光影秀系統搭建

史國芳，吳悅明

(同方股份有限公司，北京 100083)

引言

光影秀在現有的夜經濟中有著重要的地位，探索數字與創意，鏈接人文與情感。融合創意、科技、藝術與文化，通過聲、光、影、霧、互動、動畫等形式，打造浸入式體驗。實現聽覺、視覺、觸覺、嗅覺等全方位的情感共鳴，創造現代科技與傳統文化全面融合的難忘體驗。

光影秀系統以DMX512燈具、投影機系統、音響、冷霧為核心物理載體，利用TCP/IP、DMX512等通信技術，實現光、影、聲、霧的完美配合。本系統設備由搖頭光束燈、激光燈、投影設備、冷霧設備、監控設備等組成。設備位置、控制系統、配電系統、演繹編排需要綜合考慮。本文主要討論光影秀控制系統、配電系統的設計。

1 控制系統設計

控制系統設計主要討論如何用燈光表演管理服務總控平臺實現各獨立子系統的協調工作。各子系統包含投影控制系統、光束燈控制系統和監控系統。

1.1 燈光表演管理服務總控平臺

燈光表演管理服務總控平臺建立數據標準與硬件接口，把各應用子系統接入服務總控平臺，通過底層物聯網協議及服務總控平臺協議的可擴展性實現各子系統信息通訊的順暢進行。為用戶提供簡單易操作的服務平臺。

總控服務平臺由兩臺顯示器、中控主機服務器、工程交換機等組成，總控平臺系統如圖1所示。

圖1 總控平臺系統圖Fig.1 System diagram of the main control platform

總控軟件平臺由三部分組成：

(1)操作系統平臺。操作系統采用Windows NT，其平臺具有良好的系統穩定性，能保證整個計算機監控系統的可靠性與容錯性[1]。在對數據庫的廣泛支持上和開放標準上，也使得應用軟件開發具備靈活可操作的數據存儲備份能力及實時交互調用能力。Windows NT的網絡系統采用以太網結構，具有安全、可靠的特性。使用集中式的安全管理體系，目錄和文件保護的安全性好，并有較強的故障容錯功能。自診斷方面，具備系統性能監視、網絡活動跟蹤和系統診斷等功能。人機界面具有良好的中文環境。

(2)數據庫平臺?，F地I/O數據、變量數據、操作命令數據、故障報警數據等，無論實時數據還是歷史數據都以數據庫方式記錄，數據庫結構定義簡便、靈活，維護、管理歸檔方便，數據安全。

(3)計算機應用程序開發平臺。

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

2)時間軸控制：控制激發同步精準，子系統協調配合。通過時間軸方式在不同時間段發出觸發命令，使各系統根據客戶要求實現不同的效果聯動，聲光影獨立系統將在同一時間軸上融合呈現整體的視聽感觀。

3)操作管理權限：三級管理，加強系統安全性。

①工程師級：權限向工程調試人員開放，系統集成調試維護，編輯展示腳本和素材。

②管理員級：向內容審核人員開放，審核通過后播放內容才存儲到播放器。

③操作員級：對操作人員開放，操作人員日常播放。

1.2 投影控制系統

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

投影控制系統由播放控制服務器、融合服務器、工程交換機、光端機等設備組成，放置在總控室以便實現整體聯動(圖2)。

圖2 投影控制系統圖Fig.2 Projection control system diagram

播放控制服務器是為了存儲、播放片源，片源可以是多媒體程序、Flash動畫、3D動畫、影音、即時三維游戲等。

融合服務器負責三個投影機播放片源的分割、重疊區域的融合、圖像幾何矯正。融合軟件的融合方式與需要融合的內容無關，可以通過算法對一個通道內的平面、弧面融合，S形曲面及不規則幕面實現像素級別的幾何校正及亮度矯正，融合精度可達到1/16個像素，融合速度每通道240幀/s。

1.2.1 投影系統

投影系統作為新的表演形式，主要通過先進技術將信息以光影的形式進行有效傳遞，在傳遞的過程中往往以藝術形式展示，借助投影媒體增強現場視覺效果。這種將光影藝術化方式，更講究故事性、藝術性，承擔著制造舞臺效果、渲染藝術氛圍的功能[2]。

投影系統選擇激光投影機，其使用激光光束來透射出畫面。激光在機器內經過相應的光學元件和處理芯片的擴束后再透射到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，完成激光投影機顯示過程。

