体育照明发展趋势——从2008年北京夏季奥运会到2022年北京冬季奥运会

姚梦明

(昕诺飞(中国)投资有限公司， 上海 200233)

引言

随着生活水平的不断提高、城市化进程的深入和对健康生活的重视，体育已成为日常生活的一部分，成为“科学、健康、文明”生活方式的一部分。随着电视转播技术的不断发展，奥运会、世界杯足球赛、洲际运动会和其他各类世界锦标赛等重大国际体育赛事可以被同步转播到世界各地，几十亿人次的电视观众可以通过电视直播实时观赏到全球最顶级、最精彩的赛事，而体育照明可以帮助照亮群众体育运动和竞技体育运动，可以为电视转播提供最专业的体育转播照明从而向全球的电视观众直播最佳的转播画面。

中国体育建筑和体育照明经历三十多年的发展，取得了举世瞩目的成就。2008年北京奥运会成为一届创造奇迹、超越梦想的盛会，各场馆高质量的专业体育照明设计和效果向世界展示了中国体育照明水平，可以代表世界最好水平。2008年北京奥运会场馆照明设计和建设的成功经验进一步提升了中国体育照明的水平，同时也为后续的世界重大赛事的体育照明设计提供了全新的实践经验和技术、标准指导[1]。在此基础上，世界体育照明设计随着照明技术、转播技术、场馆运营模式和体育经济的发展而不断创新发展[2-16]。2022年北京冬奥会将再次展现全球最高质量的体育照明设计和效果。

1 体育照明设计实践与分析

2008北京夏季奥运会后，中国和其他国家又举办了许多重大体育赛事，通过其体育照明的实践，可以感受到每个体育照明设计的科学和巨大作用。

1)2008北京夏季奥运会——国家体育场(鸟巢)体育照明设计。国家体育场(鸟巢)是2008 年北京第 29 届夏季奥林匹克运动会的主体育场，奥运会、残奥会的开闭幕式、田径和足球比赛决赛的比赛场地，场内座位91 000 个，其中临时座席约11 000 个。共设计了606套MVF403/2 kW专业照明灯具，布置于内外两条马道，安装高度从36 m到48 m。照明设计中共考虑了93个摄像机的垂直照度，全部固定摄像机的最小垂直照度大于1 400 lx，移动摄像机的最小垂直照度大于1 000 lx，水平照度、均匀度也全部满足要求，同时全部区域的任一点四边垂直照度之比的最小值均大于0.6 ，保证现场照明立体感的呈现，见图1。国家体育场的体育照明设计创造性地第一次在国际大赛的体育照明中采用“双路电源，互为备用照明”的设计，开创了应急转播照明的全新设计。

图1 国家体育场体育照明设计Fig.1 Sports lighting design of National Stadium

2)2010 广州亚运会——广东省奥林匹克体育中心体育场体育照明设计。广东省奥林匹克体育中心体育场是2010年广州亚运会的开幕式和田径、足球比赛场地，曾承办中国第九届全运会的开幕式和田径、足球等比赛，采用了飘带造型的独特设计，拥有80 012个座位。照明在第九届全运会基础上改造而成。照明设计采用了395套MVF403/2 kW和396套 MVF406/1.8 kW的专业照明灯具，安装于内外两圈马道上，内环马道高度从50 m到60 m，外环马道高度从40 m到50 m。水平照度大于3 000 lx，主摄像机平均垂直照度大于2 400 lx，四边平均垂直照度大于1 400 lx，如图2所示。

图2 广东奥林匹克体育中心体育场体育照明设计Fig.2 Sports lighting design of Guangdong Olympic Stadium

3)2012 伦敦夏季奥运会——伦敦体育场体育照明设计。伦敦体育场(“伦敦碗”)，2012年伦敦奥运会开幕式和田径、足球比赛场地，采用536 套ArenaVision MVF 404/2 kW专业照明灯具，安装高度为50 m，水平照度大于2 000 lx，固定摄像机最小垂直照度大于1 400 lx，移动摄像机最小垂直照度大于1 000 lx，见图3。由于配备了高强度气体放电灯的电子镇流器，“伦敦碗”第一次解决了对高速摄像机的照明频闪，为高速和超高速摄像机的广泛使用提供了技术支持。

