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赵贵华:现代舞台多屏幕文件播放及控管监系统存在的问题和解决方法

近年来,现代舞台的舞美设计中大屏幕使用量日趋增多,复杂程度越来越高,舞台屏幕呈现需要与拍摄、机械、制作、编排、道具等多个工种进行结合,并形成相对独立的视频文件播控系统,实现对舞台呈现的视觉效果进行统一的管理。现代舞台中大量LED屏幕(以下所述“屏幕”均指LED屏幕)的使用,对屏幕播控的安全要求越来越高,在直播节目中甚至等同于节目的播放安全要求。而原有非广播级,如“笔记本电脑”形式的简单播控设备已经完全无法满足播放的安全与要求,原有屏幕播控系统也缺乏状态监测与安全保障机制。与此同时,屏幕播放系统由简单的单机模式发展为基于网络的多机模式,这也使屏幕播放系统从综艺节目的辅助系统,演变成了演播室系统中非常重要的子系统。

 

鉴于行业发展现状,从2019年开始,中央广播电视总台对舞台大屏幕播控系统现有问题进行技术攻关,开立了舞台多屏幕文件播控自动安全监测及保障系统的科研项目。笔者围绕该项目的设计理念,针对现代舞台多区域、多通道、多数据量的屏幕文件播放需求,提出屏幕文件播控信号自动安全监测设计和保障方法,以便给同行在设计舞台屏幕文件播控系统时提供借鉴和参考。

 
1 现代舞台运用LED屏幕的特点

 

随着舞台表演复杂程度的增大和屏幕显示技术的快速发展,综艺节目对舞台设计的要求也越来越高,传统的喷绘、造型等舞台设计已无法满足舞台变化的需要,而LED拼接大屏幕因为可以随时通过显示内容的变化来配合表演、改变舞台的风格,逐渐替代了传统的舞美道具成为了舞美设计的核心。现代舞台屏幕设计与以往舞台屏幕设计有了很大的区别。

 

  • 舞美设计对屏幕使用理念的变化。早期的舞美设计中通常只在舞台中央摆放一块LED主屏,现代舞台已经可以将LED屏幕设计成任何形状;并可分布在舞台的任何位置,从而使得LED屏幕从一个二维的平面应用变成了三维的立体应用;屏幕的使用面积也不断扩大,在一个舞台中的使用面积从几十平米扩展到几千平米。

  • LED屏幕的技术的发展变化。近年来,LED屏幕自身的技术有着非常快速的进步,首先,是LED屏幕的点距有了非常大的发展,从早期的20 mm发展到今天不足1 mm,这样的变化使得屏幕呈现的图像更加精细,同时也要求屏幕播放系统提供更多的信号来满足高分辨率LED屏幕的显示需要;其次,LED屏幕的结构和安装模式有了非常大的变化,从最早单一规格的箱体发展到今天的多种结构模式,甚至出现了小型模块LED、柔性LED、球形LED、旋转LED等,安装更加快捷方便。

  • 对舞台机械的引入。在现代舞台设计中,舞台机械也成为了大型综艺舞台的重要组成部分,它可以通过运动改变舞台的形状和结构。同时舞台机械可以通过承载LED屏幕给整个舞台带来更多的应用变化,呈现更加丰富的视觉效果。

  • 大屏幕显示内容的变化。在以往二维的LED屏幕中通过视频制作可以直接看到最后的呈现效果,而在现代舞台设计中,LED屏幕会采用三维空间分布的方式,如图1所示,这就使得在制作过程中无法直接看到呈现效果,而是需要通过舞台仿真技术和规范的制作管理才可以满足舞台的呈现需要。

 


 


图1 现代舞台结构和多屏幕呈现效果

 

  • 大屏幕播放复杂程度加大。随着LED屏幕尺寸和点距的提升,视频的制作量呈现指数级的增长,对制作、渲染、传输、存储、播放等全部环节都提出了更高的要求,需要通过采用更加复杂和智能化的系统来可以满足这样的播出要求。

 

目前,在现代大型的舞台设计中,LED屏幕已经成为了舞台视觉的绝对核心,因此,一旦大屏幕所显示的内容出现问题,会直接影响节目的录制安全。这就要求大屏幕播放系统具有极高的系统稳定性和充分的备份方案,这样才可以满足直播节目的安全要求。

 

 
2 舞台传统屏幕文件播放和控制中存在的问题

 

