淺析虛擬舞臺中的交互式舞臺燈光排演系統(tǒng)

杜錦　陳洋　趙海同

內(nèi)容提要：交互式舞臺燈光排演系統(tǒng)以三維仿真引擎為平臺，通過虛擬視覺呈現(xiàn)與人機交互技術(shù)，實現(xiàn)對舞臺燈光投射圖案、旋轉(zhuǎn)角度、切換顏色、調(diào)節(jié)光束角、線性調(diào)光、空間定位等功能模塊的控制，并且制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，構(gòu)建舞臺燈光視覺效果協(xié)同控制模塊，實現(xiàn)舞臺燈光排演的技術(shù)創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：仿真引擎、人機交互、燈光排演、協(xié)同控制

舞臺燈光也叫“舞臺照明”，是舞臺美術(shù)造型手段之一。舞臺燈光是演出空間構(gòu)成的重要組成部分，是根據(jù)情節(jié)的發(fā)展對人物以及所需的特定場景進行全方位的視覺與燈光設(shè)計，并有目的地將設(shè)計意圖以視覺形象的方式再現(xiàn)給觀眾的藝術(shù)創(chuàng)作。

如今，舞臺藝術(shù)的發(fā)展越來越離不開舞臺燈光的支持。舞臺燈光的千變?nèi)f化能夠帶給觀眾新奇、獨特乃至震撼的視覺效果，因而舞臺節(jié)目的導演越來越重視舞臺燈光的應(yīng)用，舞臺燈光的效果已經(jīng)成為衡量某些大型舞臺作品演出是否成功的重要依據(jù)。然而，傳統(tǒng)的燈光排演系統(tǒng)仍然存在許多需要改進的地方。現(xiàn)有的控制系統(tǒng)或方法由于其自身存在不同特點和缺陷，因此需要找出面向整個舞臺燈光系統(tǒng)的排演架構(gòu)及控制方法。

為了解決上述問題，圍繞增強舞臺視覺表現(xiàn)力的具體需求，交互式舞臺燈光排演系統(tǒng)以三維仿真引擎為平臺，通過虛擬視覺呈現(xiàn)與人機交互技術(shù)實現(xiàn)對舞臺燈光投射圖案、旋轉(zhuǎn)角度、切換顏色、調(diào)節(jié)光束角、線性調(diào)光、空間定位等功能模塊的控制，并且制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，構(gòu)建舞臺燈光視覺效果的協(xié)同控制模塊，實現(xiàn)舞臺燈光排演的技術(shù)創(chuàng)新。

一.交互式舞臺燈光排演系統(tǒng)的特點及架構(gòu)

1.系統(tǒng)特點

交互式舞臺燈光排演系統(tǒng)充分利用了計算機仿真技術(shù)、實時渲染技術(shù)以及人機交互技術(shù)。該系統(tǒng)以三維仿真引擎數(shù)據(jù)解算模塊為核心，通過交互控制臺實現(xiàn)對舞臺燈光類型和屬性的選擇及調(diào)整，并且通過外部控制設(shè)備和參數(shù)設(shè)定方式實現(xiàn)對燈光的實時控制，根據(jù)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口將數(shù)據(jù)傳輸給舞臺機械，實現(xiàn)仿真系統(tǒng)與舞臺機械的協(xié)同控制。系統(tǒng)可以根據(jù)舞美創(chuàng)意或者后期制作需求采用2D/3D兩種模式實現(xiàn)畫面幀序列的無損輸出，實現(xiàn)舞臺燈光排演效果的錄制與回放。

本系統(tǒng)能夠在正式演出前進行舞臺燈光綜合排演，為正式演出提供可視化的舞臺燈光效果和依據(jù)，降低了人力物力和時間成本，避免資源浪費，提高工作效率。

2.系統(tǒng)架構(gòu)

交互式舞臺燈光排演系統(tǒng)包括：交互控制模塊、數(shù)據(jù)解算模塊、輸出模塊。（如圖1所示）

（1）交互控制模塊

交互控制模塊使用UI交互控制平臺制作軟件創(chuàng)建屏幕UI控制臺，通過將描述UI交互控制臺的引擎可讀取的特定格式文件導入到三維仿真引擎中，在引擎中構(gòu)建一個UI交互控制平臺。通過代碼實現(xiàn)的方式創(chuàng)建UI控制節(jié)點并描述其與外部控制器設(shè)備之間的邏輯關(guān)系，由此實現(xiàn)對屏幕的UI控制臺的操作；UI多級下拉菜單中包含各類舞臺燈光，例如：常規(guī)舞臺燈光、電腦舞臺燈光、LED舞臺燈。針對舞臺上已加載的燈光，選中后可在UI交互平臺下拉菜單中進行屬性變換，編寫屬性變換節(jié)點，通過在按鈕上綁定該節(jié)點及選擇要替代的節(jié)點實現(xiàn)屬性轉(zhuǎn)換。

