雙層點光源媒體立面技術(shù)解析
——以改革開放40周年深圳中心區(qū)燈光秀為例

袁偉銘，李明海，章 徽

(深圳市凱銘電氣照明有限公司，廣東 深圳 518047)

引言

當(dāng)前城市照明已不再是簡單的功能性照明，而是基于心理體驗的藝術(shù)創(chuàng)造活動。在這種需求的驅(qū)使下兼具文化藝術(shù)體驗和功能照明技藝結(jié)合的多重優(yōu)勢則成為城市照明發(fā)展趨勢所在，這樣漸漸衍生出燈光秀這種以照明和影像呈現(xiàn)為主要表現(xiàn)方式的景觀照明形式。近幾年來，城市燈光秀發(fā)展迅速，在各地如雨后春筍出現(xiàn)，但由于相關(guān)的照明標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及執(zhí)行等問題，燈光秀的光污染、節(jié)能環(huán)保以及效果呈現(xiàn)都存在不小的問題，本文以“改革開放40周年深圳中心區(qū)燈光秀”項目為背景，從光源選擇及使用、照明設(shè)計創(chuàng)新、動畫上墻等方面深入解讀雙層點光源媒體立面在現(xiàn)代照明工程中的應(yīng)用優(yōu)勢。

1 點光源媒體立面的定義及實現(xiàn)原理

1.1 定義

“媒體立面”這個新概念，源自英文Media Fa?ade。它是建筑整體的進一步延伸產(chǎn)物，是媒體(或稱媒介)與建筑(或者建筑立面)的結(jié)合產(chǎn)物。涉及媒體，特別是新媒體、燈光照明、建筑、智能控制等幾個領(lǐng)域的知識和技術(shù)。媒體立面和媒體建筑可以定義為：以藝術(shù)性審美為主要目的，同時兼具商業(yè)宣傳作用，將信息媒體系統(tǒng)(主要是電子媒體系統(tǒng))和建筑設(shè)計、立面技術(shù)、燈光照明(在特殊情況下，也包含自然光影)有機結(jié)合的綜合性建筑立面形式，媒體建筑是媒體立面在整個建筑體系上的延伸。

點光源媒體立面，是指以點光源作為實現(xiàn)建筑立面光影效果展示的主要載體，同時可以通過光電技術(shù)以及智能控制，結(jié)合了新媒體和藝術(shù)手段，使得建筑立面可以呈現(xiàn)出圖像或動畫。

1.2 實現(xiàn)原理

由于LED點光源可通過智能控制變化，且每個像素點完全獨立，有獨立的控制信號，大小和形狀任意分布，可以用點突出節(jié)點，用點去形成個性獨特的圖形和變化，呈現(xiàn)多樣化夜間動畫場景，突出了建筑總體輪廓和動態(tài)效果。

2 改革開放40周年深圳中心區(qū)燈光秀項目簡介

長期以來，城市照明作為城市公共空間的附屬性功能設(shè)施，為城市環(huán)境在夜間的使用提供視覺保障和夜景美化。一般認為，城市照明是對城市道路、隧道、廣場、公園以及建 (構(gòu))筑物等的功能照明和景觀照明的統(tǒng)稱[1]。城市夜景不僅體現(xiàn)著一個城市的特色,更體現(xiàn)著城市、建筑與人之間的關(guān)系[2]?！案母镩_放40周年深圳中心區(qū)燈光秀”項目(以下簡稱項目)，以福田中心區(qū)43棟樓宇建筑、市民廣場、廣場兩側(cè)綠化帶及六個玻璃盒子為主體建筑，通過統(tǒng)一智能控制形成現(xiàn)場聯(lián)動效果，如圖1所示。

圖1 福田區(qū)景觀照明提升工程(聯(lián)動區(qū)域照明工程)施工分布圖Fig.1 Futian district landscape lighting upgrading project (linkage area lighting project)construction distribution map

與杭州、廈門、青島略為不同，深圳這場燈光秀，沒有一江兩岸的優(yōu)勢，載體是一個U型建筑群排布空間，且建筑體多為超高層建筑：平安金融中心600 m、卓越世紀中心280 m、皇庭大廈262 m、新世界大廈238 m、太平洋金融大廈228 m、生命人壽219 m、大中華203 m等等，如圖2所示，這為后續(xù)點光源媒體立面的畫面透視、畫面變形等問題設(shè)置了較高的技術(shù)門檻。為了解決這一難題，故而設(shè)計采用國內(nèi)首創(chuàng)的大小點光源相結(jié)合技術(shù)，讓點光源媒體立面畫面層次更豐富、立體感更強，如圖3所示的實景拍攝圖片。

