李艷濤

摘? ?要：多通道顯示同步問題是數(shù)字電影放映技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它直接影響數(shù)字電影的畫面顯示質(zhì)量及有效顯示面積的提高。本文以同步顯示控制機制為主要研究對象，利用計算機集群代替昂貴的專用圖形工作站，成功構(gòu)建了基于計算機集群的高清3D數(shù)字電影放映系統(tǒng)，不僅有效地降低了系統(tǒng)成本，而且實現(xiàn)了一種具有高性價比和強擴展性的高清晰度大屏幕顯示方式。

關(guān)鍵詞：多屏同步顯示? 計算機集群? 數(shù)字電影? 多通道顯示

電影作為人們精神需求的娛樂產(chǎn)物從19世紀后期誕生到今天已經(jīng)經(jīng)歷了100多年的發(fā)展歷程，電影在制作術(shù)、放映平臺、演繹方式上都發(fā)生了巨大的改變。如今，數(shù)字放映技術(shù)作為當(dāng)代電影放映的主要技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計從20世紀80年代數(shù)字電影的誕生以來，全世界大約有上萬塊數(shù)字銀幕，其中我國就占據(jù)了2000多塊。就現(xiàn)在電影的放映方式而言，已經(jīng)完全突破了傳統(tǒng)電影膠片放映模式的束縛發(fā)生了質(zhì)的突破，無論是在制片方式、制片質(zhì)量、畫面效果還是存儲與運輸方式等方面都有顯著的提升。但是，電影院中的數(shù)字放映設(shè)備投入昂貴，尤其是高清大屏幕數(shù)字影像系統(tǒng)，造成數(shù)字影院系統(tǒng)推廣緩慢。

本文研究利用計算機集群進行高清立體數(shù)字電影的放映。系統(tǒng)將多臺計算機利用專用網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)成基于計算機集群并行計算協(xié)同渲染的電影放映方法，每臺計算機可以只對其中的一部分場景進行渲染和顯示，多臺計算機聯(lián)合拼接出整個畫面，實現(xiàn)了一種廉價且有效的高清立體數(shù)字電影放映方式。

1? 數(shù)字電影放映系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)字電影放映系統(tǒng)是指數(shù)字電影放映時所需的各項與放映有關(guān)設(shè)備所組成的系統(tǒng)，通常由影片管理系統(tǒng)、媒體處理系統(tǒng)、投影系統(tǒng)、音效系統(tǒng)、放映控制系統(tǒng)等組成。數(shù)字電影的信號一般可分成兩路：一路為聲音信號，經(jīng)由數(shù)字影院音頻處理器輸出;另一路為圖像信號，經(jīng)由視頻處理器，將主畫面、字幕等顯示信息疊加后送入投影機放映。下面分別各個子系統(tǒng)進行簡述。

（1）影片管理系統(tǒng)：用以管理所存儲的放映影片，影院一般只設(shè)置本地存儲，多以磁盤陣列組成數(shù)據(jù)服務(wù)器進行圖像的壓縮存儲、音頻的采樣與存儲和文本數(shù)據(jù)的存儲。通常圖像壓縮連續(xù)碼流指標要求為307 Mbit/s;以24 bit對16聲道采樣。

（2）媒體處理系統(tǒng)：用于對音頻和圖像進行處理，其包括音頻和圖像兩個服務(wù)器。音頻服務(wù)器對聲音文件進行處理，圖像服務(wù)器對視頻和字幕進行處理，處理流程為拆包、解壓、解密和還原。

（3）投影系統(tǒng)：用于將服務(wù)器中的電影視頻文件和字幕文件進行疊加轉(zhuǎn)換成為光信號投影在指定屏幕上，目前，投影系統(tǒng)與圖像服務(wù)器有集成在一起的，也有相對獨立的兩種類型，二者各有其優(yōu)缺點，集成類型設(shè)備體積小，操作簡便;獨立類型體積較大，操作較為復(fù)雜，但是易于維護。

（4）音效系統(tǒng)：用于管理電影音頻文件，它主要由音頻處理器、功放、音響等構(gòu)成。音頻系統(tǒng)的功能是應(yīng)對音頻服務(wù)器中的音頻文件進行解碼，將數(shù)字音頻轉(zhuǎn)換為模擬信號并發(fā)送到揚聲設(shè)備中。

（5）放映控制系統(tǒng)：放映控制系統(tǒng)是數(shù)字放映系統(tǒng)的控制樞紐。它用于對電影放映的控制，其中包括啟動、選擇播放節(jié)目和關(guān)閉等。此外，系統(tǒng)還具備監(jiān)控和故障診斷等功能。

2? 多通道顯示系統(tǒng)

隨著4K數(shù)字投影機的推出及其價格的逐漸降低，數(shù)字電影放映系統(tǒng)逐步進入4K階段。目前，國際上院線中最常見的數(shù)字放映系統(tǒng)所使用的SONY投影機最高只能達到4K（4096×2180）分辨率，但具備3D放映功能的4K放映系統(tǒng)則可以利用雙放映鏡頭，按照左右畫面的方式把3D影像投放銀幕上展現(xiàn)3D效果。它的左、右圖像是在4096×2160的畫面中劃分出兩個2048×1080的區(qū)域。其左、右眼的一對畫面同時出現(xiàn)在成像器件上，單眼分辨率為2K。為解決立體電影在顯示畫面質(zhì)量上的需要，我們使用雙投影機放映3D的方案，達到真正意義上的4K分辨率3D數(shù)字電影。在本系統(tǒng)中使用了兩臺SONY 4K投影機，不僅解決屏幕清晰度不夠的問題，還解決了屏幕放映亮度的問題。

