度快，画面快速移动和字幕滚动无拖尾。

    50英寸单体屏厚度仅为89 mm，占用空间较小。

    单体等PDP屏重量为31 kg，安装灵活，移动方便，可多点立体分散布置。

    长时间静帧画面容易将屏幕灼伤。

    屏体易碎，在运输、安装和使用的过程中需要妥善保护。

    2 渲染引擎

    为了保持节目包装的统一性，方便引用和交换大屏场景和素材，大屏渲染引擎通常采用与频道包装和模板创作系统同一品牌的渲染服务器。

    2.1渲染服务器配置

    由于各类赛事转播中大屏场景图片和视频内容非常丰富，素材来源途径多种多样，加上素材分辨率高，因此对演播室本地渲染服务器要求较高。渲染服务器的硬件配置直接决定了它的运算能力，因此要求渲染服务器CPU性能不能低于INTEL至强E5-2620v2六核，内存条至少是DDR3 1 333 MHz，容量不小于16 GB；硬盘有效容量不小于1 TB，同时应配置RAID1或更高级别的冗余机制；显卡为NVIDIA专业级图形显卡，显存容量不小于2 GB；为了保证视频素材采集质量，视频I/O板卡须为广播级高清图像卡，视频接口应支持6路HD Video Input，支持2路HD Video Output，能分别输出两路高清图形信号和键信号；为了保证播出安全，渲染服务器还应该支持预监输出；为了便于输入音效，采集卡还应支持嵌入式音频和AES/EBU音频输入和输出。

    2.2渲染软件要求

    在渲染制作软件方面，央视也有严格的要求，尤其是对渲染后的HD视频延时量要求较高。体育节目中经常用到的双视窗连线就是由渲染服务器制作而成，如果延时量过大会出现主持人和前方记者对不上口型的现象，因此要求经过软件渲染后的三维DVE效果延时不能超过2帧。同时为方便素材交换，软件在图片格式上须支持TGA、BMP、JPG、GIF、PCX、PSD、PNG、TIF等图片格式，且携带TGA、PNG序列的透明信息；在视频格式上须支持AVI、MP4、MOV、MPG、RM、VOB等外部视频文件格式；在音频格式上须支持AVI、MP3、WAV等音频文件格式，另外还须支持3DS、WRL、AI、OBJ等三维模型文件的导入，支持与数据库的连接，支持类型包括Excel、SQL Server、Oracle等，支持视频开窗播放，支持MXF视频格式编码，可根据引擎性能选择封装格式与内部转码格式。

    在历届的奥运会、亚运会和全运会转播中，央视多次选用了ORAD的HDVG 4K作为渲染服务器（见图8），选用了3Designer为渲染制作软件，该服务器和渲染软件的各项配置均达到或超过了转播要求。

    节选自《演艺科技》2016年第8期陈格平《大屏系统在体育赛事外场转播中的应用——以中央电视台直播应用为例》