现代舞台设计中,为提升舞台所营造的画面感与沉浸感,通常设计多个分舞台,由大量可移动的模块组合构成,且模块外表面覆盖LED显示屏。舞台多屏幕移动所呈现的舞台效果使视频制作的复杂度提升,而传统屏幕播放和控制系统无法适应这些复杂的舞台场景设计,存在很多问题需要解决。

 

2.1
屏幕信号播放流程问题

 

传统屏幕播放器在播放过程中,每个播放通道只能播放固定的通道素材,无法做到素材跨通道播放。同时,传统播放器不具备主备自动切换功能,通常采用主备播放器播放相同的内容,提供信号给大屏幕,切换只能通过大屏幕自身的倒换。而大屏幕本身的倒换机制是基于电频信号通断进行判断,倒换机制较为简单,无法应对复杂场景。传统播放器工作方式如图2所示。

 

图2 传统舞台大屏播出工作方式

 

2.2
视频文件管理问题

 

传统视频制作没有统一的要求,制作视频的输出格式与码率不统一,导致后续视频播放产生问题。节目视频文件可能因为内容问题需要多次修改,视频文件版本管理混乱。同时,视频制作或输出过程易产生黑帧、码率超标、视频输出时长不统一等问题,而传统系统只能通过人员手工监测来检测视频文件中出现的问题,耗费大量人力与时间,并可能无法检测出所有问题。

 

2.3
屏幕播放信号传输问题

 

传统屏幕播放器输出通常采用HDMI、DVI、VGA等民用输出方案,系统连接过程中需要识别大屏幕的EDID(Extended Display Identification Data,扩展显示标识数据)信息,在使用过程中会出现信号丢失等情况,系统的稳定性较低。同时,此类信号传输距离较短,长距离传输的时候需要专配光纤和光传设备,系统的不稳定性增加,如图3所示。由于输出配置的不统一导致输出内容信息也无法统一,播放过程中对素材的还原度较差。

 

图3 非广电级别信号传输方式

 

2.4
屏幕信号监看问题

 

传统屏幕播放器输出信号直接给到大屏幕,所有输出信号只能通过大屏幕本身进行监看。对于升降舞台,其屏幕可能没有升起来导致人工无法判断信号是否正常,缺乏对于播放过程中的信号监视,对直播过程中异常情况的处理难度较大。

 

现代舞台采用了大量的机械舞台装置,在编辑舞台变化的过程中,需要实时监看到每块屏幕的内容变化,这对屏幕呈现内容的同步监看提出了更高的需求。

 

 
3 现代舞台多屏幕文件控管监系统设计

 

现代舞台承担的综艺节目越来越复杂,屏幕的种类和面积也越来越多,对于多屏幕信号的播放、传输和显示如何进行全流程地控制、管理和监测至关重要。现代舞台多屏幕文件控管监系统的改进功能点如图4所示。

 

图4 多屏幕文件控管监系统改进功能点

 

3.1
视觉仿真系统的引入

 

视觉仿真系统可以在舞台未完成施工时辅助视频设计人员了解整个舞台结构、视频制作区域以及舞台可移动模块行程及方向。对于设计的原始视频,系统提供一键三维模型映射功能,读取原始视频图像内容映射到三维舞台模型表面,可辅助视频设计人员观察舞台模块映射是否正确,检验视频设计效果。同时,根据视觉仿真系统提供的舞台LED覆盖率,可以合理确定文件播放器配置、播放视频文件分辨率及码率等,从而设定视频文件素材切分原则。视觉仿真系统的构成与应用如图5所示。

 

图5 视觉仿真系统的构成与应用

 

在节目制作过程中,视觉仿真系统通过采集卡采集LED视频图像回传到系统,将回传图像数据作为纹理图像流贴到三维仿真空间的模型表面,实现三维仿真视频监视器功能。此时,真实舞台视频数据与虚拟舞台表面纹理图像同步变化,形成一个没有演员的动态舞台效果,方便同步检测回传的视频数据是否出现错误(如黑屏或部分黑屏),并快速定位到错误数据出现的舞台屏幕空间位置,给用户提出警示。视频仿真切分计算核心功能如图6所示。

 

图6 视频仿真切分计算核心功能

 

3.2
统一的文件管理系统

 

