基于智能化云臺(tái)的舞臺(tái)多媒體綜合投影系統(tǒng)

張敬平 朱佳靜

【摘要】提出舞臺(tái)多媒體綜合系統(tǒng)解決方案，設(shè)計(jì)智能化云臺(tái)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)投影機(jī)的投影黑場、調(diào)焦、轉(zhuǎn)向等功能的控制，滿足多元化的演出和欣賞的需求。

【關(guān)鍵詞】智能化云臺(tái);舞臺(tái)多媒4g;多媒體綜合投影系統(tǒng)

文章編號(hào)：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.10.012

按文化部《中國文化文物統(tǒng)計(jì)年鑒》的統(tǒng)計(jì)，2017年，全國藝術(shù)表演場館2455個(gè)，從業(yè)人員53765，觀眾人次13453.80萬人，藝術(shù)演出觀眾3234.22萬人次?？梢娦蕾p舞臺(tái)表演仍然是當(dāng)前觀眾喜聞樂見的一種娛樂方式。相比于單一選擇的劇院電影，戲劇舞臺(tái)表演使觀眾有更多的參與感，所以，這種表演方式在當(dāng)今依然有大量追隨者。隨著視角的多元化，其他媒介方式的滲透，人們藝術(shù)品位的不斷提升，無論是觀眾還是戲劇研究人員越來越不滿足于傳統(tǒng)的舞臺(tái)表現(xiàn)形式，并都意識(shí)到戲劇要與時(shí)俱進(jìn)。

為滿足觀眾文化新需求，戲劇界的專業(yè)人士在不斷探索一些新的方式方法，以求將聲光影效果融入到舞臺(tái)的戲劇表演中。但通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，目前大多數(shù)研究主要把精力放在了聲光效果的改進(jìn)上。如果在此基礎(chǔ)上，還要能實(shí)現(xiàn)多聲源、多光源的集中控制、同步完成操作，這就需一種基于全新智能云臺(tái)的舞臺(tái)多媒體綜合投影系統(tǒng)（stage Multimedia Integrated Projection System），具有一個(gè)集中“控制中心”（Control Center），每個(gè)聲、光設(shè)備都是可控的，可以由“控制中心”統(tǒng)一向各聲、光設(shè)備發(fā)出指令，各設(shè)備在接到指令后作出響應(yīng)，達(dá)到“多位一體，協(xié)調(diào)如一”的操控效果。同時(shí)，對(duì)視頻的播放，通過增加濾鏡的方式解決因投影機(jī)位置不同而導(dǎo)致的圖像扭曲形變，增加的定制濾鏡包括“圖像特效、畫面處理、節(jié)目同步、畫面切換”四大類，以形形色色的定制形變、花樣切換等特效為整體效果錦上添花;設(shè)置一個(gè)“透明”的云臺(tái)，借助外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)投影機(jī)的靈活控制，除了彌補(bǔ)投影機(jī)原有無法全黑的缺陷，還增加了變換角度等新功能。

1舞臺(tái)多媒體綜合投影系統(tǒng)

舞臺(tái)多媒體綜合投影系統(tǒng)通過采用新技術(shù)使傳統(tǒng)文化展示產(chǎn)生多元性的聲光效果。該系統(tǒng)的產(chǎn)生來源于劇院舞臺(tái)的實(shí)際需要，需要體現(xiàn)各種投影特效。如傳統(tǒng)戲劇表演中要展示湖面，是做一個(gè)湖面的景片，并靜止地放在舞臺(tái)的背景大幕處;而現(xiàn)在可以通過舞臺(tái)多媒體綜合交互式投影系統(tǒng)將湖面影像投射到背景大幕上，不僅投影的畫面是動(dòng)態(tài)的，而且還可以根據(jù)需要讓湖面產(chǎn)生不同效果的變形，讓每次表演有不同的呈現(xiàn)。但實(shí)踐過程中還有很多技術(shù)問題要解決。