圖2 施工區(qū)域建筑高度分布圖Fig.2 Building height distribution in construction area

圖3 改革開放40周年深圳中心區(qū)燈光秀實景圖Fig.3 Shenzhen central area light show real picture

3 雙層點光源媒體立面光源設(shè)計思路

媒體建筑藝術(shù)形式可以利用建筑的交互式立面，將現(xiàn)實的物理空間作為投影框架來傳達信息、影像等多種內(nèi)容，依附在建筑表面燈光、媒體動畫、表皮視覺成了主角，特別是幾十上百的建筑物鏈接、聯(lián)合、聯(lián)動形成的媒體動漫更是完全顛覆建筑本身的形象，而轉(zhuǎn)換成為了別的藝術(shù)形式，建筑本身存在弱化了，表象帶來的炫酷和異樣的審美會被大大的凸顯出來。視覺心理的研究表明，人們對高層建筑的感知一般有兩種情景：一種是在城市的天際線上，一種是在人行道上[3]，這既代表了塔樓與裙房和視覺之間的關(guān)系，也代表著高層建筑視覺表現(xiàn)的兩個區(qū)域，該區(qū)域立面上燈光的選材及安裝方式合理性，可增加視覺吸引力，形成視覺認知，雙層點光源媒體立面設(shè)計也是由此受到啟發(fā)。

3.1 點光源數(shù)量及密度

項目使用了近150萬套LED燈具，其中包含118萬套點光源組成的超大超廣角聯(lián)動屏，它們承載了整個項目燈光的主體部分。點光源陣列密度是達到媒體立面表達效果要求的關(guān)鍵因素，根據(jù)呈現(xiàn)效果的不同，可將媒體立面做如下等級區(qū)分：

Ⅰ級媒體立面:能呈現(xiàn)復(fù)雜的視頻畫面；

Ⅱ級媒體立面:能辨識漢字及稍微復(fù)雜的圖形動畫；

Ⅲ級媒體立面:能表現(xiàn)動態(tài)光影變化及較簡單的圖形變化效果[4]。

因深圳燈光秀項目要求實現(xiàn)視頻動畫的播放，所以整個項目都是按Ⅰ級媒體立面來設(shè)計施工的。為了解決視覺呈現(xiàn)的美觀性及藝術(shù)性，在設(shè)計施工過程中就充分結(jié)合多因素設(shè)計，選取合理觀賞燈光聯(lián)動地點，模擬出同間距后期燈光呈像，根據(jù)觀看視角等選取光源密度為3顆/m或4顆/m作為設(shè)計思路，按“遠疏近密”的原則，深南大道以南1 m 3顆，以北1 m 4顆，大量減少光源數(shù)量，功率密度遠低于國家標(biāo)準(zhǔn)。在節(jié)約投資的同時大幅降低用電量，一場表演(16 min)的用電僅700度。相比較其他城市粗暴式的8顆/m、4顆/m思路，既能更好的呈現(xiàn)效果，又能節(jié)約電能。

3.2 光源的選擇

由于項目對光源達到最大照度的響應(yīng)時間要求不小于15 ms，因此整個項目采用的光源多為LED點光源。LED光源響應(yīng)時間很短，能按要求保證多個光源之間或一個光源不同區(qū)域之間的工作切換，采用專用電源給LED光源供電時，達到最大照度的時間小于10 ms。

3.3 新技術(shù)及新設(shè)備的使用

隨著第三代半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，新型技術(shù)及產(chǎn)品不斷衍生，聲光電等多種技術(shù)手段被廣泛應(yīng)用與媒體立面，如項目就在深圳平安金融中心600 m鉆石穹頂平臺安裝有8臺激光光束燈，每臺激光光通量達10萬5千流明，是國產(chǎn)自主研發(fā)、全球最大流明的三基色特種激光。媒體立面已成為建筑設(shè)計、媒體技術(shù)、數(shù)碼控制、多媒體內(nèi)容、互動技術(shù)等諸多要素的融合與跨界,媒體立面的出現(xiàn)豐富了建筑及城市文化，項目采用了國內(nèi)首創(chuàng)的“大小點光源組合”技術(shù)，配以激光燈、投光燈等，營造270°環(huán)幕動態(tài)式、包圍式、沉浸式的獨特視覺體驗。

3.4 “大小點光源組合”技術(shù)