目前，國際上可以將直接放映4K數(shù)字影片的多通道實時顯示系統(tǒng)，普遍采用的是基于SGI高端圖形工作站進行開發(fā)，由于開發(fā)成本非常高，所以普及率較低。隨著計算機的計算能力、存儲能力都有了大幅度的提升，在影片處理與播放方面無論是在渲染方面還是計算方面都具有了很強的處理能力，運用計算機技術(shù)實現(xiàn)多通道實時顯示系統(tǒng)已經(jīng)具備了基礎(chǔ)的條件。

在使用計算機技術(shù)實現(xiàn)多通道實時顯示時，屏幕上的畫面由多臺計算機輸出拼接而成，由于每臺計算機的數(shù)據(jù)能力存在差異，就導(dǎo)致在多機協(xié)同渲染時會發(fā)生渲染效率不同，顯示在熒屏上的畫面發(fā)生不同步問題。為此本文本文通過分析Client/ Server、Master/Slave結(jié)構(gòu)特點，提出一種消息控制同步算法，通過對各個顯示終端的幀同步延時控制，有效地改善多通道顯示系統(tǒng)的同步性能，解決了多機渲染的同步顯示問題。

在放映過程中，影片的呈現(xiàn)需要放映系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)讀取、解碼與顯示等一系列過程，為了保證畫面顯示的同步效果，就必須使信號輸出保持同步。由于數(shù)字圖像是由幀構(gòu)成，這就說明各計算機同步輸出的幀在同一時刻能夠保證影片的完整性，幀所對應(yīng)的畫面渲染時間上保持一致。本文所提出的基于消息控制的同步算法通過消息機制對影片進行解碼、顯示控制，控制方式如下：

第一、在幀同步階段，采用空消息機制進行協(xié)調(diào)，調(diào)制方法是利用后繼實體向前驅(qū)實體傳輸?shù)牟皇强障?，而是系統(tǒng)解碼得到的當(dāng)前幀標號。

第二、在解碼階段，每個實體要采用系統(tǒng)消息控制措施完成解碼，當(dāng)某一幀沒有解碼完成時，整個系統(tǒng)等待該幀解碼完畢。

第三、在顯示階段，采用自適應(yīng)控制算法，當(dāng)系統(tǒng)中所有計算機發(fā)出幀顯示指令時，進行刷屏顯示，實現(xiàn)顯示階段同步。

3? 多機3D數(shù)字電影放映系統(tǒng)的實現(xiàn)

整個系統(tǒng)首先可以劃分為Client節(jié)點和Server節(jié)點，如圖所示主控PC機是Server節(jié)點，負責(zé)整個系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，所有的圖形工作站作為顯示終端節(jié)點都是Client節(jié)點，接收Server節(jié)點的指令并執(zhí)行相應(yīng)的動作。

顯示終端節(jié)點再可以劃分為 Master節(jié)點、Slave節(jié)點。在顯示終端，通過一個Master主節(jié)點管理多個Slave 子節(jié)點，通過Master-Slave結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多通道同步顯示。

其中，Master節(jié)點負責(zé)進行系統(tǒng)的同步?jīng)Q策。在Master-Slave結(jié)構(gòu)中，每一臺計算都可以自由變換模式，當(dāng)某一臺計算被設(shè)定為Master節(jié)點則其他節(jié)點為Slave節(jié)點，Master節(jié)點獲取每個Slave節(jié)點的注冊信息進行同步控制。Slave節(jié)點負責(zé)圖像的渲染，如果待渲染的數(shù)據(jù)幀不是同一幀則Master節(jié)點會將最新數(shù)據(jù)幀從新分配給各Slave節(jié)點進行渲染。當(dāng)所有節(jié)點都渲染完畢后，Master節(jié)點通知所有顯示節(jié)點顯示場景。

圖形工作站接收放映控制系統(tǒng)的指令，執(zhí)行放映的相關(guān)操作。數(shù)字電影文件存儲在圖形工作站的磁盤陣列中，包含了圖像、字幕、和聲音等數(shù)據(jù)。其中圖像數(shù)據(jù)經(jīng)圖像解碼，字幕數(shù)據(jù)經(jīng)開關(guān)選擇、圖像轉(zhuǎn)換等流程， 最后將圖像和字幕疊加后送入投影機，投映到屏幕。聲音數(shù)據(jù)經(jīng)解碼轉(zhuǎn)換處理后通過數(shù)字音頻信號傳輸?shù)揭纛l解碼器，再輸出模擬音頻信號到功放擴聲系統(tǒng)。

4? 結(jié)語

通過分析數(shù)字電影放映系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析多通道同步實時顯示存在的畫面不同步問題，提出一種消息控制同步算法分別在幀同步階段、解碼階段和顯示階段利用消息機制進行協(xié)調(diào)與控制達到多通道同步實時顯示的目的。在系統(tǒng)構(gòu)建時，采用了Master-Slave結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多通道同步顯示，利用一個Master節(jié)點管理多個Slave節(jié)點進行同步渲染，每個Slave節(jié)點都完成圖像渲染后再統(tǒng)一進行顯示，實現(xiàn)利用機群系統(tǒng)各個結(jié)點的顯示設(shè)備完整放映。

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