史國(guó)芳，吳悅明

(同方股份有限公司，北京 100083)

引言

光影秀在現(xiàn)有的夜經(jīng)濟(jì)中有著重要的地位，探索數(shù)字與創(chuàng)意，鏈接人文與情感。融合創(chuàng)意、科技、藝術(shù)與文化，通過(guò)聲、光、影、霧、互動(dòng)、動(dòng)畫(huà)等形式，打造浸入式體驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)等全方位的情感共鳴，創(chuàng)造現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)文化全面融合的難忘體驗(yàn)。

光影秀系統(tǒng)以DMX512燈具、投影機(jī)系統(tǒng)、音響、冷霧為核心物理載體，利用TCP/IP、DMX512等通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光、影、聲、霧的完美配合。本系統(tǒng)設(shè)備由搖頭光束燈、激光燈、投影設(shè)備、冷霧設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等組成。設(shè)備位置、控制系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、演繹編排需要綜合考慮。本文主要討論光影秀控制系統(tǒng)、配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要討論如何用燈光表演管理服務(wù)總控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各獨(dú)立子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。各子系統(tǒng)包含投影控制系統(tǒng)、光束燈控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。

1.1 燈光表演管理服務(wù)總控平臺(tái)

燈光表演管理服務(wù)總控平臺(tái)建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與硬件接口，把各應(yīng)用子系統(tǒng)接入服務(wù)總控平臺(tái)，通過(guò)底層物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議及服務(wù)總控平臺(tái)協(xié)議的可擴(kuò)展性實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)信息通訊的順暢進(jìn)行。為用戶提供簡(jiǎn)單易操作的服務(wù)平臺(tái)。

總控服務(wù)平臺(tái)由兩臺(tái)顯示器、中控主機(jī)服務(wù)器、工程交換機(jī)等組成，總控平臺(tái)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 總控平臺(tái)系統(tǒng)圖Fig.1 System diagram of the main control platform

總控軟件平臺(tái)由三部分組成：

(1)操作系統(tǒng)平臺(tái)。操作系統(tǒng)采用Windows NT，其平臺(tái)具有良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，能保證整個(gè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性與容錯(cuò)性[1]。在對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的廣泛支持上和開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)上，也使得應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)具備靈活可操作的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份能力及實(shí)時(shí)交互調(diào)用能力。Windows NT的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，具有安全、可靠的特性。使用集中式的安全管理體系，目錄和文件保護(hù)的安全性好，并有較強(qiáng)的故障容錯(cuò)功能。自診斷方面，具備系統(tǒng)性能監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)跟蹤和系統(tǒng)診斷等功能。人機(jī)界面具有良好的中文環(huán)境。

(2)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)?，F(xiàn)地I/O數(shù)據(jù)、變量數(shù)據(jù)、操作命令數(shù)據(jù)、故障報(bào)警數(shù)據(jù)等，無(wú)論實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)還是歷史數(shù)據(jù)都以數(shù)據(jù)庫(kù)方式記錄，數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)定義簡(jiǎn)便、靈活，維護(hù)、管理歸檔方便，數(shù)據(jù)安全。

(3)計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

1)梯次集控：既滿足集中控制原則，又增強(qiáng)同步穩(wěn)定性。光束燈控制系統(tǒng)、投影控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)接入光影綜合管理智慧平臺(tái)；投影系統(tǒng)、音響系統(tǒng)梯次接入投影控制系統(tǒng)；光束燈系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、霧森系統(tǒng)梯次接入光束燈控制系統(tǒng)。

2)時(shí)間軸控制：控制激發(fā)同步精準(zhǔn)，子系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合。通過(guò)時(shí)間軸方式在不同時(shí)間段發(fā)出觸發(fā)命令，使各系統(tǒng)根據(jù)客戶要求實(shí)現(xiàn)不同的效果聯(lián)動(dòng)，聲光影獨(dú)立系統(tǒng)將在同一時(shí)間軸上融合呈現(xiàn)整體的視聽(tīng)感觀。

