基于計(jì)算機(jī)集群的高清3D數(shù)字電影放映技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

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(jī)制為主要研究對(duì)象，利用計(jì)算機(jī)集群代替昂貴的專用圖形工作站，成功構(gòu)建了基于計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)了一種具有高性價(jià)比和強(qiáng)擴(kuò)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(jì)算機(jī)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(jì)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(tái)、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(jì)從20世紀(jì)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(chǔ)與運(yùn)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(jì)算機(jī)集群進(jìn)行高清立體數(shù)字電影的放映。系統(tǒng)將多臺(tái)計(jì)算機(jī)利用專用網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)成基于計(jì)算機(jī)集群并行計(jì)算協(xié)同渲染的電影放映方法，每臺(tái)計(jì)算機(jī)可以只對(duì)其中的一部分場(chǎng)景進(jìn)行渲染和顯示，多臺(tái)計(jì)算機(jī)聯(lián)合拼接出整個(gè)畫面，實(shí)現(xiàn)了一種廉價(jià)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(shí)所需的各項(xiàng)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(hào)一般可分成兩路：一路為聲音信號(hào)，經(jīng)由數(shù)字影院音頻處理器輸出;另一路為圖像信號(hào)，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(jī)放映。下面分別各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)述。

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

（2）媒體處理系統(tǒng)：用于對(duì)音頻和圖像進(jìn)行處理，其包括音頻和圖像兩個(gè)服務(wù)器。音頻服務(wù)器對(duì)聲音文件進(jìn)行處理，圖像服務(wù)器對(duì)視頻和字幕進(jìn)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(jìn)行疊加轉(zhuǎn)換成為光信號(hào)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(duì)獨(dú)立的兩種類型，二者各有其優(yōu)缺點(diǎn)，集成類型設(shè)備體積小，操作簡(jiǎn)便;獨(dú)立類型體積較大，操作較為復(fù)雜，但是易于維護(hù)。

（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(duì)音頻服務(wù)器中的音頻文件進(jìn)行解碼，將數(shù)字音頻轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并發(fā)送到揚(yáng)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(duì)電影放映的控制，其中包括啟動(dòng)、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(jī)的推出及其價(jià)格的逐漸降低，數(shù)字電影放映系統(tǒng)逐步進(jìn)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(jī)最高只能達(dá)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(gè)2048×1080的區(qū)域。其左、右眼的一對(duì)畫面同時(shí)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(jī)放映3D的方案，達(dá)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(tái)SONY 4K投影機(jī)，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(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)，普遍采用的是基于SGI高端圖形工作站進(jìn)行開發(fā)，由于開發(fā)成本非常高，所以普及率較低。隨著計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)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(jì)算方面都具有了很強(qiáng)的處理能力，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多通道實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)已經(jīng)具備了基礎(chǔ)的條件。

在使用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多通道實(shí)時(shí)顯示時(shí)，屏幕上的畫面由多臺(tái)計(jì)算機(jī)輸出拼接而成，由于每臺(tái)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)能力存在差異，就導(dǎo)致在多機(jī)協(xié)同渲染時(shí)會(huì)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(diǎn)，提出一種消息控制同步算法，通過對(duì)各個(gè)顯示終端的幀同步延時(shí)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(jī)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(jìn)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(hào)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(jì)算機(jī)同步輸出的幀在同一時(shí)刻能夠保證影片的完整性，幀所對(duì)應(yīng)的畫面渲染時(shí)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(jī)制對(duì)影片進(jìn)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(jī)制進(jìn)行協(xié)調(diào)，調(diào)制方法是利用后繼實(shí)體向前驅(qū)實(shí)體傳輸?shù)牟皇强障ⅲ窍到y(tǒng)解碼得到的當(dāng)前幀標(biāo)號(hào)。

第二、在解碼階段，每個(gè)實(shí)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(shí)，整個(gè)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(jì)算機(jī)發(fā)出幀顯示指令時(shí)，進(jìn)行刷屏顯示，實(shí)現(xiàn)顯示階段同步。

3? 多機(jī)3D數(shù)字電影放映系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)首先可以劃分為Client節(jié)點(diǎn)和Server節(jié)點(diǎn)，如圖所示主控PC機(jī)是Server節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)整個(gè)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(diǎn)都是Client節(jié)點(diǎn)，接收Server節(jié)點(diǎn)的指令并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

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

其中，Master節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)進(jìn)行系統(tǒng)的同步?jīng)Q策。在Master-Slave結(jié)構(gòu)中，每一臺(tái)計(jì)算都可以自由變換模式，當(dāng)某一臺(tái)計(jì)算被設(shè)定為Master節(jié)點(diǎn)則其他節(jié)點(diǎn)為Slave節(jié)點(diǎn)，Master節(jié)點(diǎn)獲取每個(gè)Slave節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)信息進(jìn)行同步控制。Slave節(jié)點(diǎn)負(fù)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(diǎn)會(huì)將最新數(shù)據(jù)幀從新分配給各Slave節(jié)點(diǎn)進(jìn)行渲染。當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都渲染完畢后，Master節(jié)點(diǎn)通知所有顯示節(jié)點(diǎn)顯示場(chǎng)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(chǔ)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(jī)，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(hào)傳輸?shù)揭纛l解碼器，再輸出模擬音頻信號(hào)到功放擴(kuò)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(shí)時(shí)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(jī)制進(jìn)行協(xié)調(diào)與控制達(dá)到多通道同步實(shí)時(shí)顯示的目的。在系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，采用了Master-Slave結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多通道同步顯示，利用一個(gè)Master節(jié)點(diǎn)管理多個(gè)Slave節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步渲染，每個(gè)Slave節(jié)點(diǎn)都完成圖像渲染后再統(tǒng)一進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)利用機(jī)群系統(tǒng)各個(gè)結(jié)點(diǎn)的顯示設(shè)備完整放映。

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