2022年2月4日晚，第24届冬季奥林匹克运动会（以下简称：北京冬奥会）开幕式在北京国家体育场（鸟巢）举行，“数字科技+美学创新”是北京冬奥开幕式的视觉标签。约11 000㎡地面显示屏、1 200㎡冰瀑屏、600㎡冰立方屏、1 000㎡看台屏组成了世界“最大”的LED显示系统，构建成三维立体舞台，用一场无与伦比的视听盛宴向世界描绘最浪漫的中国故事。在中国航天科技集团公司总抓下，利亚德集团公司负责南北看台屏、冰爆屏、地屏（矩形部分），与相关企业、专家团队共同努力，从导演组筹备开始，就积极参与到设计工作中。对LED屏幕及其播控系统的设计、施工及保障工作，以近乎严苛的标准一次次打磨，力求精益求精，实现沉浸式视效效果的设计目标，并保障现场演播视效万无一失。下面解析该项目的LED显示系统的设计原则、方案、设备选型、安装施工、项目保障的设计与实施。

总导演最初创意是想用LED做一个“冰雪”地面，面积越大越好。2020年5月初将创意方案提交给技术保障处进行技术论证。创意主要为以下内容。

（1）主席台正对面设计一个可升降的 LED 冰立方（宽26 m×厚7 m×高18 m），内藏五环，五面都是LED显示。从地下10 m基坑升起，激光雕刻，冰立方变五环。

（2）可发光的奥运冰雪五环藏在地坑，表演时通过结构将五环支撑在空中或者通过威亚钢丝吊在空中，五环下方是运动员通道。

（3）场地地面高清地屏，大约三千多平方米，包括车台盖板、升降台面。采用高清彩砖，具体尺寸待定。

（4）围绕整个鸟巢顶部做十几个圆形LED亮化产品（显示冰花图案）。每个冰花大约一百多平方米。

（5）整个鸟巢场地地面都采用LED的情况下，评估造价，若与投影造价差不多，亮度优于投影，也可首选LED地砖。

（6）冰瀑需要挂在鸟巢钢架上，高60 m、宽26 m，采用LED或投影，待定。

接到导演组的创意后，技术团队夜以继日地进行方案论证。通过数十次测试来确定地屏规格和规模，其中总导演亲自参加的测试活动主要有四次，具体如下。

（1）2020年11月30日在鸟巢进行地屏分辨率测试对P10和P15地屏显示效果进行对比测试，确定LED地屏间距、雾化面罩、地屏防滑、面罩颜色。同时，演员配合机器人、重物车等各类道具进行综合性测试。

（2）2021年4月19日在鸟巢附场进行LED和投影对比测试16m×16 m LED地屏与激光投影对比测试，最终确认舞台地面选择LED方案，并对冰立方采用LED格栅屏的效果进行了确认。

（3）2021年6月4日在航天某基地进行五环和地屏的效果测试确认冰雪五环的研制方向。

（4）2021年8月23日在航天某基地进行冰立方1:1效果测试此次试验确定冰立方的总高度从14.25 m降低到10 m。

通过测试，使创意方案得以落地并细化，确定了开闭幕式的超级LED地屏、冰立方、冰瀑三大显示区域的方案，具体如下。

（1）LED地屏：总面积达到11 626㎡，具体规格及参数见图1、表1。

（2）冰立方：形状及实现方案具体见图2、表2。

（3）冰瀑：形状及方案具体见图3、表3。

为保证北京冬奥会开闭幕式的顺利进行，项目的设计原则要充分遵循先进性、整体性、可靠性、安全性。

（1）先进性

北京冬奥会开闭幕式LED屏幕的先进性体现在三个方面：一是冰瀑、冰立方及地屏，采用最先进的多通道超高清影像播放与超高清信号处理系统，做到播放同步，处理同步；二是对屏幕显示质量要求非常高，地面LED像素点需呈现出雾化效果，防滑且消除摩尔纹；三是地屏的固定屏幕与活动屏幕之间预留缝隙在10～30 mm之间，使图像有极好的连续性。

（2）整体性

整体性主要体现在56个4K通道（14个8K服务器播放系统）的影像播放通盘整体考虑，使冰瀑、冰立方、半圆盖板和一个整圆升降台与固定地面屏幕之间形成一个有机的整体，在LED屏幕上立体还原呈现。