3)操作管理權(quán)限：三級(jí)管理，加強(qiáng)系統(tǒng)安全性。

①工程師級(jí)：權(quán)限向工程調(diào)試人員開(kāi)放，系統(tǒng)集成調(diào)試維護(hù)，編輯展示腳本和素材。

②管理員級(jí)：向內(nèi)容審核人員開(kāi)放，審核通過(guò)后播放內(nèi)容才存儲(chǔ)到播放器。

③操作員級(jí)：對(duì)操作人員開(kāi)放，操作人員日常播放。

1.2 投影控制系統(tǒng)

投影控制系統(tǒng)是整個(gè)光影秀的核心，光束燈、激光燈是為了引出投影，音響系統(tǒng)是為投影提供聲音支持，冷霧系統(tǒng)是為給光影秀提供氛圍感。

投影控制系統(tǒng)由播放控制服務(wù)器、融合服務(wù)器、工程交換機(jī)、光端機(jī)等設(shè)備組成，放置在總控室以便實(shí)現(xiàn)整體聯(lián)動(dòng)(圖2)。

圖2 投影控制系統(tǒng)圖Fig.2 Projection control system diagram

播放控制服務(wù)器是為了存儲(chǔ)、播放片源，片源可以是多媒體程序、Flash動(dòng)畫(huà)、3D動(dòng)畫(huà)、影音、即時(shí)三維游戲等。

融合服務(wù)器負(fù)責(zé)三個(gè)投影機(jī)播放片源的分割、重疊區(qū)域的融合、圖像幾何矯正。融合軟件的融合方式與需要融合的內(nèi)容無(wú)關(guān)，可以通過(guò)算法對(duì)一個(gè)通道內(nèi)的平面、弧面融合，S形曲面及不規(guī)則幕面實(shí)現(xiàn)像素級(jí)別的幾何校正及亮度矯正，融合精度可達(dá)到1/16個(gè)像素，融合速度每通道240幀/s。

1.2.1 投影系統(tǒng)

投影系統(tǒng)作為新的表演形式，主要通過(guò)先進(jìn)技術(shù)將信息以光影的形式進(jìn)行有效傳遞，在傳遞的過(guò)程中往往以藝術(shù)形式展示，借助投影媒體增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)視覺(jué)效果。這種將光影藝術(shù)化方式，更講究故事性、藝術(shù)性，承擔(dān)著制造舞臺(tái)效果、渲染藝術(shù)氛圍的功能[2]。

投影系統(tǒng)選擇激光投影機(jī)，其使用激光光束來(lái)透射出畫(huà)面。激光在機(jī)器內(nèi)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的光學(xué)元件和處理芯片的擴(kuò)束后再透射到X棱鏡將三束激光整合，然后再由投影物鏡將整合后的激光透射到投影幕布上，完成激光投影機(jī)顯示過(guò)程。

這里以城樓側(cè)立面作為投影幕布。根據(jù)投射面積、環(huán)境光、投影機(jī)的放置位置、成本及所要實(shí)現(xiàn)的效果選擇投影機(jī)數(shù)量。該城樓寬50 m，高23 m，投影面為異形結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及投射面積，在距離投射區(qū)域3中心點(diǎn)90 m的位置設(shè)置一臺(tái)60 000 lm(機(jī)房三)的投影機(jī)，在距離投射區(qū)域1/2中心點(diǎn)50 m城樓兩側(cè)分別設(shè)置一臺(tái)30 000 lm的投影機(jī)。在片源制作過(guò)程中根據(jù)城樓外形特點(diǎn)，裁剪片源，在沒(méi)有背景的區(qū)域、城樓門洞等有人流出入的地方裁減掉光源投射，只在有實(shí)體的地方投射。投影區(qū)域劃分如圖3所示。