其實(shí)，即使不考慮這些特效，也必須要考慮一個(gè)重要的因素：一個(gè)投影機(jī)投向一個(gè)平面，如圖1所示，默認(rèn)的情況下，投影機(jī)應(yīng)該位于“投影點(diǎn)3”（ProjectionSite），并且要離舞臺(tái)大幕一定遠(yuǎn)的距離，而事實(shí)上，這種效果會(huì)因經(jīng)過觀眾席上空的漫反射光而產(chǎn)生很差的體驗(yàn)，并且參演演員的影子也會(huì)被映射到大幕上，同時(shí)，平射光會(huì)影響到演員的視覺，所以這種投影點(diǎn)沒有現(xiàn)實(shí)的可取性;現(xiàn)實(shí)中，更多的是把投影機(jī)放置在“投影點(diǎn)2”處，這種方式也會(huì)產(chǎn)生演員影子和影響演員視覺;最佳的方式就是放置在“投影點(diǎn)1”處，可以避免上述兩個(gè)問題，但由于傾斜角過小而產(chǎn)生圖像變形。這時(shí)，要解決這種變形就要用到了圖像特效處理技術(shù)。

如果僅僅是解決上面的基本問題，那么可以使用“大樓幕墻投影濾鏡算法”。該算法是將視頻一幀幀的圖像（Frame）拆成一條條等距的“線”（Line），根據(jù)投影點(diǎn)離大幕的距離和夾角計(jì)算出每條線的正確位置，對(duì)圖像進(jìn)行濾鏡處理，產(chǎn)生反向的變形，最終使投影正常。所以，該方法適合于投影點(diǎn)放在劇場的任何位置，甚至是動(dòng)態(tài)移動(dòng)。

常規(guī)的劇院對(duì)于戲劇或節(jié)目的背景大幕展示，采用的是單一投影機(jī)某一圖像或視頻的投影，其投放效果完全取決于圖像或視頻本身的制作。除需考慮數(shù)量可觀費(fèi)用，特別需要考慮如背景視頻進(jìn)度與戲劇節(jié)目本身同步的根本問題。但如果節(jié)目在演出中臨時(shí)出現(xiàn)小的變動(dòng)，而已制作好的視頻卻無法做出哪怕是微小的改動(dòng)。為此，可以沿著上面的思路做出形式多樣的特效。

（1）圖像特效類：球面效果、拉伸效果，使當(dāng)前的視頻產(chǎn)生人為的變形效果。

（2）面處理類：多圖像的無縫銜接、各自圖像的統(tǒng)一或單個(gè)大小變化、部分遮擋、畫中畫、畫面迭加，可以用于超大屏幕、環(huán)形屏幕，或產(chǎn)生多畫面、多種不同素材內(nèi)容迭加的視效。

（3）節(jié)目同步類：隨劇情或背景音樂而發(fā)生的實(shí)時(shí)變形，隨演員說話的大小而故意產(chǎn)生的抖動(dòng)，隨演員出現(xiàn)而產(chǎn)生的名字、簡介等實(shí)時(shí)字幕效果，這種特效可以增加演員的語言或肢體動(dòng)作的感染力，達(dá)到多方面的感受體驗(yàn)。

（4）畫面切換類：如百頁窗效果、飛入飛出、淡入淡出效果。

上述效果可以多層疊加使用，產(chǎn)生組合效果。

這些特效的運(yùn)用可以使整個(gè)節(jié)目具有一種視覺上的新鮮感，體現(xiàn)電影特技般的效果。傳統(tǒng)的電影特技是在拍攝結(jié)束后，由專業(yè)的“非線性音視頻編輯軟件”進(jìn)行電影特技處理，這類軟件通常動(dòng)輒百萬，并且編輯后的視頻是永久性的，不具備靈活性。而戲劇具有在場性，根據(jù)演出現(xiàn)場需要而定，需要多媒體系統(tǒng)投影藝術(shù)是動(dòng)態(tài)的、即興的，能達(dá)到“所見即所得”的效果，因而要具備通用性、靈活性，舞臺(tái)呈現(xiàn)效果可以立竿見影。