（3）可靠性

可靠性主要体现在两方面，一是从系统播放、信号传输、布线路由、分配系统、控制模块等全部考虑采用冗余热备份技术，防止区域性的LED不受控制；二是提出可实现的IP68标准，以应对北京10月至次年3月的高温暴雨、极低温暴雪在体育场形成积水、积雪导致LED屏幕的损坏，以致不可用的情况。

（4）安全性

超大规模的LED屏幕在短期内安装调试完成本身就对人员安全和设备安全提出了很高的要求，而北京冬（残）奥会开闭幕式四场演出过程中对LED屏幕的长时间稳定运行提出了更加苛刻的要求，需要周密的设计、安排和训练，才可保证演出过程中的万无一失。

根据导演组的创意要求，最终给导演组提供了一款P5.2的高清地屏，如图4所示。与2008年北京奥运会相比，不管是采用的技术还是产品的性能指标都有了很大的提升，具体情况见表4。

（1）物理像素间距：10.4 mm，四颗三基色LED灯，冗余显示屏技术。

（2）单元箱体尺寸：500 mm×500 mm / 48×48点。

（3）针对中央升降台，定制圆弧异形箱体，适配中央升降圆台地屏与周边固定地屏的圆形衔接。

（4）箱体材质：底壳为压铸铝合金，面罩材质采用半透明雾化PC材料。

（5）箱体重量：≤40 kg/㎡，包含安装结构件和连接线缆，表面承重≥0.5 t/㎡。

（6）最大亮度：≥2 000 cd/㎡ ，亮度值0～100%连续可调；峰值功耗≤200 W/㎡。

（7）对比度：≥2 000:1。

（8）色温范围：3 000～10 000 K可调。

（9）校正方式：具备箱体级单点亮度和色度校正。

（1）双电源热备份系统

每个显示单元箱体配备2台电源，实现双电力供应。电源具备过流保护、短路保护、PFC（Power Factor Corrector，功率因数校正器）、均流等功能。产品工作时，2台电源均流负载工作，热量分散安全。1台电源异常时，备用电源无缝承担负载，同时监控软件提示异常，可以快速定位及排除故障。

（2）双信号备份系统

每个单元箱体包含2张信号控制接收卡，分为主卡和副卡，信号间互为备份关系。正常上电工作时，主卡输出图像，副卡不输出。当主卡异常时，副卡无缝切换接替主卡输出图像。

（3）像素四备份系统

模组上一个像素由4颗LED构成，4颗LED互为备份；同时4颗LED的驱动信息来自不同线路的两组驱动IC。

（4）压铸铝模组底壳

模组底壳采用全压铸铝一体成型设计，模组LED采用灌封胶密封防水。模组受热时压铸铝底壳形变小。灯面硅胶密封灯珠引脚，可防止正常使用中水汽进入模组。

（5）产品安全（阻燃）

结构部件上主要以金属材质为设计，部分零件选用具备阻燃等级的含塑材质。采用器件分散排布设计，散热均匀，有效避免热量集聚风险。

（6）低亮灰阶无损

选用最新控制技术的驱动IC，其内部电流亮度调节与灰度显示模块分离控制。电流调节亮度，灰阶算法电路基本不受影响，实现低亮灰阶无损控制。

（7）显示效果（抗压、防眩光雾化面罩）

LED地屏显示面板加装抗眩光、抗摩尔纹、防滑雾化面罩，显示画面柔和，为摄像转播提供全焦段无杂波、无干扰的纯净视频显示画面。中雾度半透明，不加电时，从外表面看不到所覆盖的LED灯，表面呈灰白色。加电时，LED灯点的小发光面扩散填满至整个像素面积。显示上，LED灯面罩雾化，像素点颗粒感不明显，从而达到防眩光抗摩尔纹效果，可真实呈现冰面效果。模组由4 pcs雾化面罩组成，面罩间留有空隙设计，不阻碍水汽蒸发，不起雾。足够强度的承载力，面罩荷载不低于1.5 t/㎡。

冰立方和冰瀑提升门的显示屏面积大，升降高度达10 m，升降时间短，对于LED单元的重量要求越轻越好。根据这些特点，特别研制了一款P7.8/15.6碳纤维结构的通透格栅屏，单元重量在4 kg，如图5所示，大大降低了升降机构的负载，也提高了升降系统的稳定性和安全性。