图3 伦敦体育场体育照明设计Fig.3 Sports lighting design of London Stadium

4)2014 巴西FIFA世界杯——Fortaleza Castelao球场体育照明设计。Fortaleza Castela足球场拥有69 000个座位，是2014年巴西世界杯十二座球场之一，设计采用了332 套 MVF 403/2 kW专业照明灯具，水平照度Eh= 3 700 lx，均匀度Emin/Emax= 0.72，Emin/Eave=0.83；主摄像机垂直照度Ecam=1 950～2 300 lx，均匀度Emin/Emax>0.60，Emin/Eave>0.70，见图4，属于无频闪体育照明设计。

5)2016 里约夏季奥运会——里约奥林匹克体育场体育照明设计。里约奥林匹克体育场是2016年里约奥运会和残奥会的田径和足球比赛场地，拥有60 000个座位，设计采用了544 套 MVF 404/2 kW专业照明灯具，安装高度从 33 m到43 m，水平照度大于 300 lx，对6个固定主摄像机平均垂直照度均大于 2 000 lx，由于采用无频闪电子镇流器，照明效果可以满足600 fps的超高速摄像机的频闪要求，见图5。

图5 里约奥林匹克体育场体育照明设计Fig.5 Sports lighting design of Rio Olympic Stadium

6)2018 俄罗斯FIFA世界杯——莫斯科Luzhniki 体育场体育照明设计。莫斯科Luzhniki 体育场是2018俄罗斯FIFA世界杯的开幕式场地，也举行了第一场、半决赛和决赛的比赛。曾是1980年莫斯科奥运会的主会场，也是俄罗斯国家足球队的主场，是莫斯科的历史保护之一。体育场为2018年世界杯的举行从2013年开始改造，改造后座位78 011席。照明设计采用了348套 MVF404/2 kW 灯具，配备了无频闪电子镇流器，照明效果可以满足300～900 fps的超高速摄像机的频闪要求。安装高度45.5 m，水平照度大于3 800 lx，9个固定摄像机的最小垂直照度均大于1 400 lx，四边最小垂直照度大于1 000 lx，四边垂直照度之比大于0.6，场地内运动员最大眩光值GR小于40，见图6。

图6 莫斯科Luzhniki 体育场体育照明设计Fig.6 Sports lighting design of Moscow Luzhniki Stadium

7)2022北京冬季奥运会——国家速滑馆体育照明设计。国家速滑馆是2022年北京冬奥会大道速度滑冰的比赛场馆，赛后还可以举办冰球、冰壶等项目的比赛，是北京地区唯一一座新建的冰上竞赛场馆。被誉为“冰丝带”的国家速滑馆设有12 000个座位，体育照明设计采用940套功率从450～900 W的全新LED照明灯具, 安装高度为15～26 m， 设计水平照度大于2900 lx, 18个固定主摄像机最小垂直照度均大于1 600 lx, 四边最小垂直照度大于1 200 lx。由于采用无频闪的LED照明，场地照明的频闪指数(Flicker Factor，FF) 仅为1%，完全可以满足高达1 000 fps的超高速摄像机的转播要求，同时高照度和高均匀度将保证比赛时4K/8K电视转播信号的清晰度，见图7。国家速滑馆将于2021年建成。

图7 国家速滑馆体育照明设计Fig.7 Sports lighting design of National Speed Skating Oval

2 体育照明发展趋势

从2008北京奥运会到2022北京冬奥会期间的世界重大体育赛事的典型体育照明设计实践和分析，可以看出体育照明设计水平在不断提高发展。而在这些大赛中，体育照明除了为现场的运动员、裁判、观众、广告商提供最佳的现场比赛和观赛体现外，更要为众多的摄像机提供最佳的转播照明，专业体育照明和电视转播已经密不可分。

电视转播设备(摄像机)和转播信号的不断革新和提升，要求体育照明不但从产品技术，而且从照明设计随之创新变化，同时照明还必须满足场馆运营的新模式和体育经济的发展要求。

