虛擬現(xiàn)實技術(shù)與虛擬局域網(wǎng)技術(shù)在舞臺機械控制中的應(yīng)用

盛 敏

（浙江大豐實業(yè)有限公司，浙江 余姚 315400）

1 前言

在常規(guī)的舞臺控制結(jié)構(gòu)中，編導(dǎo)或相關(guān)人員通過“人機接口模塊”借助于工業(yè)以太網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)演出或相關(guān)要求，通過PLC（可編程控制器）等控制器對舞臺機械，包括臺上、臺下設(shè)備進(jìn)行操縱，以達(dá)到預(yù)先設(shè)想的設(shè)備運行結(jié)果。

“人機接口模塊”是舞臺設(shè)備運行的起點，它對用戶屏蔽了底層設(shè)備的細(xì)節(jié)，比如設(shè)備采用伺服電機還是步進(jìn)電機，又或者控制單元為PLC還是軸控制器。它是溝通用戶和舞臺設(shè)備的橋梁，因此，如何讓用戶在已有的舞臺設(shè)備上盡可能地忽略掉舞臺設(shè)備本身的操作，充分發(fā)揮其藝術(shù)想象力，將舞臺機械效能發(fā)揮到最大，是人機接口模塊的主要功能，也是浙江大豐實業(yè)有限公司（以下簡稱“大豐公司”）將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入到舞臺機械控制的重要原因。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)起源于20世紀(jì)30年代，但因為受軟硬件的技術(shù)限制，在80年代才真正發(fā)展起來，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于教育培訓(xùn)、文化娛樂等多種行業(yè)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的功能是讓用戶在虛擬環(huán)境下模擬、學(xué)習(xí)、推演真實場景的變化。相信隨著技術(shù)的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實技術(shù)會越來越多地介入人類生活。

在國內(nèi)，“大豐公司”首先將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于舞臺機械控制，并在舞臺遠(yuǎn)程控制方面進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計。本文介紹這兩項技術(shù)的特點及其在舞臺機械控制中的應(yīng)用。

2 舞臺機械控制中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點及功能

在實時渲染模塊部分，設(shè)計之初是為了應(yīng)用設(shè)計模式理念，為技術(shù)升級和改進(jìn)提供原初支持。實時渲染模塊以接口驅(qū)動設(shè)計，做到了整體設(shè)計的模塊化、靈活化，為第三方模塊未來的接入提供底層支持，并且對DirectX及OpenGL接口提供內(nèi)建支持。在最新的改進(jìn)中，又增加了物理引擎模塊，實現(xiàn)對英偉達(dá)公司物理引擎physx的全面支持，做到虛擬場景對各種基本物理現(xiàn)象的模擬，并且輕松經(jīng)受碰撞檢測。

實時渲染模塊主體框架結(jié)構(gòu)分4部分：

（1）根節(jié)點模塊，它是全部工作的組織者和管理者。

（2）場景管理模塊，它是場景的管理者和組織者，負(fù)責(zé)全部場景的所有細(xì)節(jié)。

（3）資源管理模塊，它管理和組織所有渲染所需的資源，如模型幾何體、材質(zhì)庫等。

（4）渲染模塊，它負(fù)責(zé)將最終圖像投射到屏幕上，將所有渲染管線底層接口封裝在其中。

圖形技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)中最重要的部分，主要包括3個方面：

（1）場景的幾何組織與優(yōu)化，著重于提高繪制效率。

（2）場景的畫面真實度與特效生成技術(shù)，包括高級紋理映射、過程式建模等。

（3）基于真實物理定律的虛擬效果模擬，主要是陰影模擬和碰撞檢測。

因此，對于圖形技術(shù)，常規(guī)的場景組織與管理主要涉及：場景的幾何優(yōu)化及三維場景的快速可見性判斷與消隱。

場景管理常用方法：基于場景圖的表達(dá)和管理；基于繪制狀態(tài)分類；基于場景包圍體的場景組織。

“大豐公司”創(chuàng)建了一種新的場景管理方法來處理場景管理問題。首先，利用空間均勻網(wǎng)格剖分方法將場景剖分為均勻網(wǎng)格，此方法最早運用于三維模擬的光線跟蹤計算，此后有多個變種出現(xiàn)。然后，將以每個網(wǎng)格為中心拍攝的場景全景圖存儲在此網(wǎng)格中。此處的全景圖并非攝影意義上的全景圖：其一，它是抽象的，是場景中所有模型包圍體的全景圖；其二，它只是一種數(shù)據(jù)儲存結(jié)構(gòu)，存儲了以該點為中心的所有物體空間信息及遮擋關(guān)系。

采用此方法的原因主要是：

（1）存儲介質(zhì)價格下降，容量提升。

（2）場景模型在所有場景內(nèi)容中占比僅為幾十分之一。

（3）采用模型包圍體技術(shù)后，場景模型所需的存儲容量再呈幾何級數(shù)下降。

其中，采用空間均勻網(wǎng)格剖分方法的原因有二：

（1）利于全景圖重構(gòu)，因為場景并非全由靜態(tài)模型組成。

（2）場景中的幾何組織與可見性判斷僅需要簡單的計算即可完成，其主要工作變?yōu)樽x取全景圖預(yù)存信息，計算費用大大減少。

當(dāng)然，采用這種管理方法也要付出一定代價：存儲耗費和全景圖重構(gòu)。但因為上述原因， 存儲費用增加對一般場景是可以承受的，并且因為運動模型數(shù)量占一定比例，全景圖的重構(gòu)也僅為部分重構(gòu)，因此，對比其計算費用的減小，這部分代價對于充分使用需要實時渲染的虛擬現(xiàn)實技術(shù)是值得付出的。

