调研组：白文国、谭磊、樊长青、秦小刚、吴剑敏、葛广利、王江、张良学、王京池

　　由于疫情的原因,2022年度北京灯光调研工作推迟到2023年2月15-17日进行。调研组先后走进北京金东高科科技有限公司(以下简称：金东高科)、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)和ARRI(阿莱)中国等四家企业进行交流调研。

　　四家企业都属于行业的佼佼者。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，建立了从设计研发、加工制造到系统集成、售后维保的一整套设计研发生产体系，尤其在大型非标机电设备设计研发领域有许多成功应用案例。北特圣迪同样致力于舞台机械的研发与制作，在舞台机械、航天机械和国家大型演艺活动等诸多领域都做出了突出贡献，具有许多成功应用案例。星光影视是老牌的影视设备研发生产企业，近几年，在XR虚拟影像演播室方面、创新方面走在了国内同行的前列。阿莱灯光一直是电影灯具的品质领导者。

　　调研组与金东高科、北特圣迪就工程案例的成功经验、设备装置的技术难点等进行深入交流，通过调研，大家深深感受到中国当代舞台机械的巨大成就和强有力的发展潜力。舞台机械为演出、大型活动增添了活力，为模拟试验、效果仿真提供了技术保障，舞台机械的使用提升了演出的艺术效果，已成为舞台艺术的生力军。在星光影视，调研组走进XR虚拟影像演播室，与XR资产设计、技术、系统技术人员进行深入交流，感觉到现代电视节目制作技术的魅力。本篇针对金东高科、北特圣迪和星光影视在工程应用方面进行概括总结,与大家分享。

　　一、舞台机械在冬奥会开闭幕式上大放异彩

　　2022年北京冬奥会开闭幕式,是由国家航天科技公司总体承接，委托北特圣迪和金东高科承担了多项舞台机械装置的设计研发工作,包括地面中央舞台系统、空中威亚、冰瀑大型表演装置、主火炬执行机构、冰立方等等。相比2008年北京奥运会，本次北京冬奥会的舞台机械更加复杂、规模更加庞大。视频动画与舞台机械的完美结合令人赞叹。这种虚实结合的表现形式，使演出效果更加真实、震撼。下面着重介绍几项具有代表性的舞台机械装置应用案例。

　　1. 结构复杂的巨大“冰瀑”真实、震撼

　　北特圣迪的“冰瀑”为北京冬奥会提供了视觉盛宴，“冰瀑”画面源自中国传统国画的泼彩，冰蓝色的水墨从“冰瀑”画面一角润染开来，有“飞流直下三千尺”之势，宛如“黄河之水天上来”，以磅礴之势一泻千里，展现了气吞山河海纳百川的中华民族气魄，表现了中华民族的宽广胸怀，令全世界观众为之震撼、折服。待到运动员入场环时，“冰瀑”下部屏幕迅速升起，瞬间转换为“中国门”，红红火火迎接八方宾客，体现了中华民族和平友好，共建世界温暖家园的美好愿望。“冰瀑”的应用，提升了艺术效果，增强了感染力，成为冬奥会开幕表演的亮点。

　　“冰瀑”体积庞大，宛如一座建筑物。其高59.2m、宽19.2m、厚7.6m，底部中间设置14m×7m可升降显示屏。“冰瀑”由固定显示装置、升降显示装置、固定斜坡道、后部通道等几部分组成，包括主体结构、非标机械设备、LED表演装置、设备控制系统、LED控制系统等。主体结构采用钢结构搭建，地面设置了承力平台，保证主体结构的稳定性。“冰瀑”庞大的身躯增强了演出的画面气势。

冰瀑示意图

　　2.巨大的“冰立方”演艺着“五环”的诞生

　　金东高科的“冰立方”是北京冬奥会开幕式用于展示“五环”的核心设备，是可多面显示视频的长方体。“冰立方”独特的立体显示模式，实现了裸眼3D的视觉效果，再通过地面LED的倒影等视频配合，给人一种极致真实的感觉。尤其是“冰立方”设备下降运动结合碎冰视频时，给观众展示了五环从冰块中“破冰而出”的艺术效果，体现了机械运动和碎冰的视频高精度配合，实现了技术与艺术的完美结合。