舞臺燈加載完畢后需要對舞臺燈的各類參數(shù)進行控制，控制方法可分為兩種：一種是外部控制方法，這種方法適用于需要精確控制的燈光效果，通過鍵盤、搖桿類外部手持設(shè)備或者其他專業(yè)控制設(shè)備精確設(shè)定參數(shù)信息，實現(xiàn)舞臺燈的旋轉(zhuǎn)、仰角等諸多動作；另一種是數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，該方法適用于舞臺劇、演唱會、晚會等需要從頭至尾觀看節(jié)目整體效果，并可以進行回放以調(diào)整參數(shù)信息的舞臺藝術(shù)類型。此外，通過外部控制方法進行調(diào)整的參數(shù)信息可以編寫為預(yù)設(shè)格式文本，從而通過數(shù)據(jù)驅(qū)動模塊進行讀取。

（2）數(shù)據(jù)解算模塊

數(shù)據(jù)解算模塊是指三維仿真引擎對舞臺燈光各類參數(shù)變化過程的描述。通過將外部控制設(shè)備在三維圖形仿真引擎中注冊并初始化，可以實現(xiàn)外部控制設(shè)備和三維圖形仿真引擎的交互。系統(tǒng)每次更新都調(diào)用輸入函數(shù)和監(jiān)聽函數(shù)，可實現(xiàn)對控制設(shè)備的各個軸向產(chǎn)生數(shù)據(jù)的監(jiān)聽和解算。在外部控制設(shè)備對舞臺燈光的控制中，加入防止誤差的機制。將外部輸入設(shè)備數(shù)據(jù)臨界值變?yōu)榕R界區(qū)間，再將臨界區(qū)間以外的數(shù)值通過插值的方式對應(yīng)到原有的區(qū)間。對外部輸入設(shè)備控制數(shù)據(jù)的優(yōu)化，可以降低輸入設(shè)備的靈敏度，以便實現(xiàn)對舞臺燈光的精確控制。將舞臺燈光內(nèi)外參數(shù)的變化轉(zhuǎn)化為舞臺燈光的角度、顏色、光束角、亮度、位置等常用變量的變化，并且通過三維仿真引擎實時渲染舞臺燈光的變化效果。

（3）輸出模塊

輸出模塊包括2D/3D渲染幀序列和機械控制兩部分，渲染幀序列是三維仿真引擎實時渲染出舞臺燈光排演效果，可以采用2D/3D兩種模式實現(xiàn)畫面的無損輸出。燈光機械控制部分通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，對燈光的角度、顏色、光束角、亮度、位置等數(shù)據(jù)格式進行定義，使得仿真系統(tǒng)與舞臺機械實現(xiàn)數(shù)據(jù)對接，通過交互控制模塊得到的燈光排演數(shù)據(jù)直接對舞臺燈光機械進行驅(qū)動。即輸出模塊可使舞美創(chuàng)意人員大大縮短工作時間，提高工作效率。

二.交互式舞臺燈光排演系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)

1.UI界面

交互控制臺通過Adobe Flash創(chuàng)建屏幕UI控制界面。按鈕圖片需要在圖像處理軟件中制作完成并導入Adobe Flash中，而所有按鈕效果例如菜單打開、隱藏、按鍵效果、選中效果、下拉菜單、拖條上的小滑塊滑動效果等全部都由Action Script代碼直接編寫動作代碼實現(xiàn)。

通過點擊一級菜單中的相應(yīng)按鈕可以打開二級菜單。此部分下拉菜單效果由AS在動作指令中編寫，生成所對應(yīng)的XML文件由三維仿真引擎讀取。XML中需要定義的UI交互控制臺的名字、鼠標效果、光標、UI交互界面需要顯示的位置以及圖片和模型庫中模型的鎖定。

舞臺燈光顏色可通過調(diào)節(jié)紅色滑條、綠色滑條、藍色滑條來調(diào)節(jié)燈光中的紅、綠、藍的成分，從而調(diào)節(jié)混合光的顏色。

2.燈光控制技術(shù)的實現(xiàn)

在三維引擎中，物體的姿態(tài)由歐拉角表示，通過每幀對歐拉角的調(diào)整，可實現(xiàn)對實體旋轉(zhuǎn)的控制。在旋轉(zhuǎn)控制節(jié)點中，實體旋轉(zhuǎn)的速度由三維向量（x，y，z）表示，其中x表示沿實體自身坐標系的X軸旋轉(zhuǎn)，y表示沿實體自身坐標系的Y軸旋轉(zhuǎn)，z表示沿實體自身坐標系的Z軸旋轉(zhuǎn)。對于需要一直旋轉(zhuǎn)的物體，采用按照一定的速度旋轉(zhuǎn)的方式，直到狀態(tài)發(fā)生改變。對于需要旋轉(zhuǎn)到目的姿態(tài)的實體，有兩種實現(xiàn)方式，一種是按照一定速度運動到目的姿態(tài)，另一種是在指定的時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)到目的姿態(tài)。此兩種方式的區(qū)別為：第一種是完全通過交互式操作實現(xiàn)燈光的選擇及旋轉(zhuǎn)；第二種則是預(yù)先在流圖內(nèi)設(shè)定好特定燈光在特定時間的特定旋轉(zhuǎn)角度。也就是說，第一種是不帶參數(shù)的旋轉(zhuǎn)，第二種則是帶參數(shù)的旋轉(zhuǎn)。兩種方式均是通過流圖實現(xiàn)，需要編寫兩種旋轉(zhuǎn)節(jié)點并通過按鍵觸發(fā)節(jié)點，觸發(fā)節(jié)點后連接已編寫的旋轉(zhuǎn)節(jié)點，從而達到通過按鍵調(diào)節(jié)燈進行旋轉(zhuǎn)的目的。