目前此方法的技術(shù)難點有兩個：一個是空間網(wǎng)格的粒度；二是全景圖的構(gòu)建技術(shù)。

此方法的技術(shù)特點為：

（1）將遮擋計算等結(jié)果存儲于全景圖。

（2）將實時計算轉(zhuǎn)化為實時讀取。

（3）特別適合于大量靜態(tài)模型場景。

對于虛擬現(xiàn)實部分實行了控件封裝技術(shù)，可以輕松實現(xiàn)場景替換以及模型引入。

在應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)后，控制軟件增加了這些功能：增強的監(jiān)視及控制接口；導(dǎo)演編輯及預(yù)覽；舞臺設(shè)備的仿真運行。

目前，“大豐公司”虛擬現(xiàn)實技術(shù)所支持的高級顯示特效包括：柔和光影支持、High Dynamic Range（HDR）支持、Specular Bloom支持、normal mapping支持、Motion blur支持、Volumetric lighting支持。

對虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行測試，測試參數(shù)：

（1）80萬以上多邊形面支持；

（2） CPU：Inter Pentium(R) Dual E2140 @ 1.60 GHz、內(nèi)存 1 GB；

（3）顯卡：NVIDIA GeForce 8500GT；

（4）屏幕分辨率：1 280×1 024。

測試結(jié)果：

平均占用CPU小于10%的情況下（不超峰值過20%），可以穩(wěn)定達(dá)到刷新率24幀/秒，顯示效果如圖1所示。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在舞臺機械控制中的應(yīng)用實例可參見2008年第5期《演藝設(shè)備與科技》雜志的《虛擬現(xiàn)實技術(shù)在舞臺控制的應(yīng)用及前景》一文。

3 虛擬局域網(wǎng)技術(shù)的特點及功能

虛擬局域網(wǎng)技術(shù)最早是為了解決交換機在進(jìn)行局域網(wǎng)互連時無法限制廣播的問題，目前，很多跨國公司將此技術(shù)與動態(tài)密碼技術(shù)相結(jié)合，來實現(xiàn)員工在互聯(lián)網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)間的安全聯(lián)接。

虛擬局域網(wǎng)技術(shù)優(yōu)點有：廣播控制；安全性高；性能優(yōu)越；網(wǎng)絡(luò)管理。

舉例來說，在某虛擬局域網(wǎng)中，如果存在VLAN 1和VLAN2，VLAN2中的計算機無論在哪個網(wǎng)段都只能在本虛擬局域網(wǎng)中進(jìn)行廣播，無法聯(lián)接至VLAN1。但不同網(wǎng)段中的計算機可以借助于交換機，形成跨網(wǎng)段的VLAN。圖2為虛擬局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

舞臺遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的，是為了監(jiān)視遠(yuǎn)端劇院系統(tǒng)、診斷遠(yuǎn)端劇院系統(tǒng)的故障以及對遠(yuǎn)端劇院系統(tǒng)進(jìn)行控制。目前，現(xiàn)有的舞臺安全標(biāo)準(zhǔn)還不允許在劇院實現(xiàn)遠(yuǎn)端系統(tǒng)控制?！按筘S公司”設(shè)計了新的舞臺遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，開始應(yīng)用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)這一功能。

對于設(shè)計劇院舞臺監(jiān)控虛擬局域網(wǎng)技術(shù)，安全性是首要的考慮因素。虛擬局域網(wǎng)技術(shù)所應(yīng)用的技術(shù)有如下安全優(yōu)點：被監(jiān)控對象的IP網(wǎng)段，僅有相關(guān)人員可以得到，無關(guān)人員無法借助非物理手段獲?。徊捎梅旨壍姆?wù)器密鑰驗證；采用分級的被監(jiān)控對象密鑰再驗證；最終的防線在于人工干預(yù)，它使得監(jiān)控僅在約定時段可運行，因此網(wǎng)絡(luò)安全性得到極大的保障。

虛擬局域網(wǎng)技術(shù)還可以同時實現(xiàn)靈活的舞臺監(jiān)控，包括單獨的監(jiān)視、完全意義的監(jiān)視與控制以及相關(guān)的監(jiān)控模塊應(yīng)用安排，比如加載視頻監(jiān)視等。

“大豐公司”已在多個劇院實現(xiàn)了虛擬局域網(wǎng)技術(shù)功能，解決了維護(hù)人員流動性大帶來的安全隱患，還解決了一些國外合作技術(shù)問題，如果俄羅斯、印度、哈薩克斯坦等國家的劇院舞臺機械項目出現(xiàn)問題，“大豐公司”可在第一時間進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)。

4 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)與虛擬局域網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控兩項技術(shù)均與底層設(shè)備不相關(guān)，即與機械結(jié)構(gòu)和控制策略都不相關(guān)。此外，虛擬局域網(wǎng)還可以為劇院系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)提供安全保障，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景廣闊，相信不久也會走入舞臺劇院。從某種意義上來說，舞臺設(shè)備監(jiān)控現(xiàn)在已經(jīng)涉及到了物聯(lián)網(wǎng)在舞臺劇院的基本應(yīng)用，比如無線車臺的遠(yuǎn)程監(jiān)控。