可辨識性是一座城市空間環(huán)境品質(zhì)的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)[5],而可辨識性又取決于人們對空間的視覺感知。根據(jù)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)理論，人的視覺空間感知主要來自于觀測者與建筑的視距，對于城市中的行人來說，建筑的外部空間無疑將會對人的感知造成巨大的影響。在建筑設(shè)計中，設(shè)計師通過調(diào)整其尺度以及立面材質(zhì)和顏色等因素的變化來塑造建筑形象，這些細節(jié)對建筑的視覺分辨率造成影響，進而影響人對建筑的視知覺和空間感知[6]。

項目充分利用了人眼對物體的視覺感知原理，以人和建筑為研究對象，根據(jù)觀賞點的視線分析、視看角度、視看距離，對燈珠功率、間距、疏密、安裝面進行精細化的推敲、計算和實驗?zāi)M，在控制造價和耗電量的同時，設(shè)計出最符合人體視覺空間感知畫面布局方式，這其中就使用到了“大小點光源組合”技術(shù)。該項技術(shù)采用軌道安裝方式，完美契合玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)及應(yīng)用需求，盡管立面上的大點光源裝置的分辨率比小點光源低，但兩者呈現(xiàn)的是同一畫面的不同形式，通過大功率點光源突出高亮、閃爍效果，小功率點光源展現(xiàn)細膩圖像，雙層顯示，得到的媒體立面畫面層次更豐富、立體感更強、更具有辨識性，如圖4所示采用的就是15 W和2 W相結(jié)合的方式。

圖4 大小點光源組合圖示Fig.4 The size of the combination of point light source illustration

4 雙層點光源媒體立面效果實現(xiàn)

雙層點光源媒體立面效果呈現(xiàn)，需要通過上墻動畫來實現(xiàn)，這也是燈光秀最重要的一部分。經(jīng)過對建筑的形態(tài)和材料的細致分析，最終我們確立以 “少即是多”設(shè)計原則，通過與建筑形態(tài)和語言完全吻合的燈光設(shè)置，對建筑做了完美的詮釋[7]。下面以項目為例，通過深入解析片源制作、動畫上墻等步驟，了解點光源媒體立面在城市照明中的應(yīng)用。

4.1 上墻動畫

媒體立面從某種程度上來說可以看作是城市燈光秀的幕布或載體，在城市燈光秀的制作過程中，上墻動畫，就像是制作專屬這座城市的一部電影。通過實現(xiàn)建筑的圖像化、信息化來構(gòu)建一種新的城市景觀，同時，它消解了建筑作為實體存在的固有形象[8，9]。

燈光秀上墻動畫制作，可分為四個階段：腳本創(chuàng)作 → 演示動畫制作 → 上墻動畫制作 → 調(diào)試運行，如圖5所示。

圖5 燈光秀的上墻四個階段Fig.5 The four stages of the light show on the wall

項目的上墻動畫，如圖6所示，視頻尺寸15 277×2 160，總共3千3百萬個像素點，達到4 K影片以上畫面精度。

圖6 上墻動畫尺寸Fig.6 On the wall animation size

4.2 點位圖制作

上墻動畫的點位圖，總共可以劃分為四個階段：從前期的施工點位圖、到中期的展開尺寸圖、然后是后期系統(tǒng)點位圖、到最終完成的上墻動畫關(guān)鍵幀。

(1)前期施工點位圖階段。拼接建筑立面展開圖，計算上墻動畫初步所需的視頻尺寸，如圖7所示。

圖7 施工點位圖Fig.7 Construction point location diagram

(2)中期展開尺寸圖。合成展開立面圖，計算出動畫總尺寸，開展制作動畫片源，如圖8所示。

圖8 展開尺寸圖Fig.8 Dimensions of unfolding diagram

(3)后期系統(tǒng)點位圖。通過歐司朗控制系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場實際燈位，進行較為準(zhǔn)確的圖紙校對。然后導(dǎo)出精準(zhǔn)的系統(tǒng)點位圖，深入調(diào)整及完善上墻片源，如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)點位圖Fig.9 System point location diagram