實現(xiàn)燈光亮度的變換是通過調(diào)節(jié)UI交互界面上的燈光滑條上的滑塊實現(xiàn)的，首先在燈光菜單中選擇需要調(diào)節(jié)的燈光種類，選定后通過亮度滑條上的滑塊調(diào)節(jié)燈光亮度。此部分調(diào)節(jié)實現(xiàn)是通過流圖綁定，將各類燈光觸發(fā)節(jié)點綁定在燈光二級菜單的各類燈光按鍵上，選中即觸發(fā)燈光節(jié)點。觸發(fā)節(jié)點后連接亮度節(jié)點，同時亮度滑塊綁定亮度節(jié)點，使用小滑塊對亮度進行調(diào)節(jié)，至此實現(xiàn)燈光亮度的變換。

燈光控制類圖如圖2所示：

燈光顏色的變換是通過調(diào)節(jié)UI交互界面上的燈光滑條上的滑塊實現(xiàn)的。首先，需要在燈光菜單中選擇需要調(diào)節(jié)的燈光種類，選定后通過亮度滑條上的滑塊調(diào)節(jié)燈光亮度。此部分調(diào)節(jié)的實現(xiàn)是通過流圖綁定，將各類燈光觸發(fā)節(jié)點綁定在燈光二級菜單的各類燈光按鍵上，選中即觸發(fā)燈光節(jié)點。由于每種顏色都可以分解為紅、綠、藍三色，故燈光顏色調(diào)節(jié)通過RGB色度系統(tǒng)調(diào)節(jié)各種燈光的顏色。觸發(fā)節(jié)點后要連接RGB輸入口，即Diffuse Color接入口，此接入口數(shù)據(jù)類型為（R，G，B）類型，同時顏色滑塊綁定RGB入口，使用RGB小滑塊分別對紅、綠、藍三種顏色進行亮度調(diào)節(jié)，從而得到不同顏色的燈光。

追光燈的實現(xiàn)需要一直朝向目的物體，這是需要對實體的朝向控制，朝向控制通過目標位置Ptarget和自身位置Pres，求出方向向量Dir=Ptarget-Pres，將實體朝向設(shè)置為歸一化的方向向量Dirnorm。若要實現(xiàn)追蹤定位，需要用C++編寫流圖節(jié)點，節(jié)點中包含實體坐標，完成目標位置定位，燈光通過朝向控制直接對準需要定位的實體，從而完成燈光的定位追蹤。

三.交互式舞臺燈光排演系統(tǒng)的應(yīng)用案例

1.歌劇《齊格弗里德》的應(yīng)用案例

圖3-圖7展示了交互式舞臺燈光排演系統(tǒng)在歌劇《齊格弗里德》排演過程中的應(yīng)用。圖3是沒有進行燈光調(diào)節(jié)的效果，圖4是對舞臺中景進行燈光控制的效果，圖5是對舞臺后景進行燈光控制的效果，圖6是對舞臺全局進行燈光控制的效果，圖7是對舞臺的電腦燈進行燈光色彩控制的效果圖。

為了配合歌劇劇情發(fā)展的需要，燈光的不同照明位置和亮度也會發(fā)生相應(yīng)變化，從而達到烘托和渲染故事情節(jié)，揭示主人公內(nèi)心世界的目的。

2.2014年央視春晚舞美創(chuàng)意的應(yīng)用案例

圖8-圖11展示了交互式舞臺燈光排演系統(tǒng)在2014年中央電視臺春節(jié)聯(lián)歡晚會中的應(yīng)用。圖8是沒有舞臺燈光只有LED屏幕視頻下的整體舞臺效果圖，圖9是對舞臺電腦燈的運動進行控制的效果圖，圖10是對電腦燈進行動態(tài)開關(guān)和光色同步控制的效果，圖11是對電腦燈進行光色控制的效果。

總之，該系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比，在舞美創(chuàng)意編排與機械協(xié)同控制方面都提高了一個新的層次，從而真正體現(xiàn)出數(shù)字表演這一概念的實用性和科學性，為未來舞臺的仿真研究奠定了可靠的技術(shù)支持并具有深刻的指導意義。因此，對虛擬舞臺的燈光模塊進行交互式創(chuàng)排研究將在未來的舞臺表演領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和商業(yè)價值。