大型节目视频原始制作素材通常由多个制作人员传送至视频切分点,按照节目名称管理。若有不同制作人员进行同一节目的视频制作,则在节目名称层级下按版本管理。多次修改更新的制作视频,按修改视频提交日期在节目名称层级下进行管理。切分后的播出素材在修改视频提交日期层级下管理,并利用共享集中存储,实现播出素材的网络高速上传。集中存储一体化架构图如图7所示。

 

图7 集中存储一体化架构图

 

  • 自动化的视频素材切分:视频切割利用多批次并行处理方式,从原始视频每帧图像中获取分散的图像块数据,经过拷贝、缩放、旋转、对称操作后,把加工后的图像数据放至对应位置,生成完整的结果视频。

  • 规范文件上传流程:视频制作人员按照各区域规定文件名称提交多个视频文件,视频切分生产系统将视频文件映射至三维仿真空间上进行映射检验,并进行视频文件检测,确认无误后进行视频文件切分,并将切分后视频文件传至屏幕播控系统。

  • 统一视频文件格式:视频切分生产系统可检测输出视频目录下的所有视频信息,检测文件名、分辨率、帧率、码率是否符合标准,并将不符合标准的视频转换为统一标准的视频播出素材。

  • 实现自动视频文件监测:视频切分生产系统可对素材进行检测是否存在黑帧,并可检测时长是否符合标准。若视频时长不相等,视频切分生产系统将输出视频补充至同等时长,并对输出文件是否存在黑帧进行检测。

 

 

3.3
屏幕播放设备的系统化管理

 

  • 建立统一的播放设备管理:多屏幕播放器数量的增加,需要更加统一的管理配置。根据大屏幕分区的需求进行播放通道的规划,统一指定每台设备对应的播放通道、大屏幕播放区域。同时,对不同的播放通道对应的大屏幕区域、播放素材、播放控制等进行系统化规范,有些大屏幕需要统一或者独立调整,并开窗加入外来信号输入。通过建立统一的设备管理,操作人员对整个系统的调整和调度更加便捷。

  • 提高系统的播放逻辑能力:节目制作过程的开放性需要大屏幕播放器更具灵活性。在播放功能的基础上,需要增加同步播放、异步播放和素材打点播放等功能。异步播放可使每台设备按时间排序进行播放,也可以人工进行干预播放。素材打点播放,则根据节目需求播放素材的一部分内容,播放器从打点位置进行解码播放。所有播放器设备为网络控制,由于设备数量的增加,使网络延时的概率增加,系统需要优化播放逻辑,进行时间叠加计算,采用命令预制可以使每台播放器之间的统一性提高,从而使现场的每个屏幕区域显示完全同步。

 

3.4
播放信号传输接口的改进

 

使用HD-SDI作为信号格式:传统播放器中输出使用HDMI、DVI、VGA等民用标准,稳定性、系统兼容性较差,并且格式不统一,而HD-SDI信号标准的传输距离远大于民用标准的信号,这使得在正常情况下直接使用SDI电缆就可以完成信号的传输,降低了系统的复杂度。信号传输流程如图8所示。

 

图8 播放信号传输流程

 

  • 播放设备和LED屏幕的兼容性:使用HD-SDI信号格式标准,意味着屏幕播放系统可以与传统的广电系统非常好地结合,可以直接选择标准的广电设备。LED屏幕处理器都可以支持标准的HD-SDI信号输入,由于HD-SDI标准不需要提供显示端的屏幕信息(EDID码),这也就避免了大屏幕端对播放系统产生影响的可能性,提高了系统的稳定性。

 

3.5
建立完善的信号主备切换机制

 

  • 采用分布式的系统构架:整体系统拆分为多个播放子系统,并进行集中化管理。每个分布式子系统都配备多台播放设备,并辅以对应的信号切换设备,以降低每个子系统的复杂度,多个子系统整合构成完整播放系统。分布式系统的升级维护更便捷,效率更高,系统整体维护的复杂度降低。

  • 采用主备切换模式:传统的播放器应急方案是主备播放器直接输出信号给大屏幕,由大屏幕进行应急切换。新的系统中增加广电标准信号切换设备,可实现信号统一调度、切换和远程遥控操作。每个分布式子系统配置对应的主备信号切换矩阵,播放器输出信号同步连接至主备切换矩阵,由主备切换矩阵将主备路信号送至大屏幕处理器,从而在大屏幕前端即可完成主备系统的倒换,同时主备路信号可以做到帧级同步,在切换过程中可以有效避免画面闪动、黑帧等情况。