(4)上墻動畫關(guān)鍵幀。進行動畫渲染，輸出逐幀4 K高清像素關(guān)鍵幀，如圖10所示。

圖10 上墻動畫渲染Fig.10 Rendering of the animation on the wall

4.3 上墻動畫制作

上墻動畫設(shè)計方面，以小點光源作為整體表現(xiàn)方式，大點光源主要用于展現(xiàn)畫面中高亮、粒子效果以及純色背景下的幾何運動。燈光秀中涉及的很多人物動態(tài)，基本都是采用了綠幕搭建和真人拍攝或者實物拍攝，比如國旗、藝術(shù)字、模特走秀等，根據(jù)圖片像素分布對比建筑立面尺寸進行3D建模，一般運用的軟件有3DSMax、AutoCAD、Maya等。建模不在于精確性，而在于藝術(shù)性，比如樣條曲線建模——用幾條樣條曲線共同界說一個潤滑的曲面，特性是平滑過渡性，不會發(fā)生陡邊或皺紋，因此十分適合有機物體或人物的建模和動畫；細分建?！Y(jié)合多邊形建模與樣條曲線建模的優(yōu)點面開發(fā)的建模方法。

4.4 系統(tǒng)調(diào)試

項目控制系統(tǒng)使用的是國際品牌歐司朗e:cue控制系統(tǒng)。e:cue控制系統(tǒng)是用于構(gòu)建動態(tài)、高效和可靠的燈光系統(tǒng)的平臺，性能穩(wěn)定、可長期使用幷且具有靈活性。項目采用云平臺集中控制系統(tǒng)對整個福田中心區(qū)一、二標(biāo)段的燈光進行集中控制，其中包括LED燈光控制系統(tǒng)、照明電氣智能控制系統(tǒng)、燈光集中聯(lián)動控制平臺、物聯(lián)網(wǎng)云平臺系統(tǒng)。在全國范圍內(nèi)首次采用了4G+光纖+物聯(lián)網(wǎng)的通訊方式，所有的網(wǎng)絡(luò)端和通訊端，均由華為和中國聯(lián)通提供成熟可靠的解決方案。在整個控制平臺中一共兼容了十四套子系統(tǒng)：投影系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、LED顯示屏系統(tǒng)、激光燈系統(tǒng)、光束燈系統(tǒng)、LED晶格屏系統(tǒng)、互動系統(tǒng)、MA系統(tǒng)、監(jiān)控等系統(tǒng)，實現(xiàn)了對整個燈光系統(tǒng)的集中控制和管理，為項目的運營和管理提供了可靠的管理平臺。包括為了保障整體聯(lián)動調(diào)試，需要組建專門的“大聯(lián)調(diào)工作小組”。城市燈光秀的調(diào)試流程可以分為以下六個步驟，如圖11所示：(1)總控設(shè)備配置調(diào)試，(2)通信網(wǎng)絡(luò)配置調(diào)試，(3)總控平臺指令測試，(4)整體強電控制調(diào)試，(5)整體弱電控制調(diào)試，(6)建筑聯(lián)動統(tǒng)一控制。

圖11 聯(lián)動調(diào)試流程Fig.11 Linked debugging process

5 結(jié)語

作為城市燈光秀載體的媒體立面，成為城市燈光照明領(lǐng)域的焦點話題，已經(jīng)成為影響城市夜景觀的一個重要因素。媒體立面作為一個綜合性系統(tǒng)，它涉及建筑、藝術(shù)、媒體內(nèi)容和燈光照明等多個方面。在整個系統(tǒng)中，媒體信息主要依賴燈光照明或者光影像技術(shù)來呈現(xiàn)。在LED 技術(shù)完善之前，其他光電技術(shù)抑或在技術(shù)上、抑或在造價上無法滿足媒體信息精細表現(xiàn)的要求，在與建筑立面材料和構(gòu)造的耦合性上也無法和LED 相比，因為LED 光源具有體積小、容易隱藏的特點，這使光源不再是暴露在建筑主體之外的附加品，而是成為建筑或者建筑立面材料的一部分。因此，從某種意思上講，是LED造就了媒體立面。

媒體立面不是簡單的立面+大屏幕，經(jīng)歷了產(chǎn)生初期的迷茫，在技術(shù)革新、設(shè)計和藝術(shù)觀念的共同作用下，媒體立面逐漸明確了自身的特征，可以概括為：與建筑的耦合性、內(nèi)容表達的藝術(shù)性、與人的互動性。本文通過實際案例以“改革開放40周年深圳中心區(qū)燈光秀”項目為例，圍繞大小點光源組成的雙層媒體立面展開，從光源選擇、光源密度分布、大小點光源使用、新設(shè)備使用、上墻動畫制作等多面詳細介紹了影響點光源媒體立面效果呈現(xiàn)的諸多因素，為今后燈光秀項目中媒體立面運用方式探索、效果優(yōu)化、技術(shù)更新等提供參考。