一種新型特種影視——仿真式體驗影院的研制

劉勇+潘小龍+柴挺川+李紅紅+李剛

摘 要 本研究題目為一種新型的特種影視——仿真式體驗影院。該影院為七自由度高速運動的動感體驗影院。同時具有4D影院、動感影院、過山車影院、XD影院的所有功能，能夠逼真地模擬出高速快艇、高速越野車輛、飛船等運行效果，屬國際首創(chuàng)。

關鍵詞 特種影視；仿真式體驗影院；7自由度平臺

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）166-0117-03

仿真式體驗影院是一種全新的特種影院，集4D影院、七自由度平臺、高轉向、大型機械控制、現(xiàn)場特效等多種高科技手段于一身，能夠逼真地模擬出高速快艇、高速越野車輛、飛船等運行效果。從娛樂上能給游客帶來更加震撼更加刺激的特種影視產品，代表了現(xiàn)代娛樂業(yè)的最新水平。

1 背景資料

特種影視系統(tǒng)[1]是指在特種的應用場所（非傳統(tǒng)的影院、劇場）用特種傳播設備來放映的特種影片（節(jié)目）的系統(tǒng)，其包括五大類約十幾種類的影院系統(tǒng)（3D影院、4D影院、XD影院、飛行影院、真人表演的沉浸式影院、球幕影院、巨幕影院、動感影院、全息音響劇場等）。特種影視系統(tǒng)在國內外近年來得以快速應用。

由于特種影視的“技術+藝術”的復合特征使得該行業(yè)技術門檻高、投資大。我國的特種影視的系統(tǒng)起步晚，原創(chuàng)少，導致大量的中高檔市場主要被幾家國外大公司壟斷。在我國，特種影視業(yè)的發(fā)展嚴重落后，大學無專業(yè)，技術無標準，遠遠滯后于巨大的市場需求。因此研發(fā)具有自主知識產權的核心技術和產品就變得十分迫切。

現(xiàn)有傳統(tǒng)的4D電影的動感座椅只有上下、搖擺、翻滾3個自由度；其只能模擬具有這種3個自由度運動的簡單場景；市場上還有一種采用六自由度平臺[2-4]的動感影院，其具有前后、左右、上下、搖擺、翻滾、偏航進行六自由度運動，可以模擬較為復雜的運動場景，但對于模高速快艇、高速越野車輛、飛船等運行效果的場景來說，其運動軌跡不僅需要前后、左右、上下、搖擺、翻滾、偏航進行六自由度運動，還需要平臺在六自由度運動的同時能夠進行≥360°高速旋轉運動。目前的4D電影和動感影院系統(tǒng)都不能實現(xiàn)該效果。因此，開發(fā)一款能夠模擬類似激流勇進的具有這種七自由度體驗平臺的仿真式體驗影院就具有重要的商業(yè)價值及研究意義。

2 技術方案

2.1 設計要求

本開發(fā)所要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術現(xiàn)狀而提供一種適合模擬激流勇進的具有7自由度體驗平臺的仿真式體驗影院，其設計要求如下：

1）模擬的場景為新西蘭激流勇進的場景：游艇在峽谷漂流的場景。

2）體驗平臺為快速360°旋轉的7自由度平臺：能夠實現(xiàn)前后、左右、上下、搖擺、翻滾、偏航及360°旋轉。

3）環(huán)境特效系統(tǒng)，能根據(jù)影片情節(jié)實時模擬出風、水、霧、閃電等特效及音效效果，以仿真出真實的環(huán)境。

4）本影院適合多人參與，參與人數(shù)4～16人。

5）影片采用3D影片。播放設備能夠播放3D影片。

6）安全保護要求：包括故障檢測、運行檢測、電氣安全保護和緊急停止功能。

7）兼容性：兼容4D影院、XD影院和過山車影院。

2.2 體驗式影院的架構及組成

根據(jù)以上設計要求，我們按照三特的特性進行設計。如下圖1為體驗式影院的框架圖，主要由特種場所（影院建筑部分及環(huán)境搭建）、特種設備（七自由度體驗平臺、影片播放系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、特效系統(tǒng)等）、特種影片組成。

2.2.1 特種場所

首先影院需要一個播放及運營的場所，該場所跟普通的影院不同。其建筑內部分隔成2個空間，一個為進場通道，另一個為觀影間。觀影間內部可以根據(jù)影片具體要表現(xiàn)的內容而裝飾模擬成不同的場景，觀影間內置有360°旋轉的七自由度平臺，觀影間內位于七自由度平臺的前方設有屏幕，觀影間設有影片播放系統(tǒng)，觀影間內還配置不同的音響系統(tǒng)，觀眾通過進場通道的機構進入到體驗平臺。根據(jù)情景觀影間內的不同空間內設有特效設備，七自由度平臺、影片播放系統(tǒng)、特效系統(tǒng)的控制部分放置在設備間內。

2.2.2 特種設備

1）7自由度體驗平臺。七自由度體驗平臺由七自由度平臺和座艙組成。其中的七自由度平臺是在六自由度平臺的上面增加了一個360°旋轉的平臺，如圖2所示。該旋轉平臺由伺服電機驅動而相對六自由度平臺進行360°旋轉，旋轉平臺的旋轉平面與六自由度平臺的上平臺平行，這樣該七自由度平臺不僅具有傳統(tǒng)六自由度平臺在前后、左右、上下、搖擺、翻滾、偏航進行運動的自由度，還增加一個≥360°快速旋轉的自由度，故該平臺結構適合逼真模擬如激流勇進等需要旋轉的多種驚險刺激的電影場景。座艙為觀眾參與體驗的場所，其固定在七自由度平臺之上，座艙內安裝有16把專用座椅，座椅設有安全帶及扶手。

