2021北京灯光调研报告-智能·控制·工程篇

2021-9-27  来源:舞台电影电视照明专业委员会  有2613人阅读

调研组:刘明 高园缘 刘建臻 吕波 胡耀辉 熊英 王京池

  9月15日—17日,中国照明学会舞台电影电视照明专业委员会(以下简称:专委会)组织调研组,先后到北京星光影视设备科技股份有限公司(以下简称:星光影视)、北京北特圣迪科技发展有限公司(以下简称:北特圣迪)、北京金东高科科技有限公司(以下简称:金东高科)、ARRI中国公司(以下简称:阿莱灯光)4家企业走访调研。

  专家们在各个企业详细了解技术创新情况,实地考察测试新技术新产品,进一步了解电影电视舞台灯光技术的最新动态,本篇主要介绍各调研企业在舞台智能控制工程等方面的最新进展和行业发展趋势,以期推动企业研发生产与用户应用的沟通交流。

一 不忘初心,技术为王,研发型企业的护城河

  企业要不断提高和发展,需要在研发上进行大量持续的投入,也就意味着要依靠足够的利润来支撑,所以我们在薄利行业或过度竞争市场中通常很难看到研发型技术企业。然而,此次调研中各企业直面疫情造成的市场萎缩、经济发展受限、人员及物资流动受阻、商业交流减少、实体生产时有中断的种种困难,不仅没有停止前进的步伐,而且因应外部环境变化,化危为机,加快企业升级转型,立足新技术研发与新市场开拓,不仅满足了特殊时期市场需求,还通过新技术的新应用对用户的困境提出新的解决方案。

  首先,疫情不仅造成市场萎缩,同时也对制造业的生产、供应和销售造成了巨大影响,客观上加速了行业集中进程,大浪淘沙下也令真正掌握核心技术和研发能力的技术性企业脱颖而出。

  其次,从市场需求来看,疫情对低端小规模零散市场的影响更大,而大型非标准化演艺工程项目受到的影响相对较小,客观上抬高了市场准入的技术门槛与资金门槛。

  第三,在硬件技术、设计水平与生产工艺水平达到一定的阈值以后,生产制作过程的计算机仿真,以及面对用户的虚拟现实技术迎来爆发期,恰逢其时地解决了疫情给生产和市场带来的困扰。

  第四,机遇只对有准备的人敞开大门,市场的跳跃性,建立在技术的延续性之上,这是制造业的铁律,能够在危难时期逆风飞扬的企业,其基础能力都来自于长期对技术研发的巨大投入、以及对行业趋势和永和需求的准确把握,一切新技术都建立在长期行之有效循序渐进的体制之上,而非灵机一动的空中楼阁。

  我们在星光影视、北特圣迪、金东高科、阿莱灯光等底蕴深厚的高科技企业中,不仅看到强大的技术、设计、研发、生产能力,更看到厚积薄发之下的市场敏感与锐意进取。他们在新概念虚实结合演播室、生产过程的仿真、面向用户操作提供的仿真、新型设计理念与控制方式、新的生产工艺与工程工艺、巨型个性化复杂控制工程等方面,不仅在技术理念上取得巨大突破,而且多已投入实践,新技术不仅在成型产品上经受住了实践检验,在实践中也得到了市场的认可。

二 设计生产智能化与客户端智能化

  金东高科基于远程航天技术开发的各种多维度、多自由度舞台机械及系统演艺工程,为用户提供了巨大的发挥空间。例如,远程固定供电式多自由度双点高速飞行器,可以悬吊演员,配合演员做出升降、平移和旋转等飞行动作。驱动装置固定于马道上,活动机构上无需装载驱动装置和电池,相当于保持了汽车多维度运动能力的同时,把车载电池的新能源汽车变成持续供电的高铁。

金东高科远程固定供电式多自由度双点高速飞行机构

  金东高科以火星低重力模拟试验平台为基础的高精度大空间动态平衡三维随动系统技术,在舞台上得以应用。该系统由主体结构、并联索驱动系统、快速随动系统等组成,并联索驱动系统完成大范围的移动和跟踪,快速随动系统实现拉力、位置跟踪的混合精确控制。系统的精确控制使演员或道具、器械在空间大范围三维快速自由运动,可实现传统飞猫或威亚等难以想象的场景呈现。

  金东高科除了表演系统智能化设计,针对用户终端的通用控制系统研发也更加智能化。其剧场通用组态软件,无需进行软件编程和修改,只需要对相关参数进行配置设定,即可完成软件系统组态。软件模块化设计,软件接口按照工程化流程设置,通用性强,可评可测,从而保证软件系统的可靠性。同时通过三维图形型式在控制台上实时显示设备的运动状态,使用户可进行远程所见即所得直观操作,更加安全和便利。