（1）物理像素间距：H7.8 mm /V15.6 mm，采用全彩SMD灯。

（2）单元尺寸：500 mm×1000 mm / 64×64点。

（3）单元材质：底壳为碳纤维框架，面罩材料为白色透明PC材料。

（4）单元重量：≤8 kg/㎡。

（5）整框单边抗拉强度：≥0.7 t。

（6）最大亮度：≥2 000 cd/㎡，亮度值0～100%连续可调；峰值功耗 ≤200 W/㎡。

（7）对比度：≥2 000:1。

（8）色温范围：3 000～10 000 K可调。

（9）校正方式：具备箱体级单点亮度和色度校正。

（1）超强碳纤维结构

碳纤维作为一种性能优异的战略性新材料，其密度不到钢的1/4、强度却是钢的5～7倍。与铝合金结构件相比，碳纤维复合材料减重可达到20％～40％；与钢类金属件相比，碳纤维复合材料的减重可达到60％～80％。

（2）碳纤超高抗拉强度

框架采用全碳纤维结合304粉沫冶金镶件，边框仅仅13.8 mm的厚度，而碳纤框架的本身重量小于0.8 kg。整框单边抗拉强度大于700 kg，超轻的重量同时实现了超高的强度，而超薄的边框极有利于方体屏的拼接。

（3）双电源/双信号系统设计

双电源，双控制卡，实时热备份，可同时加环路备份，具备四向信号备份特点，确保安全稳定。

（4）超高通透性

屏体采用超窄条高通透设计，面罩采用独有的卡扣紧固，维持高通透同时保证灯条的可视角度及平整度，整个产品的通透率达68%，有效降低户外安装风阻，简化和减轻钢结构设计，提高安全性。产品横向灯条密度7.8 mm，以足够数量的灯珠保证产品亮度，纵向15.6 mm，使产品有足够的通透率。

（5）超薄边框45°斜边设计

45°转角设计，实现90°无缝拼接，快速构建方柱结构。模具一体成型斜边设计，比铝合金箱体更容易加工处理。

（6）特殊面罩设计工艺

面罩设计采用圆形结构方式，保证发光点均匀美观无突变；保证发光角度，LED光投射到全覆盖面罩的表面的角度足够大，接近150°；所选材料对光源进行了充分的打散及扩散，使表面形成一致的发光面，柔化点形成面光，提升显示效果。从物理结构防护角度，有效保护灯珠磕碰损坏。

由于冰瀑的总高度达58 m，高空安装的显示屏要求要有更好的稳定型和可维修性。为进一步降低碳纤维格栅屏单元的重量，将250 mm宽度的LED灯条做成一个单元。但这样的结构维护时需要更换整块灯板，对于冰瀑的高空安装维护不太方便。于是针对冰瀑又特别研发了一款P7.8/15.6铝合金格栅单元，如图6所示。其最大的好处是高空维护时方便有故障的单根灯条的维护，避免维护人员直接处在高空环境中，大大降低维护风险。

（1）物理像素间距：H7.8 mm / V15.6 mm，采用全彩SMD2727灯。

（2）单元尺寸：1 000 mm× 1 000 mm /128×64点。

（3）单元材质：底壳为铝合金框架，面罩材料为PC材料。

（4）单元重量：≤17 kg/㎡。

（5）整框单边抗拉强度：≥0.7 t。

（6）最大亮度：≥1 500 cd/㎡，亮度值0～100%连续可调；峰值功耗 ≤400 W/㎡。

（7）对比度：≥3 000:1。

（8）色温范围：3 000～10 000 K 可调。

（9）校正方式：具备箱体级单点亮度和色度校正。

铝合金格栅屏除了重量是碳纤维格栅屏的2倍，其他关键技术与碳纤维格栅屏一样。但铝合金格栅屏在空中安装可以从屏体后面进行单灯条维护，这一点恰好满足58 m高空冰瀑的高通透性、高可靠性，方便维护的特殊要求。

对于北京冬奥会开闭幕式这类国际顶级活动，播控系统是导演团队实现艺术创意的关键，通过总结自2008年以来国内大型活动的播控系统，最后给总导演推荐了国内演艺活动经验最丰富的团队进行播控设计。此套系统搭建完成后，由中央广播电视总台播控团队进行操作，并取得了圆满的成功。

整个LED显示系统分辨率达到了7个8K的控制区域，是有史以来的最大异形显示画面联动播控，如图7所示。控制器到显示系统终端通过千兆光纤系统连接，如图8所示。采用的核心关键技术如下。