2.1 照明专业化

1948年伦敦奥运会时英国广播公司(BBC) 第一次给伦敦地区提供现场电视直播的比赛情况，1956年墨尔本奥运会第一次卖出奥运转播权，而2000年悉尼奥运会已经有38亿人通过电视观看奥运比赛，2008年北京奥运会的电视转播时间突破 61 000 h，并第一次出现高清电视转播；2014年巴西世界杯4K试转播成功；2016年里约奥运会的电视转播时间突破 120 000 h，覆盖 200 多个国家，全部为HD转播信号；2018年平昌冬奥开始4K转播，2020东京奥运将全部采用4K信号直播。目前国际奥委会收入的47%来自奥运电视转播权。而电视转播用摄像机每3～6个月就会有新的发展，转播效果要求更直观、更展现细节，比赛场地内各种摄像机无处不在，4K/8K信号逐渐开始成为信号标准，而高速摄像机(SSM)/超高速摄像机(HSSM，300～900 fps)正成为电视转播设备的标准配置。这些转播设备和信号的发展，以及重大赛事电视转播权的巨大利益，都要求专业体育照明的发展变化。而从表1中的2008年北京奥运会到2022年北京冬奥会之间的世界重大赛事的体育照明标准，也可以分析总结出以下的变化。

表1 2008—2022年世界重大体育赛事专业体育照明要求[3-17]

1)照度、均匀度和梯度的变化。应对 4K 转播信号的制作，要求更充足、更一致性、更均匀的场地照明。场地照明对摄像机的最小垂直照度要求提高，尤其对SSM 和4K/8K 转播时，Ev min≥ 1 400 lx / 1 000 lx (固定 / 四边) 提高到Ev min≥ 1 600 lx / 1200 lx (固定 / 四边)；照度均匀度提高，水平照度均匀度 从0.6/0.8提高到 0.7/0.8，固定摄像机垂直照度均匀度 从0.5/0.7提高到 0.6/0.7(场地摄像机)和 0.7/0.8(HD/ 4K)。

而照度梯度的要求也被更加重视，出现了CIE 规定的梯度UG，通常为10%～20%；FIFA规定的梯度UG，通常为1.5～2.0；以及UEFA规定的梯度MAUR，通常要求大于0.6。尽管数值要求不同，但各梯度根据其定义就是希望提高场地照明的整体均匀度和相邻照明点间的一致性，以尽可能地提高转播画面质量。

2)新的光源显色指数的要求。由于LED照明应用的增多，以及电视转播时对光源一致性的要求，照明光源在国际重大赛事的要求除了色温Tc=5 600 K，还要求CRIRa≥ 90或者Ra≥85,R9≥45(对LED照明)或者 TLCIQa≥85，以满足电视转播时最佳的颜色还原。

3)无频闪的照明(FKF)。摄像机的技术发展迅速，通常75 fps的摄像机就可以用作一般的电视转播的高速摄像机，提供慢动作回放的画面。但随着转播技术的不断发展，300 fps、600 fps、900 fps甚至大于1 000 fps的超高速摄像机不断出现在体育赛事现场进行电视转播，以捕捉更细节的运动画面。高速摄像机拍摄时由于每一帧的时间非常短暂，一般的体育照明由于交流供电或供电频率或直流纹波的原因，现场的照明为这样的每一帧提供的曝光量就不会一致，造成了在正常回放时每一帧间的亮度不一样，形成画面的频闪，见图8，这是在高速/超高速摄像转播过程中必需解决的问题。2008年北京奥运会时，在水立方使用的高速摄像机的回放出现了不同程度的频闪，2010年广州亚运会和2011年上海FINA游泳世界锦标赛上使用高速摄像机做电视转播时出现了同样的频闪现象。所以体育照明亟需解决这样的频闪问题。

图8 150 Hz(P)下慢动作摄像机的图像Fig.8 Image of slow motion camera at 150 Hz(P)