冰立方示意图

　　“冰立方”长22m，宽7m，升起后高10m，设备体量大，载荷重，升降速度最快能达到0.42m/s，是普通升降台速度的1.4倍，具有全行程位置监测，定位精度偏差小于0.5mm，在设备高速运行的条件下，以及设备启动和停止的加减速时间里，能够保持视频没有误差，实属不易。

　　3.“五环”与火炬“大雪花”是机械应用点睛之笔

　　北特圣迪制作的冬奥会中央升降台暗含着主火炬“大雪花”，“冰立方”隐藏着令世人期待的“五环”，两者均承担着冬奥会开闭幕式的重要任务。“冰立方”与地面舞台屏幕冰视频结合，冰块碎尽，五环诞出，在空中威亚的作用下，缓缓平稳上升。随着表演的进程，火炬“大雪花”也在中央平台的托举和空中威亚的作用下，慢慢升起，震撼全场。“冰立方”、升降台的机械有暗含、隐藏、释放的功能，借“五环”与火炬“大雪花”把冬奥会开幕式气氛推上高潮，是画龙点睛之笔，成为整个冬奥会开幕式的亮点。

大雪花、五环示意图

　　火炬“大雪花”直径14.89m，需要在40m高空360度翻转，供电、供气和通讯控制极其不易。但冬奥会开闭幕式火炬“大雪花”不能出现差错，必须确保万无一失，这为机械设计制作出了一道难题。

　　二、舞台机械拓宽剧场空间、提升艺术效果

　　在传统剧场演出中，舞台机械越来越注入其独特的生命力。在舞台机械的加持下，舞台的空间得到了极大的拓展和改变，打破了以往的观演关系，使艺术家的创作手段更加丰富，相对呆板的演出空间变的灵动起来。金东高科长征大剧院的机械臂升降台和北特圣迪研发的观众席开合车台、升降旋转摇臂就是舞台机械在剧场工程中应用的典型代表。

　　1.“笨重”的机械臂成为舞台空间“轻松”变换的魔术师

　　金东高科长征大剧院使用的机械臂升降台，据介绍是当前舞台使用的最大机械臂升降台。它为舞台表演提供了多变的舞台空间，机械臂灵活的变化为演出提供了组合平台、分割平台、斜平台、瀑布水平台和投影表演平台，魔术师一样的机械臂为演出增光添彩，为空间变化提供了最大可能，成为演出的视觉焦点。

　　机械臂升降台采用2套机械臂组成，并排布置在舞台前表演区，每套机械臂升降台有6个运动轴，运动轴设置了位置监测，对各轴的运动进行了合成，保证台面的各种姿态位置精确。台面尺寸12.5m×12m，台体为双层升降台，总运动载荷120t。机械臂台面经过特殊处理，既能作为舞台面使用也能作为投影面使用，且两台机械臂台面间无缝隙。

机械臂升降台演出现场图与示意图

　　2.舞台机械的创新改变着观演关系

　　北特圣迪根据演出需要为剧场设计的观众席开合车台、升降旋转摇臂等舞台机械，改变了观众席的常规使用方式，改变了观演关系，是舞台机械设计的又一创新。据介绍，观众席开合车台、升降旋转摇臂的应用，是同类演出的首创。演出中出其不意的升降旋转摇臂在观众席车台缓缓打开后，从观众脚下渐渐升起并在观众上空旋转，演员在平台上表演，增强了演出气氛和神秘感，让观众身临其境。舞台的表演区瞬间转换到观众席，表演区的迁换完全是由舞台机械来实现的，升降旋转摇臂的使用，使传统的镜框舞台瞬间变成了侵入式的现代舞台，给观众留下深刻印象。

　　升降旋转摇臂长8m，俯仰角60度，由平台钢结构、摇臂钢结构、升降驱传动、旋转驱传动、俯仰驱传动、升降导向、安全保护、电气系统和控制系统组成。控制系统有预设停位、紧急停车、定位存储等，且与升降伸缩平台有互锁功能，升降旋转摇臂位于观众席车台下方。