（1）时间线模式控制

强大的设备编辑和素材编排，支持3D模型导入，可以根据UV的展开方式将视频贴合到模型表面，并根据3D模型观看预演效果。支持编排完成后节目的统一控制和切换，支持LTC/MTC等时间码同步触发，利用精准的时间控制，可以设置各个时间段在不同的显示设备的显示场景素材。

（2）媒体播放

主备系统共 1 6 台视频播放服务器，每台支持7 680×4 320 @ 60 Hz的点对点输出，服务器通过网络和同步卡连接，画面帧同步；每台服务器支持多个镜像备份、同步控制，支持超时自动切换和手动切换两种方式。

（3）视频帧同步技术

每台显示端服务器配备Quadro Sync II同步卡，同步卡之间通过网线级联，或通过BNC电缆连接同步时钟发生器，实现硬件时钟的同步；软件通过时间码和同步卡校准每台服务器的媒体播放进度，确保画面实现60帧/秒的帧同步输出。

（4）安全技术方案

服务器通过内网连接，与外网隔绝；支持密码锁定，锁定后不容许任何编辑控制和切换输出；U盘病毒防护。

北京冬奥会开闭幕式项目显示系统总显示面积达到15000㎡，总的供电功率达到3 000 kW以上，属于超大型供电设备。整个显示系统采取供电分区情况，如图9所示，共设置52台100 kW的二级配电柜，其中26台主电源配电柜，26台备电源配电柜。取电的电源接驳点为相应供电分区的一级主备电源配电柜，由接驳点敷设WDZ-YJY-4×120+1×70的电缆至二级配电柜。二级配电柜一般要求安装在显示屏相应供电分区附近，以方便就近维护检修。本项目设计的显示单元本身自带两路独立的电源系统，可以直接接入两路输入电源，这两路电只要有任何一路供电正常，显示系统都能正常工作。

供电设计的主要内容如下。

（1）谐波处理

由于本次的LED单元为了确保供电的安全可靠，采用了双电源双电力均流热备份工作模式。双电源工作时，每个电源的负载为单电力时负载的二分之一，会导致其电源输出负载变小，功率因数降低，谐波含量增大。根据显示屏的运行工况来看，显示屏处于晚上应用环境，并且需要配合其现场环境及舞台灯光。所以LED显示屏设置的亮度参数较低，也导致了电源输出负载小，功率因数值低，谐波含量增大。根据以上情况，本项目虽然采用了PFC（Power Factor Corrector，功率因数校正器）电源，但显示屏在现有的运行工况下，开关电源负载效率无法有效得到提升，其产生的谐波需要采用其他方式进行治理。针对LED显示屏开关电源已产生谐波危害的情况，在每台配电柜的前端配置三相有源滤波器。

（2）二级配电柜设计

二级配电柜内装有塑壳断路器、微型断路器、熔断器、中间继电器、交流接触器、电流互感器、浪涌保护器、PLC等。配电柜门上还装有数字电流表、数字电压表、手/自动旋钮开关、控制按钮开关、状态指示灯等。

（3）三级电源分配器

三级电源分配器输入为交流（AC） 380 V，可分为9个 AC 220 V出线回路。电源分配器的主供电输入接口采用防水型工业连接器，便于现场高效、便捷的进行电气连接。

（4）区域配电

以地屏的主电源供电为例，见图9中的1#、2#、8#，按照电源分配器的带载区域，又分割为若干小的带载分区，如图10所示。每个带载分区显示屏的主电由相应的主电源分配器供电（备电源为相同的带载模式）。

地屏安装方式采用钢板激光切割折弯焊接的方式制作几字形架，几字架正面预留安装地屏的定位孔，如图11所示，LED地屏单元直接根据定位孔铺设在几字架表面即可。几字架固定在钢结构预留的安装表面，与钢结构采用燕尾钉直接固定或者螺栓加抱卡固定。几字架与屏幕的固定是在屏幕四角加装定位柱，定位柱卡入几字架预留孔位。地屏的固定区域无需其他固定，但异形屏部分和机械运动部分需要用螺栓与几字架锁死，使几字架与机械钢结构之间固定。

整个地屏分四个区域设计不同高度的几字架，中心区带有钢格栅的地屏几字架高度只有20 mm，其余区域的几字架高度60 mm。在中心圆、冰立方和倾斜板三个区域需要为升降单元提前预留安全缝隙，周边区域的LED单元间隙也要做相应的调整，只需要将安装LED的几字架上的预留孔位孔间距做调整即可。各区域的安装方式如图12至图15所示。