  北特圣迪最新自主研发的SZCS-6000舞台控制系统,在原舞台操控系统的基础上,融合自适应控制、鲁棒控制和模糊控制等先进控制技术,具有整体结构性价比高、运行速度快、网络响应及时、系统扩容能力强的特点。具备先进的机械控制理念,采用模块化可配置编程理念,支持多控制台平行管理、等时授权、实时设备监控和报警分级管控等高可靠安全技术。通过内部支持的多场景、时间轴、数据流等功能,解决了与灯光音响等非机械设备的同步演出问题,实现了一机多控。

北特圣迪神州舞台控制系统

  系统由PLC运行子系统、HMI操作管理子系统、远程维护子系统等构成。拥有模块化流程可配置、多控制台的安全管理、实时监控自整定等特色技术和功能。

北特圣迪系统模块化的设计结构

  阿莱灯光的整体控制方案“ARRI LightNet”系统。该系统可以显示灯光网络所有灯光的信息状态;警报标识符直管提示错误信息;通过IP方式接入中心化监控系统;中心/去中心化系统架构,可实现:后台高性能服务器连接灯光网络,通过网络访问控制台界面;前台利用笔记本电脑,便携PC或平板电脑等普通设备访问控制台;多用户界面,使用不同的前台设备同步工作;支持远程控制,通过VPN连接远程监控网络;支持虚拟化,后台和前台均使用虚拟机。

ARRI LightNet灯光控制系统

三 智能控制算法为王

  北特圣迪2019年开始立项的万向表演车台,取得了较好的成果,该设备在功能完整性、运行的安全性可靠性、对不同空间场景及各种表演运动形式的适应性、方便高效的运动轨迹规划三维人机界面等方面均有较大的提升。该平台由控制台和万向车台主体两部分组成,类似自动驾驶,可以运载演员、道具等在舞台场地中自由移动,任意行走,参与变换舞台形式,在多种形式的移动中展现其独特的表演效果。平台设计为既可以由操作人员实时操作运动,也可以根据事先编程的路径和速度复现运动,其驱动方式、布置形式以及控制系统等均有独特设计。

  用户通过控制台下发相应的运行命令,并通过无线通讯下发给万向车台;车体PLC接受命令后,利用运动控制算法计算获取每个轮子的旋转角度和行走速度信号,并下发给伺服驱动器完成运动命令。其中运动控制算法是其核心技术。

  北特圣迪的三维4轴表演系统是一种基于多维算法集成的应用于预定三维空间内飞行表演的设备。飞行装置是利用四根柔索牵引着悬挂飞行物,使其在三维空间里随意运动。

北特圣迪三维4轴表演系统基本结构模型

  三维4轴表演系统打破了传统威亚在一维上下运动,二维平面运动的局限,使演员可以在设定的三维空间内任意飞行表演。近两年,对其硬件及控制系统进行了深入的研究和优化,包括系统布局和有效空间的研究、高速卷扬驱动设备的优化设计、悬吊绳索的优化选型、运动轨迹规划三维人机界面的开发、核心运动控制算法的研发等,取得了较好的成果。

  运动控制算法的深化与优化,使该系统在功能完整性、安全可靠性、不同运动形式的适应性、方便高效的运动轨迹规划、三维人机界面设计、位置传感精度、误差反馈补偿设计等方面均有较大的提升,可实现理想的3D飞行效果。

四 生产过程仿真技术

  金东高科的多自由度虚铰升降平移翻转组合舞台技术已经使用多年,我们曾经介绍过的尼山圣境儒宫礼乐堂,其活动竹简采用的就是串联式三自由度机械系统的技术方案,构成正反两面翻转较大角度的虚铰机构,实现创意要求。

  在该技术的设计、研发过程中,利用基于虚拟样机技术的舞台机械研发方法,采用三维设计/有限元分析/动力学仿真的联合仿真技术路线,应用到活动竹简的设计过程中,在较短时间内完成了定制化新产品的研发设计。

金东高科多自由度虚铰升降平移翻转组合舞台——尼山圣境儒宫礼乐堂

  金东高科将动态仿真技术(虚拟样机技术)应用于舞台机械中,利用动态仿真技术,实现舞台机械设备虚拟样机设计及仿真,在国庆70周年、大型演艺、标准剧场、航天军工等多领域得到广泛应用。

