Realizacja systemu AV: Zintegrowany system audio – wizualny.

Dwie ściany graficzne, monitor dotykowy, system sterowania, mikrofony, kamery.

Producenci: Samsung, Shure, Bose, Crestron, Sony, Newline, Biamp, Netgear, Epiphan, Audinate, Wyrestorm, Tannoy, Sennheiser, Aten, Vogels, Blackmagic, Bachmann, Extron, Middle Atlantic

 Wykonawca: AV Smart Sp. z o. o.,

ul. Zawiła 65L, 30-390 Kraków

Stadium koncepcji: Projekt Koncepcyjny

Zamawiający: Uczelnia wyższa

 Branża: Audio-video

Wdrożenie: 2022

1.  Opis koncepcyjny

Wdrożenie zintegrowanego systemu AV polegało na zaprojektowaniu całej infrastruktury wraz z konfiguracją i instalacją systemów audiowizualnych zorientowanych na wsparcie procesów dydaktycznych prowadzonych zarówno w trybie:

• Zdalnym
• Stacjonarnym
• Hybrydowym

Celem projektu było zapewnienie wysokiej jakości obrazu i dźwięku na auli wykładowej podczas prowadzenia zajęć lokalnych wraz z umożliwieniem transmisji wykładów i warsztatów.

Istotnym wymaganiem było zapewnienie prostej i intuicyjnej obsługi zintegrowanych systemów AV, za pomocą tabletu dla wykładowców w rożnym przedziale wiekowym oraz zróżnicowanych umiejętnościach w obsłudze tego typu systemów.

Możliwości rozwiązania:

1. Pełne sterowanie wszystkimi wdrożonymi systemami z pulpitów dotykowych
2. Predefiniowane tryby pracy:

• wykład
• warsztat
• nauczanie zdalne
• konferencja

Po wybraniu konkretnego trybu pracy, system automatycznie adaptuje wszystkie zaprogramowane wcześniej funkcjonalności, umożliwiając jednocześnie pracę w wybranym trybie – wykładowca nie musi nic konfigurować

3. Wykorzystanie wielkoformatowych ścian graficznych do prezentacji treści wykładów
4. Zastosowanie monitora dotykowego w celu wsparcia procesów dydaktycznych i zwiększenia ich efektywności – notatki wykładowcy wyświetlają się jednocześnie na ścianach graficznych, jak również u słuchaczy uczestniczących zdalnie
5. Profesjonalne, lokalne nagłośnienie (trudnej akustycznie przestrzeni) wraz z wyprowadzeniem sygnału do nauki zdalnej
6. System audio jest wyposażony w mechanizmy wspierające korzystanie z wideokonferencji i rejestracji wykładów
7. Zastosowanie kamer dedykowanych do obsługi sal wykładowych zapewniających lokalny podgląd jak i transmisję wysokiej jakości obrazu do nauki zdalnej
8. Montaż sufitowy matryc mikrofonowych wraz z ich kalibracją pozwalającą na bezobsługową pracę przy maksymalizacji jakości dźwięku

1.1.   System nagłośnienia

Aula została wyposażona w 12 zestawów głośnikowych Tannoy zamocowanych na suficie, ustawione w dwóch rzędach po 6 zestawów głośnikowych. W zależności od warunków akustycznych sali przy tego typu realizacjach stosujemy także rozwiązania producentów takich marek jak Bose lub JBL.

• Brak ingerencji w elewacje budynku
• Obniżenie kosztów promocji poprzez wykorzystanie „własnej elewacji”
• Bardzo duża widoczność (minimum kilkaset metrów) prezentowanych treści.
• Nowoczesna i innowacyjna technologiczna do prezentowania zmiennego kontentu statycznego i dynamicznego
• Dobra widoczność zarówno w dzień jak i w nocy,
• Wysoka odporność na duże nasłonecznienie jak i światło wewnątrz budynku
• Wysoka transparentność zapewniające dostęp światła słonecznego do pomieszczeń
• Brak efektu „nagrzewania” elewacji
• Wysoka estetyka modułów do zabudowy, elastyczność w komponowaniu się z istniejącą aranżacją architektoniczną wnętrza
• Brak potrzeby dodatkowych wzmocnień stropu

                                                                   

Centralną część systemu nagłośnienia  stanowi procesor DSP Tesira Forte, do niego doprowadzone zostały wszystkie sygnały audio poprzez przewody analogowe lub cyfrowy przesył protokołem DANTE przez LAN (więcej w punkcie 1.4. System dystrybucji sygnałów AV).