圖3 投影區(qū)域劃分Fig.3 Projection area division

投影機(jī)種類及數(shù)量確定后，需要確定投影機(jī)的工作環(huán)境。由于投影機(jī)發(fā)熱量大、設(shè)備精密穩(wěn)定性要求高、價(jià)格比較昂貴、設(shè)備的工作環(huán)境溫度比較敏感等原因，為投影機(jī)配備專門的設(shè)備機(jī)房，機(jī)房根據(jù)設(shè)備功率配有空調(diào)、工業(yè)冷水機(jī)等設(shè)備以保證設(shè)備工作時(shí)的環(huán)境溫度及濕度。由于投影機(jī)到投射區(qū)域間不能有遮擋，投影機(jī)房用立柱駕高2 m放置，機(jī)房立柱及基礎(chǔ)需根據(jù)設(shè)備重量進(jìn)行設(shè)計(jì)。投影機(jī)位置受地面周圍環(huán)境約束，不能放在投射面正中心，否則投影時(shí)會(huì)發(fā)生畫(huà)面變形的情況。三臺(tái)投影機(jī)同時(shí)投射一個(gè)被照面，必然會(huì)出現(xiàn)顏色、亮度的差異，同一臺(tái)投影機(jī)在被投射面結(jié)構(gòu)不一致的情況下也會(huì)影響投影的效果。投影機(jī)控制系統(tǒng)的播放控制服務(wù)器和融合服務(wù)器為實(shí)現(xiàn)三臺(tái)投影機(jī)投射畫(huà)面效果統(tǒng)一及矯形提供軟硬件支持。

投影機(jī)通信協(xié)議是TCP/IP協(xié)議，投影機(jī)房相關(guān)設(shè)備放置在表演現(xiàn)場(chǎng)?？偪厥遗c投影設(shè)備距離大于100 m，采用光纖通信。投影機(jī)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 投影機(jī)系統(tǒng)圖Fig.4 Projection system diagram

1.2.2 音響系統(tǒng)

音響系統(tǒng)為光影秀提供音效支持，使整個(gè)表演更加震撼，真正實(shí)現(xiàn)視聽(tīng)盛宴。音響系統(tǒng)由調(diào)音臺(tái)、音頻處理器、功放、音箱等設(shè)備組成，調(diào)音臺(tái)、音頻處理器、功放等設(shè)備放置在音響機(jī)柜內(nèi)，本項(xiàng)目音響機(jī)柜放置在總控室。

以微蜂窩基站作為信號(hào)分布系統(tǒng)的信號(hào)源。與宏蜂窩接入方式相比，微蜂窩信號(hào)源的投資成本低、對(duì)安裝環(huán)境要求不高、施工便利，因此運(yùn)用也較為普遍。但是由于微蜂窩的自身功率較小，僅適合小面積的室內(nèi)覆蓋要求。

調(diào)音臺(tái)與投影機(jī)播控服務(wù)器通過(guò)音頻線連接，播放投影機(jī)片源聲音。

音箱放置在表演現(xiàn)場(chǎng)。音箱與功放用專用音箱線連接，總控室與音箱距離大于100 m，單只音箱的電阻8 Ω，兩個(gè)音箱并聯(lián)功率為4 Ω，考慮到功率損耗，4 mm2銅線電阻約4.95 Ω/km，音箱線電阻1 Ω，音響線上功率損耗約20%，基本符合要求，電阻功放與音箱之間用4×4 mm2專用音箱線連接。音響系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 音響系統(tǒng)圖Fig.5 Sound system diagram

1.3 光束燈控制系統(tǒng)

光束燈控制系統(tǒng)由燈光控制器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、光電交換機(jī)等組成。