2012年伦敦奥运会时，首次通过全新设计的无频闪电子镇流器和电子触发器，配合传统的高强度气体放电灯，当全部采用这类无频闪的高强度气体放电灯时，频闪指数FF小于3%，很好地解决了频闪的问题。在伦敦体育场、游泳中心和自行车馆，使用效果良好，帮助超高速摄像机无频闪地完成细节的捕捉。此后2014年的巴西FIFA世界杯、18年的俄罗斯FIFA 世界杯以及2016年里约奥运会均采用这样的方法很好地解决了高速摄像机的频闪。但在2014年的索契冬奥，由于没有采用这类方法，频闪问题没有很好解决。从2020东京奥运开始，LED体育照明被广泛使用，2022年北京冬奥已全部采用LED体育照明，通过合适的LED 驱动电源的选择，可以达到FF小于1%。目前2020东京奥运和2022北京冬奥要求FF小于2%(小于1 000 fps)和小于6%(小于600 fps)，UEFA要求Elite A的比赛FF小于5%。目前的无频闪照明灯具解决方法可见图9。

图9 无频闪灯具(HID, LED)Fig.9 Lamp(HID, LED) without stroboscopic

2.2 设备智能化

目前照明正从传统照明技术向LED照明技术快速转化，在体育建筑中LED体育照明也不断被接受和应用，而物联网技术和思维的出现则进一步让体育照明变得越来越聪明、智能互联，可以预见到体育照明将从照明设备本身和照明控制方面更加智能化。

1)照明设备智能化，LED体育照明的广泛使用。LED体育照明替代传统HID光源已经成为潮流，越来越多的体育组织、赛事转播机构、设计院和场馆业主开始接受并要求使用LED体育照明。根据国际重大赛事电视转播体育照明的要求，通常采用Ra=90、Tc=5 600 K的1 kW、2 kW的传统HID灯具，因此只有单灯光通量可以达到80 000～150 000 lm的LED照明灯具才能被广泛替代原有的HID灯具，从照明产业发展来看，这样的LED照明产品正不断被研发出来，并快速进入体育照明市场。

传统1 kW/2 kW HID专业体育照明灯具的效能在 75 lm/W左右，而LED体育照明产品经过几年的发展，目前可以替代1 kW/2 kW HID灯具的比较优秀的LED 灯具效能已经大于90 lm/W，所以从产品端已经开始有节能空间，同时由于LED灯具更好的光束可控性，使用时光线的利用率会大于传统HID灯具，因此综合节能空间会加大。

而由于LED直流驱动、瞬时点亮的特点，使LED体育照明灯具可以非常方便地实现智能连续调光，并且可以通过DMX512或DALI协议，给每个灯具以不同的地址，让马道上的LED灯具变得“聪明”，方便调试、使用和管理。

目前欧洲五大足球联赛的比赛场地均已开始使用LED体育照明。图10为意大利尤文图斯安联球场的LED体育照明，采用384套1400 W的LED体育照明灯具，Ra为90以上，Tc=5 700 K，频闪指数FF小于2%，照明总能耗比原HID照明系统减少25%以上。照明水平照度=2700 lx，对固定主摄像机垂直照度大于2 000 lx, 四边垂直照度大于1 400 lx,最大眩光GR=42, 四边垂直照度均匀度大于0.6，远远满足UEFA Elite A的标准。

图10意大利尤文图斯安联球场LED体育照明设计Fig.10 LED sports lighting design of Italian Juventus Allianz Stadium

2)照明控制和管理智能化，网络化照明控制的使用。传统体育照明控制系统安装和调试的现场不确定性会大大增加调试的工作量，而且控制系统的不可靠点很多，而随着物联网技术在体育照明领域的深入应用和普及，体育照明控制和管理系统将会更加智能化、数字化，也将方便系统的设计、安装与调试，可靠性也会大大增加。如可以采用TCP/IP网络架构形式控制LED体育照明灯具，从地面或体育场内的灯光控制室到马道安装的灯具之间的控制连接线将不再是一灯一回路或三灯一回路的供电电缆和控制线缆，其间的全部控制线缆将变成几根网线或光纤。在控制室内的场地照明控制信号通过TCP/IP网络架构用一根(或几根)CAT5/6的网线或光纤传输至安装于马道上的网络交换机，并连接TCP/IP_DMX512协议转换器，再将DMX512 RDM 控制信号连接至马道上的每一盏灯具，这样在减少马道与控制室间的控制线缆的同时，增强了智能控制可靠性，还可以为灯具编码地址，提供控制信号和运行反馈信号，这样在控制室内就可以远程实现体育照明不同照明模式的场景切换和设备运营的管理，还可以通过TCP/IP网络架构在智能移动终端(手机、PAD等)上进行智能照明控制和管理，实现真正意义上的远程网络智能控制和照明资产管理。典型的网络控制架构见图11。