Stosując procesor możliwe jest realizowanie między innymi następujących funkcji DSP:

• Sterowanie sygnałami (routing)
• Miksowanie sygnałów
• Korekcja częstotliwościowa (EQ)
• Filtrowanie
• Kompresja
• Dodanie opóźnienia
• Monitorowanie sygnałów

Sygnał podawany na zestawy głośnikowe jest wysterowany przez trzy wzmacniacze 4-kanałowe Bose, przesył sygnałów do tych wzmacniaczy z procesora odbędzie się za pomocą protokołu DANTE (więcej w punkcie 1.4. System dystrybucji sygnałów AV). Wbudowane we wzmacniaczach procesory DSP oraz niezależne tory amplifikacji dla każdego z zestawów głośnikowych zapewniają możliwość precyzyjnego dostrojenia systemu nagłośnieniowego do warunków akustycznych sali.

Na suficie przed katedrą zamontowane są dwie matryce mikrofonowe SHURE MXA 910 ze sterowanymi, konfigurowalnymi wiązkami (kompatybilne z protokołem DANTE, zasilane przez PoE). Zastosowanie tych urządzeń pozwoli na odbiór sygnału mowy od wykładowcy bez potrzeby używania mikrofonu ręcznego, nausznego lub typu lavalier. Wykładowca ma możliwość swobodnego poruszania się lub siedzenia przy biurku podczas gdy jego głos jest odbierany przez mikrofon sufitowy i przesyłany do systemu dystrybucji sygnałów AV. Sygnał ten może być następnie wzmacniany przez system nagłośnieniowy oraz wykorzystany w wideokonferencji.

Na mównicy zamontowany jest mikrofon na gęsiej szyi Shure MX412/S o kierunkowej charakterystyce superkardioidalnej. Taka charakterystyka kierunkowa mikrofonu pozwoli na optymalny odbiór mowy osoby stojącej przy mównicy przy zbieraniu jak najmniejszej ilości zakłóceń z innych kątów względem mikrofonu.

1.2.    System mikrofonów bezprzewodowych

Poza sufitowymi matrycami mikrofonowymi MXA910 sala została wyposażona również w cztery bezprzewodowe ręczne mikrofony Sennheiser z odbiornikami EW 100 G4-935-S. Sygnał jest odbierany przez dwie prętowe anteny półfalowe, a następnie przekazywany do aktywnego splitera antenowego EW-D ASA, który dzieli sygnał na cztery odbiorniki mikrofonowe. Ostatecznie sygnały z każdego z tych odbiorników są podłączone do procesora Biamp Tesira Forte Dan CI, a tym samym do systemu dystrybucji sygnałów AV.

                     

1.3.   System wizualizacji

Na ścianie za katedrą zostały zamontowane dwie ściany graficzne 4K, każda składająca się z 9 monitorów cienko ramkowych o przekątnej 55” Samsung w konfiguracji 3×3. W zależności od wymagań Zamawiającego można zastosować także takie marki jak: NEC, BARCO, LG, SONY.

   

W celu wyświetlania dwóch niezależnych sygnałów na każdej ze ścian graficznych zastosowane zostały dwa streamer’y sieciowe/player’y Epiphan. Pozwalają one na ułożenie dwóch źródeł w dowolnym układzie (layout) wraz z nakładkami takimi jak logo, różnego rodzaju grafika, napisy, etc. Możliwe jest także wyświetlanie picture-in-picture. Ze względu na to, że urządzenie to jest również streamerem sieciowym może zostać wykorzystane by równocześnie z wyświetlaniem treści na ścianie graficznej streamować t treść do internetu. Stream ten odbywa się poprzez protokoły MPEG-TS, RTSP over TCP/UDP, RTMP/RTMPS,  SRT over UDP, HLS over HTTP/HTTPS, MPEG-DASH over HTTP/HTTPS lub HLS.  W ekstremalnej sytuacji będzie możliwe streamowanie dwóch niezależnych układów jednocześnie (które mogą składać się z czterech niezależnych źródeł AV).

Na biurku znajdują się dwa monitory podglądowe Samsung o przekątnej 24” na których można wyświetlić którykolwiek sygnał z systemu dystrybucji AV.