燈光控制器可用于多用戶操作和聯(lián)網(wǎng)、具有強(qiáng)大的備份功能：(1)可實(shí)現(xiàn)DMX輸出擴(kuò)展，最大可達(dá)到256個(gè)DMX輸出；(2)軟件采用Linux操作系統(tǒng)，性能穩(wěn)定、操作靈活；(3)大部分操作可以按用戶的使用習(xí)慣重新設(shè)置；(4)支持多種燈光網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；(5)軟件提供升級(jí)服務(wù)。本項(xiàng)目使用的燈光控制器有1個(gè)DMX512輸入、6個(gè)DMX512輸出、1個(gè)DMX512輸入，可實(shí)現(xiàn)與中控主機(jī)服務(wù)器聯(lián)動(dòng)。

燈光控制器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、光電交換機(jī)設(shè)備放置總控室，以便于各個(gè)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。光束燈控制系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 光束燈控制系統(tǒng)Fig.6 Beamlamp control system

1.3.1 光束燈系統(tǒng)

光束燈系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展器、放大器、光束燈等設(shè)備組成，直接接入光束燈控制系統(tǒng)。

光束燈通信協(xié)議是DMX512。DMX512是一個(gè)數(shù)字調(diào)光協(xié)議[4]其將一組燈光控制數(shù)據(jù)按照一定格式打包成多個(gè)數(shù)據(jù)包，再用串行的方式在控制線路上發(fā)送[5]，應(yīng)用它能夠?qū)崿F(xiàn)光束燈實(shí)時(shí)控制。

根據(jù)DMX512數(shù)據(jù)傳輸速率及控制網(wǎng)絡(luò)的要求，其物理層選用RS-485總線收發(fā)器，總線用一對(duì)雙絞線實(shí)現(xiàn)燈光控制器與光束燈相接，光束燈內(nèi)置調(diào)光解碼器。RS-485總線采用差分信號(hào)傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸靈敏度高。燈光控制器距離光束燈大于100 m，為了保證通信穩(wěn)定，采用光纖通信。光電轉(zhuǎn)換設(shè)備把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)超六類網(wǎng)線接到網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展器，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展器通過(guò)RVSP 2×0.5雙絞線接到放大器然后接光束燈。光束燈系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 光束燈系統(tǒng)Fig.7 Beam lamp system

1.3.2 激光燈系統(tǒng)

激光燈與光束燈作用一樣，但是激光燈照射距離更遠(yuǎn)、穿透力更強(qiáng)。

激光燈系統(tǒng)屬于獨(dú)立系統(tǒng)，在光影秀的激光表演中，F(xiàn)B4控制器可以存儲(chǔ)主控文件以控制所有的激光燈和圖案，支持DMX、ArtNet、ILDA、OSC、CITP信號(hào)。激光燈在本項(xiàng)目中先通過(guò)調(diào)試設(shè)備對(duì)FB4控制器進(jìn)行編輯和設(shè)置，以確定激光燈工作模式，設(shè)置完成后接入光束燈控制系統(tǒng)，由燈光控制器控制。

激光燈系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展器、放大器、FB4控制器、激光燈等設(shè)備組成。設(shè)備放置在表演現(xiàn)場(chǎng)，隱蔽安裝。調(diào)試設(shè)備編輯設(shè)置完成后，激光燈控制器直接接入光束燈控制系統(tǒng)，通過(guò)光束燈燈光控制器觸發(fā)調(diào)用激光燈，實(shí)現(xiàn)光影秀聯(lián)動(dòng)。激光燈系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 激光燈系統(tǒng)Fig.8 Laser lamp system

1.3.3 冷霧系統(tǒng)

冷霧系統(tǒng)由微電腦控制箱、冷霧主機(jī)、不銹鋼過(guò)濾系統(tǒng)、不銹鋼管、近2 000個(gè)噴頭組成，微電腦控制箱、冷霧主機(jī)、不銹鋼過(guò)濾系統(tǒng)放置在總控室。冷霧系統(tǒng)控制協(xié)議為DMX512，由燈光控制器控制微電腦控制箱。微電腦控制箱控制冷霧主機(jī)的開(kāi)啟及關(guān)閉。光束燈通過(guò)渲染噴霧形成仙境繚繞的感覺(jué)，增加現(xiàn)場(chǎng)表演的氛圍感。冷霧系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 冷霧系統(tǒng)Fig.9 Cold fog system