平臺控制系統(tǒng)由伺服運動控制器、信號調理單元、控制計算機及控制軟件組成。伺服運動控制器和信號調理單元安裝在控制柜中，是七自由度平臺控制系統(tǒng)的核心，它是一種高性能閉環(huán)實時控制系統(tǒng)。

2）3D影片播放系統(tǒng)。采用被動立體播放方式。影片播放系統(tǒng)可兼容播放2D、3D和4D影片。播放系統(tǒng)包括播放計算機、投影機、偏振系統(tǒng)、金屬銀幕、眼鏡。金屬銀幕采用增益≥2.4的金屬銀幕。

3）音響系統(tǒng)。包括位于屏幕左右兩側上部的2個主音箱、位于屏幕頂部中間位置的中置音箱、位于屏幕底部中間位置的低音音箱，及位于隔墻后側左右上部的環(huán)繞音箱。該音箱布局方式使得影院5.1音響效果極佳，現(xiàn)場感極強。

4）特效系統(tǒng)。特效系統(tǒng)由模擬風、水、霧、閃電等特效設備以及特效控制柜組成。也可以根據(jù)影片及環(huán)境內容增加或減少特效設備。

2.2.3 特種影片

采用了實拍加后期三維處理的制作方法，輸出為3D影片。

2.2.4 安全方面

1）平臺安全方面：平臺的安全保護要求包括故障檢測、運行檢測、電氣安全保護和緊急停止功能。

故障檢測：平臺啟動時，系統(tǒng)自動對主要部件進行檢測，發(fā)現(xiàn)故障時通過屏幕或聲音報警，經處置后方可運行。在平臺運行中系統(tǒng)實時檢測，當檢測到故障時切入安全保護模式。

運行檢測：平臺運行平順、連續(xù)，無尖點、跳躍和非正常抖動等現(xiàn)象，不會出現(xiàn)惡性沖擊。平臺在運行過程中，可實時檢測電動缸行程，對于行程極限、速度極限、加速度極限以及可能出現(xiàn)的不良沖擊實行限位和保護。

電氣安全保護：具有過載保護、過流保護、過壓保護和短路保護，若電源故障突然斷電時，伺服電機可自動抱閘，使平臺保持現(xiàn)有姿態(tài)靜止，防止惡性沖擊。恢復供電重新啟動后保證可正常工作。

緊急停止功能：平臺設置“緊急停止”功能，一旦實施緊急停止，則運動平臺即刻停止運動，保持現(xiàn)有姿態(tài)靜止

2）艙體安全：座椅設計有安全帶及扶手；艙體除船頭外其他三面裝有欄桿。

3）通道安全：登艙機構的通道兩邊裝有欄桿扶手，且當節(jié)目播放平臺運行時，登艙機構升起，擋在入口上，防止平臺運行時其他的人進入觀影間，從機構上起到安全防護作用。

3 實驗結果

在公司里進行了體驗式影院的研制及實驗。旋轉的7自由度平臺采用以下表1所示運動數(shù)據(jù)。

根據(jù)現(xiàn)場場地的實際情況，場景采用了手繪的方式繪出峽谷兩岸的場景，投影幕采用了微弧幕，投影機采用了8 500流明的全高清可實現(xiàn)單機立體的投影機，采用被動立體播放形式，偏振系統(tǒng)和眼鏡采用了圓偏；特效根據(jù)影片的特點添加了風機、噴水霧、頻閃燈以及燈光特效；動力伺服機構采用了松下的伺服電機及伺服驅動器；運動控制器采用了一套專用的運動控制器；影片采用實拍國外激流勇進的場景進行后期處理而成。如圖3～6為不同姿態(tài)下的實拍照片。

從該影院開放以來，至今已有300人左右的客戶體驗，從客戶反饋意見統(tǒng)計，98%以上的客戶反饋效果不錯，達到了很好的效果，取得了預期效果。

4 結論

經過該影院的實驗、實際體驗效果及客戶的反饋情況，得出如下結論：

1）該仿真式體驗影院為國內外首創(chuàng)，為特種影視填增了一個新的成員。

2）本仿真式體驗影院分隔成2個獨立空間，一個為專門的觀影間，一個為供觀眾出入的進場通道，影院布局合理，很好地模擬了峽谷漂流的場景。

3）七自由平臺能夠實現(xiàn)前后、左右、上下、搖擺、翻滾、偏航及360°旋轉，很好地模擬了游艇在峽谷中穿越的運動軌跡，滿足了體驗式影院的要求，讓觀眾不僅有動感的感覺，還直接體驗到自己心跳加速、熱血沸騰的感受，達到了預想目的。

4）影院設有環(huán)境特效系統(tǒng)，能根據(jù)影片情節(jié)實時模擬出風、水、霧、閃電等特效及音效效果，以仿真出真實的激流勇進環(huán)境，具有很強的沉浸感及刺激感，讓觀眾如身臨其境。

5）該影院可以很容易地移入互動射擊的內容，可以很好的兼容XD影院、3D、4D、XD、過山車影院，做到一舉多得，一次投資，多重收益。

6）從市場反饋來看，該體驗式影院具有很好的推廣意義及市場前景。

參考文獻

[1]李剛.特種影視系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向.2012甬港特種影視合作論壇發(fā)言，2012.

[2]魏春雨，周曉軍.基于Vortex的6自由度平臺洗出運動仿真[J].浙江大學學報：工學版，2012，46（8）：1390-1396.

[3]劉芳華，李濱城.6自由度船舶搖擺平臺無奇異工作空間的分析[J].江蘇大學學報：自然科學版，2012，33（6）：649-653.

[4]趙潔修.Stewart六自由度動感平臺結構優(yōu)化設計[J].機械工程與自動化，2014（5）：11-13.