Na środku ściany za katedrą na uchwycie ściennym zamontowany został monitor dotykowy 65” z komputerem OPS (Newline MIRA). Monitor funkcjonuje jako interaktywna tablica dla prowadzącego. Wykorzystując system komputera OPS wbudowanego w monitor użytkownik posiada możliwość prowadzenia wideokonferencji przy wykorzystaniu systemu nagłośnienia sali (w tym mikrofonów) oraz systemu wizualizacji sali (kamer PTZ, ścian graficznych, monitorów podglądowych etc.).

Użytkownik korzystając z monitora dotykowego Newline posiada możliwość sterowania laptopem podłączonym do przyłącza blatowego na biurku, komputerem stacjonarnym w biurku oraz samym systemem komputera OPS przez dotyk. Obraz z monitora dotykowego jest przesyłany do systemu dystrybucji sygnałów AV (więcej w punkcie 1.4. System dystrybucji sygnałów AV).

Na zewnątrz Sali znajduje się monitor Samsung stosowany jako monitor DS (digital signage). Zamawiający posiada możliwość wyświetlania na nim sygnału z wnętrza Auli – dla przykładu ten sam sygnał, który jest wyświetlany na ścianach graficznych, sygnał z kamery itp. (więcej w punkcie 1.4. System dystrybucji sygnałów AV).

 

1.4.        System dystrybucji sygnałów AV

W projekcie zastosowana jest najnowsza technologia dystrybucji sygnałów AV przez sieć LAN (AV over IP), o topologii rozproszonej. Oznacza to, że przy każdym źródle sygnału i wyświetlaczu umieszczony został endpoint NVX firmy Crestron, który działa jako encoder lub decoder sygnałów HDMI.

Przy wyświetlaczach endpointy wyposażone zostały w skaler, aby zapewniać odpowiednią rozdzielczość sygnału dla wyświetlacza niezależnie od tego jaki sygnał jest generowany przez źródło. Sygnał ze źródeł HDMI jest kodowany i przesłany własnym protokołem firmy Crestron przez sieć, a następnie przy endpointach dekodowany i przesyłany do wyświetlacza w formie HDMI. Taka sytuacja pozwala na wyświetlanie jakiegokolwiek źródła w sali na którykolwiek z wyświetlaczy. Jako swego rodzaju „przełącznik prezentacyjny” w tej topologii używany jest przełącznik sieciowy (switch) Netgear, który również zasila wspomniane endpointy po PoE.

Sygnały audio przesyłane są poprzez protokół DANTE (w podobny sposób jak technologia NVX) pozwala na cyfrowy przesył audio przez sieć. Ogranicza to ilość kabli, która jest potrzebna do połączenia biurka i mównicy z resztą systemu AV oraz pozwala na zredukowanie okablowania między sprzętem (źródło-procesor-wzmacniacz). Procesor audio DSP (Biamp Tesira DAN CI) umożliwia przesył 32 wejściowych oraz 32 wyjściowych kanałów cyfrowych przez protokół DANTE.

Obecnie którykolwiek z sygnałów wideo przesyłanych przez:

• przyłącza biurkowe i ścienne (np. laptop podpięty do przyłączy),
• kamery PTZ,
• komputer stacjonarny w biurku,
• monitor 65” dotykowy z komputerem OPS
• streamer/player Pearl Nano

Może być wyświetlany na którymkolwiek z dostępnych wyświetlaczy:

• monitory podglądowe 24” na biurku,
• monitor 65” DS na korytarzu,
• monitor dotykowy 65” z komputerem OPS
• ściany graficzne 3×3

1.5.        System sterowania

Centralną jednostką systemu sterowania stanowi procesor sterujący Crestrona. Jest to mały procesor przeznaczony do montażu na szynie DIN. Procesor jest zamontowany w szafie technicznej w rogu sali SR-2 (więcej w punkcie 1.6. Meble, przyłącza, trasy kablowe). Wszystkie sterowalne urządzenia są sterowane przez RS-232 lub przez IP (LAN). W zakres sterowanych urządzeń wchodzą:

• Encodery/decodery NVX
• Procesor DSP audio
• Streamer/player Pearl Nano
• Wzmacniacze audio
• Sufitowe matryce mikrofonowe
• Ściany graficzne
• Kamery PTZ
• Monitor 65” DS
• Monitor dotykowy