中央升降台区是整个表演场地核心，包含2块可升降且左右移动的半圆形活动盖板和正中央升降的圆形升降台，如图16所示。盖板和升降台上的地屏与周围的固定地屏之间需要采取特殊定制的方式制作圆弧形异形单元，如图17所示，确保升降台与固定地屏间的缝隙均匀，图像连续不错位。

图16 中央圆盖板和升降台示意图

图17 中央圆盖板和升降台LED排布

盖板和升降台的异形单元采用钣金结构制作10种基本承重单元，如图18内圆1#至内圆5#（镜像出6#至10#）。固定舞台边缘同样工艺制作10种基本承重单元，如图18外圆1#至外圆10#。

冰立方顶部地屏的安装结构与周边地屏安装结构类似，采用60 mm高度的几字架直接固定在冰立方顶部的预留钢结构上，如图19所示。由于冰立方顶部有预留出五环的活门，因此该区域的地屏单元全部用紧固螺丝固定在翻转支架上，确保万无一失。

冰立方周边格栅屏的安装，设计了一种几字形架固定在冰立方预留方管上，如图20所示，格栅屏直接用螺丝拧在几字架上即可。

将格栅屏顶部一圈的格栅屏单元去掉一部分碳框，只保留LED灯板与地屏边缘贴合完整，如图21所示。这样就保证了地屏与格栅屏显示面的无缝拼接。

冰瀑的显示屏单元安装设计分三部分：通道地屏部分采用几字架固定在斜坡通道预留工字梁上，然后再铺装地屏；提升门部分采用几字架固定在提升门框架上，然后再用螺栓固定格栅屏，如图22所示；其余固定安装的铝合金格栅屏采用钢结构抱卡的方式固定在钢结构预留竖梁上，然后在背面用螺栓固定格栅屏，如图23所示。

图22 冰瀑提升门格栅屏安装示意图

图23 铝合金格栅屏安装方式

由于冰瀑下方的斜坡通道大约是10°倾角，需要用大号的燕尾钉将几字架与工字梁固定牢固，这个部分的地屏不但承受向下的压力，还要承受运动员通过时沿坡道滑动的力。

提升门的碳纤维格栅屏安装结构也需要在每根竖梁上加固一倍的燕尾钉，确保屏幕单元在上下运动时不会脱落造成事故。

高空中铝合金格栅屏的固定抱卡也需要加固一倍的螺钉，防止高空中格栅屏随风摆动螺丝松动，造成隐患。

北京冬奥会开闭幕式LED显示系统项目有不同于其他项目的特点，主要体现在：①显示系统种类多；②显示面积大；③控制系统复杂；④供电功率大；⑤升降屏幕多；⑥施工期经过夏季到冬季；⑦舞台运行时间长；⑧质量要求高，不能在国际直播中出问题等。

项目团队一方面紧密配合导演团队进行创意探索，深刻理解总导演的创意想法，从而研制出能够完美实现创意要求的产品；另一方面深入参与舞台机械部门的设计工作，并提前设计好LED显示系统与舞台机械的接口，为最后的现场施工打下坚实的基础。

根据项目情况，项目团队成立了冰瀑、冰立方、地屏以及端屏四个专项团队，项目经理都具有国家级重大活动的历练经历，统筹现场的施工。施工搭建严格按照设定的施工方案执行，进行严格细致的检查。三大装置在正式交付彩排前都取得了国家舞台设备质量监督检验中心出具的验收报告。

舞台交付后的彩排保障也非常重要，地屏使用的时间最长，四场仪式都需要在地屏上彩排，保障人员分成两班24小时在岗。彩排期间，认真记录几大装置的运行情况；每天凌晨7点到9点组织人员对有故障的屏幕单元进行集中更换；每天晚上6点半进行设备的功能检测，双电源的切换，主备信号的切换，主备信号的环路备份测试；每天及时掌握天气情况，提前做出应对措施，在每一场雨雪来之前保障人员都能及时将地屏遮盖保护，雨雪一结束立即将苫布及时清除，第一时间将舞台交给演职人员，确保了地坑内各种电器设备的安全运行。辛苦的付出最终取得了四场仪式演出的零故障，圆满完成既定任务。

选自 2022年《演艺科技 冬奥特刊》 谢光明，王定芳，王加志，王  杏，罗  蜜《北京冬奥会开闭幕式LED显示系统设计与应用》。转载请标注：演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技  冬奥特刊》。

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