开合观众席与升降旋转摇臂示意图

　　三. 模拟与虚拟设计创造了无限未知空间

　　模拟与虚拟为我们提供了创造无限空间和未知空间的可能，也是科技发展的必然产物，科技发展促生了科学家对未知空间的探索和模拟实物实验，例如探索火星。金东高科的火星低重力模拟试验平台三维随动系统，就是火星探测器运动模拟平台，为火星探测器运动提供了实验数据。在虚拟空间方面，星光影视的XR虚拟演播室技术，突破演播室的物理空间拍摄，将小空间拍出大世界，实现了有限空间拓展为无限空间的愿望。

　　1.神秘的火星低重力模拟试验平台

　　金东高科的火星低重力模拟试验平台三维随动系统，充满神秘。一方面要实现水平两自由度大范围跟踪火星探测器运动，另一方面在水平高精度跟踪运动的同时，还要跟踪探测器垂直方向大范围的高速移动，达到探索神秘火星的探测模拟效果，实现在地面通过科技手段模拟火星探测器运动的目的，为探索火星提供数据。

　　低重力模拟试验平台由主体结构、并联索驱动系统、快速随动系统、释放设备等组成。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。最终实现了多自由度、长行程、大惯量机电系统的高速度、快响应、高精度控制。解决行程长与精度高、惯量大与响应快等相互制约问题，采用由粗到精对吊绳拉力和水平随动进行逐级控制。

火星低重力模拟试验平台全景图

　　快速释放设备由夹持释放机构、液压动力单元、遥控操作接收单元和电控箱组成。采用远程操作单元对释放装置进行操作，在任一指定高度进行遥控操作和程序自动控制，实现了远距离操作，保证了操作人员的安全性和装置使用的方便性，满足试验的需求。液压动力单元设置有双向液压锁、蓄能器，具有极高的安全性能。保证释放的快速性，满足试验所要求的技术指标。

　　大起升高度卷扬系统采用平行折线型卷筒(美国莱伯斯(LeBus)专利)技术，钢丝绳能顺利地实现多层卷绕。模拟项目创造性地设计了任意位置无缝闭锁功能，通过螺杆、杠杆机构将摩擦片压紧在导轨表面，将塔吊与塔体连接成一个整体，安全实现模拟实验。

任意位置无缝闭锁原理图

　　2.创造无限空间的XR移动演播室

　　星光影视研发的XR移动式虚拟演播室STAR-XRBOX是当前备受欢迎的演播室，可搭建无限空间的虚拟场景，也可瞬间实现场景转换，给使用者创造无限的虚拟拍摄空间。

XR移动式虚拟演播室

　　XR技术是目前世界上最先进的虚拟制片技术，依托于实时渲染引擎，将特殊的AR增强现实影像与基于LEDWALL的ICVFX(Incameravfx)影像进行实时合成，无需抠像，即可实现突破演播室有限物理空间的拍摄，实现小空间拍出大世界的艺术效果。

　　STAR-XRBOX硬件配备有全套XR虚拟制作系统，设备包括LED大屏幕及处理器、XR渲染与合成服务、摄像机、摄像机跟踪系统、专业灯光系统、音频系统、网络系统，同步系统等，配有APP/H5程序，适合于各种室内外环境。

　　XR移动演播室用于电影电视拍摄、演唱会、舞台综艺晚会、产品发布会、个人作品录制、网络直播、科研教育等领域，在艺术创新和科技创新的基础上，可以完成各种丰富多彩的视频内容创作。STAR-XRBOX核心结构框架为模块化设计，可快速拆装，并在虚幻引擎内，完成LEDWALL的ICVFX系统搭建、摄像机的标定与校准等，可迅速投入使用。

　　结束语

　　舞台机械已广泛用于演播室机械工程、剧场机械工程、国家大型活动、以及航天升降机械等方面，舞台机械的使用为演出增添了亮点。

　　1. 舞台机械企业的创新研究使舞台机械得到了飞速发展。

　　2. 舞台机械不只局限与舞台、演播室、大型活动，已进军航天领域。

　　3. 舞台机械的研发实现了艺术家对艺术的无限追求。

　　4. 虚拟影像XR技术方面，与国际同步接轨，已广泛应用于节目制作。

　　5. 舞台机械、XR虚拟影像技术与国际先进水平的差距越来越小。