Użytkownik może sterować routingiem sygnałów poprzez stołowy panel sterujący Crestron o przekątnej 7”. Przykładową funkcjonalność jaką użytkownik może ustalić to jaki sygnał wyświetlany jest na zewnątrz Auli na monitorze DS. (digital signage), jaki na monitorach podglądowych, a jaki na ścianach graficznych. Z poziomu dotykowego panelu sterującego użytkownik ma możliwość wyboru scenariusza przesyłu dotyku z monitora dotykowego Newline. Dla przykładu czy monitor dotykowy steruje laptopem podłączonym do przyłącza blatowego lub komputerem stacjonarnym w biurku (jak opisano w punkcie 1.3. System wizualizacji).

1.6.              Meble, przyłącza, trasy kablowe

Sprzęt jest zlokalizowany w dwóch szafach technicznych, jedna w rogu Sali SR-2, a druga w mównicy przy biurku SR-1 (rys. 1.1.1.). Dzięki wykorzystaniu metod przesyłu sygnałów AV przez sieć (NVX oraz DNATE) wyeliminowaliśmy problemy z doprowadzeniem dużej ilości kabli do biurka. Reszta przewodów w biurku prowadzone są w korytach kablowym 100×50 mm.

Zaprojektowane biurko 4-osobowe przedstawiono na rysunku 1.1.2.

W biurku znajduje się komora na komputer, a w mównicy ukryta szafka techniczna (SR-1) z całym osprzętowaniem odpowiedzialnym za dystrybucję sygnałów AV z okolic biurka. W mównicy został zamocowany cichy wentylator (poziom hałasu 29 dBA na odległości 1 m) w celu zapewnienia odpowiedniego przepływu powietrza do chłodzenia urządzeń w szafie technicznej. Biurko zaprojektowano z myślą o ergonomii użytkowania, serwisowaniu proponowanego sprzętu AV w mównicy oraz biorąc pod uwagę przestrzeń podestu.

Rys. 1.1.1. Rzut sali z rozmieszczeniem urządzeń AV oraz szaf technicznych SR-1 i SR-2.

Rys. 1.1.2. Projekt 4-osobowego biurka z komorą komputerową i mównicą z przestrzenią na szafę techniczną (SR-1).

Każde z przyłączy stołowych jest wyposażone w następujące gniazda:

• USB-C – przekaz sygnału audio-video do systemu
• Mini-jack 3,5 mm – przesył audio
• HDMI IN – wejście wideo
• HDMI OUT – wyjście wideo, do podłączenia monitorów podglądowych
• USB-A – w jednym z przyłączy (PS-1) służyć będzie do wideokonferencji, a w drugim (PS-2) do przesyłu dotyku z monitora dotykowego w celu sterowania np. podłączonym laptopem
• 2x RJ-45 – podłączenie się do sieci LAN
• 2x zasilanie 230 V

Poza dwoma przyłączami stołowymi na blacie biurka zamontowane zostało dodatkowo  przyłącze HDMI IN na mównicy.

Trasy kablowe prowadzone są w szarych korytach na ścianach przy podłodze wokół podestu. Koryta są doprowadzone do przyłączy naściennych wspomnianych powyżej. Ponadto okablowanie jest doprowadzone z szafy technicznej w rogu (SR-2) do monitora DS (digital signage) na korytarzu przy oknach na tylnej stronie sali oraz na sufit do zestawów głośnikowych ustawionych w rzędach. Zastosowana szafa techniczna SR-2 jest mobilna, w celu zapewnienia łatwego dostępu do tylnej części szafy dla serwisu lub obsługi technicznej.

2.  Symulacja akustyczna dźwięku bezpośredniego wdrożonego systemu nagłośnienia

W celu sprawdzenia poprawności i udowodnienia właściwego doboru rozwiązań elektroakustycznych dla Auli przeprowadzono symulację komputerową, dzięki której wyliczono predykcje dotyczące pokrycia dźwiękiem obszaru widowni auli z wykorzystaniem proponowanego systemu nagłośnienia.