 

 
4 现代舞台多屏幕的全流程监控管理

 

为了提高系统整体的稳定性,在系统的多个关键节点可以设计信号监测功能。一是选用具备输入信号监测功能的信号切换矩阵,可以实时监测到输入信号的输入制式、是否静帧、是否黑场等。二是监测信号的同时,信号切换矩阵可以实时监测自身状态,并通过接口传输给相对应的设备,其中包含信号切换矩阵本身电源状态、信号调度状态、输出状态是否正常等。状态监测和报警显示如图9所示。

 

图9 状态监测和报警显示

 

4.1
对视频文件的全流程监测

 

视频仿真切分系统可以对切分前原始素材的文件名、帧率、时长、码率,是否超标进行监测,视频文件切分过程中对切分帧数及所需时间进行监测,切分完成后对输出素材是否存在黑帧进行监测。同时可以监控各时间段视频是否按照节目名称管理规定存储,若有不同视频制作人员进行同一节目的视频制作,则在节目名称层级下按版本管理。

 

4.2
对播放系统的状态监测

 

整个系统支持实时监测播放器状态,实时显示并可以通过接口传输给对应类型设备。播放器状态包含CPU使用率、GPU使用率、内容使用率、存储硬盘使用率、播放软件是否正常、节目单状态是否正常等。系统整体输出末端为信号切换矩阵,系统可以实时监测矩阵输出信号状态,并判断输出信号为主信号或者备信号,操作人员可根据显示状态了解当前输出信号状况并作出是否需要应急切换。

 

4.3
对播放信号的实时监测

 

播放器输出信号接入切换矩阵,在系统中配置每个通道对应的矩阵输入,信号切换矩阵可以实时监测到输入信号的状态,并将状态实时反馈到系统中,如图10。通过利用视频矩阵输出信号调度的灵活性,在系统中通过两台主备的矩阵将完全相同的信号送到了大屏幕信号处理器的主备路上,这样就可以开启大屏幕处理器自动倒换功能,实现矩阵或者信号线路出现故障时系统的瞬间自动倒换。

 

图10 信号监测工作应用结构图

 

4.4
实时视觉仿真系统与舞台监测

 

在节目制作过程中,系统可以通过实时视觉仿真技术对舞台和屏幕进行全方位监测。

  • 利用仿真系统监测舞台运动。根据舞台机械运动数据转换为系统可读的舞台运动数据,并将舞台运动数据导入视觉仿真系统中,监测舞台运动情况,检测舞台各运动块间是否存在碰撞情况。

  • 利用仿真系统监测播放系统输出。视觉仿真系统将视频文件中图像纹理映射至三维虚拟舞台的相应位置,监测视频文件的播出效果,将二维的视频文件映射至三维的舞台效果。

  • 利用仿真系统了解节目调度。视觉仿真系统将视频素材与舞台动态效果相结合,展示节目所对应舞台的完整效果,并为节目视频及台型完善提供依据。

 

4.5
监测信息与故障的自动处理

 

现代舞台屏幕数量越来越多,舞台机械越来越复杂,需要实现对监测信息和故障的自动化智能处理。

  • 利用设备监测信息保障播出信号安全。主备播放器之间实时监测,备机在运行状态下可实时比对主机状态,如发现主机状态异常,可在100 ms内自动接管播放,并自动切换矩阵至备路播放。状态实时监测机制与自动倒换机制的结合,更大范围保障了播出信号的安全。

  • 利用信号监测信息自动切换备份信号。在系统全局监测的基础上增加了信号中断应急处理方案。主备播放器状态正常,主播放器和切换矩阵之间的连接线中断,通过监测切换矩阵输入信号状态,获取输入状态异常的同时,自动切换至备机进行继续播放。

  • 利用文件监测信息自动修复视频文件。视频仿真切分系统根据配置文件中视频格式的信息对视频素材文件名、分辨率、帧率、时长、码率,是否超标进行监测,并检测视频素材中是否存在黑帧。系统对有误的视频素材进行自动修复,并将时长不统一的视频文件进行自动补齐。

选自《演艺科技》2021年第1-2期 赵贵华《现代舞台多屏幕文件播放及控管监系统存在的问题和解决方法》转载请标注:演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技》。

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