1.4 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控設(shè)備是光影秀的輔助設(shè)備，通信協(xié)議為TCP/IP協(xié)議，一方面監(jiān)控投影機(jī)設(shè)備防止失竊，另一方面攝像頭監(jiān)控投影面，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)，將表演現(xiàn)場(chǎng)的表演效果實(shí)時(shí)回傳到總控室，方便總控室調(diào)試、監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)表演畫(huà)面。監(jiān)控系統(tǒng)由攝像機(jī)、光電交換機(jī)、監(jiān)控交換機(jī)組成，監(jiān)控交換機(jī)放置在控制室，與中控主機(jī)服務(wù)器連接，把畫(huà)面實(shí)時(shí)傳送到中控服務(wù)器。另外兩臺(tái)設(shè)備放置在城樓，實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控，監(jiān)控系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 監(jiān)控系統(tǒng)Fig.10 Monitoring system

2 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光影秀系統(tǒng)搭建除了控制系統(tǒng)，配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)也是整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

2.1 設(shè)備功率統(tǒng)計(jì)

光影秀設(shè)備總用電量180.54 kW(表1)。

表1 設(shè)備功率統(tǒng)計(jì)表

2.2 配電設(shè)計(jì)

總控及各子系統(tǒng)控制設(shè)備放置在控制室，總功率10 kW，單獨(dú)設(shè)置容量為10 kW配電柜，配電柜內(nèi)配置UPS不間斷電源。室內(nèi)電纜選用低煙無(wú)鹵交聯(lián)聚乙烯絕緣聚乙烯護(hù)套電纜穿線槽隱蔽敷設(shè)。

冷霧設(shè)備、音響設(shè)備放置在控制室，總功率52.5 kW，總控室設(shè)置容量為52.5 kW配電柜，為冷霧設(shè)備及音響設(shè)備供電，室內(nèi)電纜選用低煙無(wú)鹵交聯(lián)聚乙烯絕緣聚乙烯護(hù)套電纜穿線槽隱蔽敷設(shè)。

室外設(shè)備有搖頭光束燈、激光燈、投影機(jī)、監(jiān)控設(shè)備用電設(shè)備總功率118.04 kW，根據(jù)用電量、供電半徑及現(xiàn)場(chǎng)走線路由的便捷考慮選用兩個(gè)配電柜，放置在表演廣場(chǎng)兩側(cè)，配電柜設(shè)備容量一臺(tái)53.02 kW、一臺(tái)65.02 kW。室外線纜選擇阻燃交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套電纜埋地穿管敷設(shè)。

本工程景觀照明用電負(fù)荷為三級(jí)，根據(jù)《城市夜景照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ/T 163—2008)[6]第 8.1.2條，電壓降控制在不高于其額定電壓值的105%、不低于其額定電壓值的90%，遵循這個(gè)原則，分支回路根據(jù)供電距離選擇電纜規(guī)格。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

光影秀燈光表演管理服務(wù)總控平臺(tái)建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與交付體系，梯次集控讓各應(yīng)用子系統(tǒng)不再成為信息孤島，運(yùn)用完整的底層物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議及設(shè)備管理平臺(tái)保證功能的無(wú)限延展性及與各種平臺(tái)的無(wú)縫對(duì)接。在未來(lái)設(shè)計(jì)中加上人工智能、智慧分析決策，可實(shí)現(xiàn)模塊化的各應(yīng)用子系統(tǒng)，低門檻進(jìn)入、快速化部署，為用戶提供更為貼心的管理與運(yùn)營(yíng)。