图11 LED体育照明智能控制系统架构Fig.11 Intelligent control system of LED sports lighting

2.3 场景娱乐化

如果LED 体育照明只带来和传统照明一样的效果, 那是不科学和低效的。因此首先可以利用LED体育照明灯具可调光的特点，增加多种比赛照明场景；其次可以利用LED体育照明灯具一灯一地址和瞬时燃点的特点，将LED照明灯具作为场馆内舞台照明效果的一部分，通过DMX512控制信号，快速依次或随机闪亮LED白光照明灯具，在比赛开始前暖场、中场休息和需要烘托气氛时，发挥灯光秀的效果。

体育场馆还可以结合其他照明方式，如舞台照明、顶棚景观照明和现场音乐的配合，创造沉浸式赛事体验，吸引现场观众更早进入赛场，以增加现场的商业活动收入，也可以吸引电视观众买票进入比赛现场以体验现场灯光表演和精彩比赛。

未来的体育场馆还可以将场地专业比赛照明、舞台娱乐照明、LED大屏显示、建筑屋顶及外墙照明，甚至VIP包厢、球员休息室、大厅酒廊和草皮补光照明，全部通过智能互联系统连接一起工作，为球员、观众提供完全沉浸式的照明体验，为场馆的可持续运营提供照明环境和商业模式帮助。图12为德国慕尼黑安联球场沉浸式照明系统的组成。

图12 慕尼黑安联球场智能照明控制系统的组成Fig.12 Composition of intelligent lighting control system at Allianz Stadium in Munich

3 体育照明研究新方向

1)半柱面照度标准在体育照明中的应用。目前所有的照明标准中无论水平照度还是垂直照度均采用平面照度，然而在体育照明中, 由于运动员脸部和身体的立体性，导致对摄像机的不会是一个平面，因此场地内某一点对摄像机的半柱面照度更能反映运动员所身处的实际照明效果。半柱面照度是指在空间一点上一个小圆柱体半个侧面上的平均垂直照度，因此理论上半柱面照度更能体现实际的照明立体感。尽管许多照明软件已经可以计算半柱面照度值，但目前在全球范围内的体育照明设计标准中仍没有相对应的标准值。

2)体育照明眩光测试设备的研发。体育照明中的眩光直接影响着现场运动员、裁判的视觉效果，影响其运动成绩的发挥，也会影响摄像机的转播画面效果，所以在照明设计中需要通过多种因素的综合考虑和平衡以尽量减小对运动员和摄像机的眩光。但如何方便测量眩光一直是检验照明设计效果的一大难题，目前国内的权威机构可以现场检测眩光，但设备和过程过于复杂，如果可以研发出快速方便测试的眩光测试设备，将极大地帮助体育照明设计效果的提升。

3)LED 体育照明灯具的小型化。与传统双端HID光源的灯具比较，由于芯片功率的限制以及LED 散热的要求，目前专业LED体育照明灯具的外形体积均较大，重量很重，严重影响其在替换市场的应用。需要尽快减小灯具体积，减轻重量。

4) LED体育照明灯具效能的提高。目前大功率专业LED体育照明灯具的效能刚刚突破90 lm/W，与传统HID灯具比较，节能比例有限，而与目前其他行业的LED灯具效能相比较，效能差距更大大，因此近几年节能效果的局限性已经限制了专业LED体育照明灯具的普及应用。所以需要通过科技研发，不断提升产品效能，同时更要注意此类大功率LED灯具在不同环境温度下工作时发光光通量的稳定，尤其保证高温环境下的稳定光输出。

4 结语

照明专业化、设备智能化、场景娱乐化将是全球专业体育照明发展的方向。体育照明将大大超越传统意义上的灯光，体育照明可以为运动员创造最佳成绩提供最好的照明环境，还可以为全球最高质量的电视转播提供最专业、一致的转播照明效果，更可以通过更智能化的设备、控制系统和管理系统，整合其他体育场馆设施，实现沉浸式的场景娱乐化，帮助场馆更高效的运营，以推动体育场馆的高效运营和可持续发展。