毫無疑問，有了具備上述功能的舞臺(tái)多媒體綜合投影系統(tǒng)，導(dǎo)演或場控人員就可以“運(yùn)籌于控制臺(tái)，而決勝于舞臺(tái)”，主控人員只需要通過系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整即可，甚至在設(shè)計(jì)時(shí)也可通過預(yù)設(shè)觸發(fā)條件，人為地進(jìn)行極小的干預(yù)，如預(yù)設(shè)只有在演員出場時(shí)才在幕墻上出現(xiàn)該演員的介紹。由于濾鏡的選擇可以疊加和動(dòng)態(tài)可調(diào)，因而對(duì)同一劇目的不同場次展示，場控人員可以選擇使用不同的效果，這種“每次都是唯一的”體驗(yàn)感受。

2智能化云臺(tái)控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的戲劇表演，劇情場景的切換通常是通過舞臺(tái)的背景大幕實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于頻繁切換的場景則要采用多個(gè)層次的背景大幕切換。但無論哪一種，大幕都是靜態(tài)的形式，在表演的時(shí)候，由人工或人工控制機(jī)械進(jìn)行移動(dòng)。然而在實(shí)際使用中，戲劇工作者也發(fā)現(xiàn)一些問題，如當(dāng)采用多層情景投射時(shí)，由于多層情景大幕距離投影機(jī)的遠(yuǎn)近各不相同，因而會(huì)產(chǎn)生投射焦距和投射中心點(diǎn)各不相同;由于不同時(shí)期，所采購的投影機(jī)廠家、品牌、質(zhì)量各不相同，導(dǎo)致在一些投射細(xì)節(jié)上略有差異，特別是當(dāng)投射為全黑效果時(shí)，有些投影機(jī)由于內(nèi)部密閉性差和漫反射處理效果的不佳而導(dǎo)致即使投射本意為全黑效果，實(shí)際是灰色值較小的“深黑”色，這在高質(zhì)量的戲劇演出中，會(huì)嚴(yán)重降低整體質(zhì)量，影響觀眾的觀演效果。這一問題的臨時(shí)解決方案，或者采用手工方式調(diào)整方式，或是采用雙投影機(jī)，甚至多投影機(jī)的多機(jī)方式。兩者的缺點(diǎn)不言而喻，手工方式即由人來手動(dòng)調(diào)焦、撥動(dòng)以對(duì)投射中心、手動(dòng)擋光等操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且對(duì)參與手工調(diào)整的人員來說，時(shí)效性和動(dòng)作熟練程度都有太高的要求，在一些特殊的場景切換要求下，也是不可能實(shí)現(xiàn)的;雙投或多投的方式最大的問題是資源的浪費(fèi)，只是為了一個(gè)功能上的需求而投入大量資金，這對(duì)于一些資金相對(duì)緊張的小劇院而言只能望而卻步。

為了解決現(xiàn)實(shí)問題，引入了智能化云臺(tái)控制系統(tǒng)。這里的云臺(tái)控制系統(tǒng)并不是泛指當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)中廣泛使用的攝像頭云臺(tái)（cradle Head Camera），而是針對(duì)現(xiàn)代投影機(jī)所特設(shè)的一種革新式的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，從而使舞臺(tái)多媒體綜合投影系統(tǒng)可具備很好的通用性、靈活性。

智能化云臺(tái)控制系統(tǒng)通過硬件和軟件的定制改裝，將機(jī)械云臺(tái)和投影機(jī)內(nèi)的控制協(xié)議轉(zhuǎn)化成DIVlX512（Digital MultipleX）協(xié)議（國際演出行業(yè)的數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)），使得其能夠適用于任何使用該協(xié)議的設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用中，一方面，智能化云臺(tái)控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)的橫豎兩個(gè)方向來改變并保存投影機(jī)的投射方向;另一方面，通過燈光控臺(tái)（采用的是DMX512）發(fā)出信號(hào)控制投影機(jī)的投射位置并控制投影機(jī)本機(jī)的參數(shù)的調(diào)整，如投影機(jī)鏡頭的伸縮（ZOOM）焦段、畫面對(duì)焦、梯形矯正、亮度、鏡罩開關(guān)等原本需要人工或者停機(jī)操作的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)演出中的交互創(chuàng)作。