           

2.1. Model 3D pomieszczenia, warunki symulacji

Na podstawie pomiarów geometrycznych podczas wizji lokalnej na obiekcie utworzono trójwymiarowy model pomieszczenia w programie AFMG EASE (wersja 4.4) służącym do symulacji systemów elektroakustycznych w pomieszczeniach. Do modelu wprowadzono wirtualne źródła dźwięku będące odpowiednikami przewidzianych w projekcie zestawów głośnikowych (biblioteki wkładowe do programu EASE przygotowywane przez producenta zestawów głośnikowych). Dla wirtualnych głośników dobrano punkty rozmieszczenia odpowiadające docelowej instalacji (z uwzględnieniem możliwości montażowych), uwzględniono także właściwe docelowe skierowanie głośników oraz parametry wysterowania z uwzględnieniem mocy przewidzianych w projekcie wzmacniaczy.

Poniżej przedstawiono rzuty modelu 3D w programie EASE wraz z zaznaczonymi lokalizacjami źródeł dźwięku powierzchniami odpowiadającymi obszarom widowni z krzesłami (zielone płaszczyzny „odsłuchowe” – dla tych przestrzeni wyliczane są wyniki, w modelu płaszczyzny te ulokowano na wys. 1,2m od podłoża, co odpowiada wysokości uszu osoby siedzącej).

Rys. 2.1.1. Widok 3D modelu pomieszczenia w programie AFMG EASE z zaznaczonymi płaszczyznami odsłuchowymi i 12 wirtualnymi źródłami dźwięku odpowiadającymi projektowanym zestawom głośnikowym.

Rys. 2.1.2. Widok od góry modelu pomieszczenia w programie AFMG EASE z zaznaczonymi płaszczyznami odsłuchowymi i  12 wirtualnymi źródłami dźwięku odpowiadającymi projektowanym zestawom głośnikowym

Symulacje z użyciem tak przygotowanego modelu przeprowadzono z użyciem podstawowego modułu obliczeniowego programu EASE: metody Standard Mapping. Predykcje wyliczono dla parametru „Direct SPL” – chodzi tu o bezpośredni poziom ciśnienia akustycznego uwzględniający jedynie fale akustyczne wypromieniowane przez zestawy głośnikowe i nie uwzględniający odbić od płaszczyzn pomieszczenia oraz dźwięku pogłosowego. W obliczeniach przyjęto dyskretyzację płaszczyzn odsłuchowych w siatce 30cm.

2.2.  Wyniki symulacji

Poniżej zaprezentowano wyniki predykcji pokrycia dźwiękiem obszaru widowni auli – parametr Direct SPL (jedynie dźwięk bezpośredni, bez uwzględnienia odbić) w ujęciu szerokopasmowym (pełne pasmo częstotliwościowe dostępne do symulacji w EASE czyli 100Hz – 10kHz) oraz w aspekcie wyższych częstotliwości (1kHz-6,3kHz). Prezentowane wykresy przedstawiają rozkłady przewidywanych parametrów  w ujęciu statystycznym i przestrzennym.

Rys. 2.2.1. Przewidywane wartości parametru Direct SPL w pełnym paśmie częstotliwościowym (bez ważenia). Rozkład statystyczny.

Rys. 2.2.2. Przewidywane wartości parametru Direct SPL w paśmie częstotliwościowym 1kHz-6,3kHz (bez ważenia). Rozkład statystyczny.

Rys. 2.2.3. Przewidywane wartości parametru Direct SPL w paśmie częstotliwościowym 1kHz-6,3kHz (bez ważenia). Rozkład statystyczny. Wyniki zawężone do 6dB zakresu (>90% wyników).

Przeprowadzone symulacje dają podstawę, by stwierdzić, iż proponowane rozwiązanie elektroakustyczne jest w stanie zapewnić właściwe w kontekście funkcji auli (wykłady, seminaria, prelekcje itp.) nagłośnienie widowni.

            Średni przewidywany poziom ciśnienia akustycznego na widowni wynosi ok. 96,5dB SPL, co w przypadku transmisji mowy jest rezultatem jak najbardziej wystarczającym. Predykcja pokrycia obszaru widowni szerokopasmowym dźwiękiem również wypada bardzo korzystnie – wahania na poz. +/-1,5dB od wartości średniej. Przewidywana równomierność pokrycia dla wyższych pasm częstotliwościowych (ponad 90% powierzchni widowni w zakresie +/-3dB) pozwala stwierdzić, iż w przypadku zastosowania proponowanego systemu elektroakustycznego, niemal każdy słuchacz będzie odbierał zbliżony jakościowo pełnopasmowy dźwięk.