金东高科动态仿真技术(虚拟样机技术)在舞台机械中的应用

五 用户终端仿真应用

  金东高科的灯光离线编辑及三维动态仿真技术,立足舞台灯光音视频专业具备方案设计、实施丰富经验和技术储备,从实际演出需求出发,能够高效配合演出团队创意和剧场工艺需求进行艺术呈现。配合先进的硬件设备,建筑三维仿真模拟、灯光离线编辑、音视频效果优化、BIM综合分析、VR虚拟互动等技术,可实现非现场一比一效果演示,为设计师的远程设计和离线编程提供更加直观便利的工具。

金东高科灯光离线编辑及三维动态仿真技术

  北特圣迪应用于舞台设备操作的三维虚拟现实技术,为用户提供了多角度可视化操作功能。该技术在三维环境中以虚拟现实的方式来展示舞台设备的运行状态,给操作员一个更加贴近现实场景的操作环境,实时显示设备的位置、速度、电流和报警信息;在设备的运行过程中可以实时通过旋转屏幕从不同视角观察设备相对于其它设备的位置,让操作员能直观全面的了解到演出的状态;给操作员一个贴近真实场景的操作环境,有效解决了操作员由于视线遮挡不能全面掌握所有设备运行情况的问题。

  模拟走场时,可以对编辑的场次进行提前预演查看效果是否符合预期并判断参演设备是否会发生互锁碰撞;通过三维模型的运动来测试效果,减少了机械设备的运行次数,有效节省人力物力成本。

北特圣迪虚拟现实3D剧场系统

六 一站式定制化巨型实景工程的多元化发展

  北特圣迪结合演艺设备工程实际需求及演艺设备创新理念,积极开展技术研发创新和新产品研制,在技术上处于国内先进水平。建设的上海马戏城舞台机械工程技术难度较大、特殊功能要求多,非常规高难度设备为主。其中许多实施方案都具有较强的创新性,设计要求及设备和安装工艺要求均较高。

  具体包括φ14m片式转台;多功能φ2.6m旋转升降台;支撑防护表演蹦床的四套升降立柱装置;电脑灯升降及其盖板开合联动机构;展臂回转式双绸吊表演装置;六吊点环轨独立运动绸吊表演装置;空中飞人用行走升降空中倒挂伸缩柱桩机构;弹射舞台装置等等子项目的从零开始的立项设计直到生产安装和工程组装。这些设备研发生产安装难度较高,均为非标创新性设计,项目落地实施标志着高难度改造工程的成功。

  金东高科致力于剧场专业设备、军工产品、大型非标机电设备的设计研发。建立了策划咨询、工艺设计、研究开发、加工制造、系统集成、安装调试、售后维保等完整体系。

  2021年8月,该公司承接的大型情景史诗《夜渡·于都河》项目的舞台机械工程。在长征出发地江西于都问世。为了呈现出宏大的史诗叙事,舞台正中央有两套大翻板设备和一块小翻板设备,台面面积分别为12mX12.5m和8mX12.5,覆盖整个主舞台区域。采用多自由度串联机构,实现台面板大幅度的升降、平移、旋转、倾斜、翻转等复杂动作。采用比例液压控制系统,功率密度大,举重若轻。大翻板分上下两层台板,小翻板可接通大洪水,表演平台可高低错落组合,表演空间充盈在整个台口范围。

  大翻板升降行程7.5m,台面翻转60°,前后平移行程±1.0m,左右平移行程4.0m;小翻板升降行程5.5m,台面翻转15°,前后平移行程1.0m;大翻板还可以实现360°旋转。通过翻板之间不同的位置变换组合,营造出多种演出场景。同时两个大翻板之间通过相互配合,同步运行,可以为观众呈现多种观演视角,创造出更加强烈的视觉冲击感。

《夜渡·于都河》大功率多自由度串联机构翻板舞台

  台口外台下由水中升降台和移动小船构成舞台延伸表演区,配合台口外飞行机构,组成3D效果表演空间。水中升降台可单独形成表演空间,也可配合移动小船隐藏到船底形成船体平台表演空间,给与演员更大的发挥空间。同时使得演员和观众之间拥有更近距离的互动,达到沉浸式演出的表演效果,使观众真正融入到演出场景当中。

七 虚拟与现实的梦幻结合

  今天我们看到的实景舞台演艺控制技术,包括本文前述的舞台机械系统、自动控制系统、仿真操作系统,以及耳熟能详的电脑灯系统、无人机集群表演系统等等,已经与航空、航天、新能源、新材料、自动驾驶、自动飞行等等前沿技术基本同步;舞台系统硬件的材料工艺、生产工艺及工程工艺已经堪比太空探索;舞台工程的足迹已经遍布城市乡村、山上水中、名胜古迹,规模往往堪比巨型城建工程。在目前的科技和经济基础下,我国舞台实景工程已近极致,同时,随着疫情对各种现场聚集的重大影响,创作者的目光逐渐投向日趋进步的虚拟现实手段上。