其主要有如下功能。

（1）廣泛支持當(dāng)前主流的投影機(jī)，整合現(xiàn)有資源，可兼容舊產(chǎn)品，節(jié)省資金“創(chuàng)造”價(jià)值。通過該云臺(tái)的物理結(jié)構(gòu)，可以使原有投影機(jī)增加三大功能：原有投影機(jī)可以以垂直或水平方式進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)，從而可以將正投的投射中心定點(diǎn)于舞臺(tái)的任何位置;在云臺(tái)前端以擋光板的物理結(jié)構(gòu)遮擋或放行投影機(jī)的投射光，客觀上“打開”或“關(guān)閉”投影機(jī)的投影開關(guān)，從而彌補(bǔ)投影機(jī)本身在投射效果上的設(shè)計(jì)不足;平臺(tái)本身支持桌臺(tái)上放置和吊臂式懸掛，甚至是豎墻上懸掛等多種方式，解決當(dāng)前投影機(jī)只能一次性固化地吊裝在屋頂?shù)姆绞健?/p>

（2）通過“通信模塊”以網(wǎng)絡(luò)的方式對(duì)云臺(tái)實(shí)施遠(yuǎn)程控制，如角度旋轉(zhuǎn)、以某種模式打開或關(guān)閉云臺(tái)的擋光板。“通信模塊”實(shí)現(xiàn)的主要功能有：通過單片機(jī)、FPGA、PLC、ARM等當(dāng)前主流控制接口板，實(shí)現(xiàn)對(duì)外網(wǎng)口、串口數(shù)據(jù)的接收，從而實(shí)現(xiàn)與外界的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù);而在內(nèi)部則是通過電機(jī)、齒輪、油壓等機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。

（3）通過通信協(xié)議對(duì)投影機(jī)進(jìn)行控制（該項(xiàng)功能需要投影機(jī)本身支持），實(shí)現(xiàn)開機(jī)關(guān)機(jī)、開關(guān)投光鏡頭、調(diào)焦等操作;并支持綜合平臺(tái)遠(yuǎn)程手動(dòng)操作、平臺(tái)定時(shí)操作、手動(dòng)遙控器操作等模式。

智能化云臺(tái)的控制使舞臺(tái)多媒體綜合投影系統(tǒng)處于“透明”的使用狀態(tài)。由于對(duì)該云臺(tái)的各種操作等同于對(duì)投影機(jī)所發(fā)命令，因而使導(dǎo)演或場務(wù)工作人員只知道該處有投影點(diǎn)，而不需要知道該處還有云臺(tái)。例如投影機(jī)的“播放”命令，同樣意味著云臺(tái)遮擋的門“打開”，而投影機(jī)的“停止播放”命令，同樣意味著云臺(tái)遮擋的門“關(guān)閉”。

3系統(tǒng)的應(yīng)用

為了驗(yàn)證和應(yīng)用上述思路和設(shè)計(jì)方案，項(xiàng)目組在隨后文化部科技創(chuàng)新項(xiàng)目和上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科技創(chuàng)新行動(dòng)項(xiàng)目中使用了該系統(tǒng)。該項(xiàng)目通過對(duì)舞臺(tái)表演藝術(shù)和多媒體投影軟景技術(shù)的深入研究，用集成創(chuàng)新的方法，在戲劇舞臺(tái)上通過對(duì)藝術(shù)表演內(nèi)容的編創(chuàng)、軟景介質(zhì)和投影內(nèi)容的設(shè)計(jì)以及交互多媒體邏輯控制系統(tǒng)的集成開發(fā)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)舞臺(tái)空間元素與虛擬影像內(nèi)容之間的交互表演，創(chuàng)造出了具有信息技術(shù)時(shí)代特征的舞臺(tái)藝術(shù)表演語匯和藝術(shù)形態(tài)，解決了真實(shí)人物表演與虛擬影像之間交互表演的難題，促進(jìn)了戲劇人物與戲劇場景的協(xié)同敘事。

在舞臺(tái)演出中，投影一般被用于將數(shù)字影像投射在舞臺(tái)景片之上?；谶@一應(yīng)用現(xiàn)狀，投影設(shè)計(jì)往往需要考慮投影介質(zhì)（surface）位置而采用多臺(tái)投影機(jī)。如果在舞臺(tái)上需要在多個(gè)位置進(jìn)行投影，如圖3中的左圖需要投射3個(gè)位置，則需要安裝3臺(tái)投影機(jī)進(jìn)行投影。這一現(xiàn)狀往往會(huì)增加舞臺(tái)演出時(shí)投影機(jī)的臺(tái)數(shù)。而基于智能云臺(tái)的舞臺(tái)多媒體綜合投影系統(tǒng)則可以利用智能云臺(tái)系統(tǒng)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)裝置及電子控制的動(dòng)態(tài)對(duì)焦，使用一臺(tái)投影機(jī)就可以完成對(duì)3個(gè)位置的投影（見圖3中的右圖）。

基于這一應(yīng)用方式，投影機(jī)的鏡頭需要變動(dòng)內(nèi)部鏡片使得物距和像距的相對(duì)距離改變，讓投影影像能夠清晰地呈現(xiàn)在所希望的位置。

此外，在一般的舞臺(tái)演出中，關(guān)于投影機(jī)黑場的細(xì)節(jié)常常被忽略。一般演出投影機(jī)鏡頭前會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)燈閘（shutter），因?yàn)樵谖枧_(tái)演出過程中會(huì)存在不需要投影效果的時(shí)間，即“投影黑場”。在使用普通云臺(tái)的投影黑場功能，舞臺(tái)上仍會(huì)殘留有投影機(jī)的“黑色”光線，會(huì)打破觀眾對(duì)舞臺(tái)演出的沉浸感。如果要避免這一現(xiàn)象，需要人工靠近投影機(jī)關(guān)上開關(guān)燈閘，但智能云臺(tái)多媒體綜合投影系統(tǒng)整合了這一開關(guān)功能，可以通過控制系統(tǒng)完成開關(guān)投影機(jī)燈閘的功能。

在上海戲劇學(xué)院《那年我學(xué)開車》的演出中，使用了智能云臺(tái)多媒體綜合投影系統(tǒng)，如圖4所示，主要使用了機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)控制、動(dòng)態(tài)對(duì)焦和投影機(jī)燈閘控制的功能。云臺(tái)不但可以在x軸/y軸上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得投射影像可以在舞臺(tái)上橫向和豎向移動(dòng)，還可以將投影機(jī)固定在兩軸坐標(biāo)內(nèi)任意角度。

4小結(jié)

為滿足觀眾文化新需求，研發(fā)基于全新智能云臺(tái)的舞臺(tái)多媒體綜合投影系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)投影儀設(shè)備在實(shí)際使用時(shí)，無法產(chǎn)生全黑視頻的缺陷，以及無法調(diào)焦，轉(zhuǎn)向等不足。其在演出中的實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了投影黑場、調(diào)焦、轉(zhuǎn)向等功能，能夠使得一臺(tái)投影機(jī)對(duì)舞臺(tái)上多個(gè)位置不同的投影介質(zhì)進(jìn)行投射，畫面清晰，定位準(zhǔn)確，既保證舞臺(tái)演出的效果，又使得投影設(shè)備能夠高效集約地進(jìn)行控制。同時(shí)，配合利用紅外裝置感應(yīng)技術(shù)以及光感應(yīng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“虛擬空間”和“真實(shí)空間”之間的互動(dòng)，甚至觀眾與演出“互動(dòng)”，增強(qiáng)藝術(shù)多層次的表現(xiàn)力，滿足多元化的演出和欣賞的需求。基于智能云臺(tái)的舞臺(tái)媒體體綜合投影系統(tǒng)的研究、應(yīng)用探索，促進(jìn)當(dāng)今戲劇舞臺(tái)藝術(shù)的多元化的創(chuàng)新發(fā)展。