  调研中,专家组考察了星光影视400平米、600平米XR虚拟演播室,重点了解了星光XR项目发展情况,现场演示了虚拟灯光和真实灯光的虚实结合效果。

  XR(扩展现实,Extended reality)是一个用来描述结合了虚拟和真实元素的环境或交互行为的术语。尽管通常大家认为XR包含了AR(增强现实)、VR(虚拟现实)、MR(混合现实),但它在影视、广电、广告、直播、展览展示等行业有着特别的涵义。它被特指为包含LED显示屏、摄影机追踪系统及强大的图形引擎实时渲染的工作流程,是将表演者实时融入在虚拟世界中而无需绿幕及后期制作过程,实时输出最终画面的的虚拟制作方式。

  XR虚拟拍摄有着3D视觉逼真、仿真效果突出、表演身临其境、虚实完美结合、置景随心所欲、虚拟无限扩展、视点自由变换、真实与虚拟摄像机无缝连接的特点。

  星光XR虚拟演播室的主背景采用高密度、不反光、高刷新、大可视角的LED显示屏。

  视频特效软件使用Unreal、Unity、Norch等软件,硬件采用图形渲染能力强大的计算机;摄像机跟踪采用机械摇臂或机器人与光学图像分析等方案。

  灯具采用全光谱数字多动作LED灯具,在光色上保证与虚拟素材的结合呈现。

星光影视600平米XR演播室

  其中,600平米XR演播室拥有专门为XR虚拟拍摄打造的160大视口LED曲面屏结构,立面弧长255m,高度达7m。其地屏与立屏均为P2.6点间距的影视级LED屏幕,地屏结构为星光自主研发,可以承受汽车等大型道具设备的重量,并针对多人节目演区大的问题设计了2.5m的地屏延伸。

  媒体服务器和渲染引擎服务器采用了全套Disguise的解决方案,并采用了Mosys的定位跟踪系统。

  在灯光和吊挂方面,采用了全光谱的三动作LED灯具,以及可移动式吊挂系统。

  摄像系统共有5个讯道,其中具备2个虚拟机位,可满足全4K拍摄录制需求。

星光XR虚拟拍摄演播室定制化方案

  据介绍,该XR项目是亚洲最大的LED屏XR演播场地,今年轰动全网的刘德华出道40周年抖音直播就是在这个场地制作的,连续数小时的不间断直播,没有出现任何纰漏和故障,XR演播室的管理系统、硬件工艺和运算速度都在全球观众的注视下经受住了考验。

  该演播室已可以完成从项目策划、设计、拍摄到制作的全部流程,走在了国内行业发展的前列。星光影视董事长陈瑞福笑谈,这是星光影视面对疫情等现实情况顺势而为的发展之举。

八 结语·舞台科技智能控制未来的方向

  1、硬件的要求越来越高,算法成本的占比越来越大;

  2、硬件的提升是有限的、阶梯型的;

  3、软件和算法的提升则是线性的,想象空间近乎无限;

  4、虚拟视觉的发展受限于当前的硬件计算能力及硬件视觉呈现能力,刚刚起步、方兴未艾,未来广阔天地大有作为;

  5、实体灯光及实体舞台的硬件技术及工艺要求越来越高,但在演出工程中的占比受到虚拟视觉挤压,占比将越来越低;

  6、实体占比的降低并不意味着工程成本降低,恰恰相反,虚拟空间中创造性工作的成本将远超实体为主的时代,而且虚拟创作均为订制化一次性创作,背后巨大的人力成本、时间成本、以及不可重复利用性的隐形增加成本等,将在很长一段时间内限制虚拟视觉的普及,这种限制的力度将远远超过硬件计算力与呈现力对虚拟视觉的限制。

  上述判断仅为作者一家之言,用以启发读者对未来行业趋势的思考,并非严谨科学结论。在后续的调研中,希望有机会继续共同深入思考和探讨。

  参加本次调研专家组成:专委会主任、中央广播电视总台教授级高级工程师王京池,专委会副主任、中央戏剧学院教授胡耀辉,专委会委员、天津广播电视台一级舞美灯光师高园缘,专委会委员、黑龙江广播电视台高级工程师刘明,专委会委员、《演艺科技》主编熊英,专委会委员、广州大剧院舞台技术总监刘建臻,专委会委员、中国传媒大学副教授吕波等。

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