這里以城樓側立面作為投影幕布。根據投射面積、環境光、投影機的放置位置、成本及所要實現的效果選擇投影機數量。該城樓寬50 m，高23 m，投影面為異形結構，根據現場環境及投射面積，在距離投射區域3中心點90 m的位置設置一臺60 000 lm(機房三)的投影機，在距離投射區域1/2中心點50 m城樓兩側分別設置一臺30 000 lm的投影機。在片源制作過程中根據城樓外形特點，裁剪片源，在沒有背景的區域、城樓門洞等有人流出入的地方裁減掉光源投射，只在有實體的地方投射。投影區域劃分如圖3所示。

圖3 投影區域劃分Fig.3 Projection area division

投影機種類及數量確定后，需要確定投影機的工作環境。由于投影機發熱量大、設備精密穩定性要求高、價格比較昂貴、設備的工作環境溫度比較敏感等原因，為投影機配備專門的設備機房，機房根據設備功率配有空調、工業冷水機等設備以保證設備工作時的環境溫度及濕度。由于投影機到投射區域間不能有遮擋，投影機房用立柱駕高2 m放置，機房立柱及基礎需根據設備重量進行設計。投影機位置受地面周圍環境約束，不能放在投射面正中心，否則投影時會發生畫面變形的情況。三臺投影機同時投射一個被照面，必然會出現顏色、亮度的差異，同一臺投影機在被投射面結構不一致的情況下也會影響投影的效果。投影機控制系統的播放控制服務器和融合服務器為實現三臺投影機投射畫面效果統一及矯形提供軟硬件支持。

投影機通信協議是TCP/IP協議，投影機房相關設備放置在表演現場?？偪厥遗c投影設備距離大于100 m，采用光纖通信。投影機系統如圖4所示。

圖4 投影機系統圖Fig.4 Projection system diagram

1.2.2 音響系統

音響系統為光影秀提供音效支持，使整個表演更加震撼，真正實現視聽盛宴。音響系統由調音臺、音頻處理器、功放、音箱等設備組成，調音臺、音頻處理器、功放等設備放置在音響機柜內，本項目音響機柜放置在總控室。

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

調音臺與投影機播控服務器通過音頻線連接，播放投影機片源聲音。

音箱放置在表演現場。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，兩個音箱并聯功率為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。音響系統如圖5所示。

圖5 音響系統圖Fig.5 Sound system diagram

1.3 光束燈控制系統

光束燈控制系統由燈光控制器、網絡交換機、光電交換機等組成。

燈光控制器可用于多用戶操作和聯網、具有強大的備份功能：(1)可實現DMX輸出擴展，最大可達到256個DMX輸出；(2)軟件采用Linux操作系統，性能穩定、操作靈活；(3)大部分操作可以按用戶的使用習慣重新設置；(4)支持多種燈光網絡協議；(5)軟件提供升級服務。本項目使用的燈光控制器有1個DMX512輸入、6個DMX512輸出、1個DMX512輸入，可實現與中控主機服務器聯動。

燈光控制器、網絡交換機、光電交換機設備放置總控室，以便于各個系統聯動。光束燈控制系統如圖6所示。

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

1.3.1 光束燈系統

光束燈系統由網絡擴展器、放大器、光束燈等設備組成，直接接入光束燈控制系統。

光束燈通信協議是DMX512。DMX512是一個數字調光協議[4]其將一組燈光控制數據按照一定格式打包成多個數據包，再用串行的方式在控制線路上發送[5]，應用它能夠實現光束燈實時控制。

根據DMX512數據傳輸速率及控制網絡的要求，其物理層選用RS-485總線收發器，總線用一對雙絞線實現燈光控制器與光束燈相接，光束燈內置調光解碼器。RS-485總線采用差分信號傳輸，抗干擾能力強，傳輸靈敏度高。燈光控制器距離光束燈大于100 m，為了保證通信穩定，采用光纖通信。光電轉換設備把光信號轉換成電信號，通過超六類網線接到網絡擴展器，網絡擴展器通過RVSP 2×0.5雙絞線接到放大器然后接光束燈。光束燈系統如圖7所示。

圖7 光束燈系統Fig.7 Beam lamp system

1.3.2 激光燈系統

激光燈與光束燈作用一樣，但是激光燈照射距離更遠、穿透力更強。

激光燈系統屬于獨立系統，在光影秀的激光表演中，FB4控制器可以存儲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。激光燈在本項目中先通過調試設備對FB4控制器進行編輯和設置，以確定激光燈工作模式，設置完成后接入光束燈控制系統，由燈光控制器控制。

激光燈系統由網絡擴展器、放大器、FB4控制器、激光燈等設備組成。設備放置在表演現場，隱蔽安裝。調試設備編輯設置完成后，激光燈控制器直接接入光束燈控制系統，通過光束燈燈光控制器觸發調用激光燈，實現光影秀聯動。激光燈系統如圖8所示。

圖8 激光燈系統Fig.8 Laser lamp system

1.3.3 冷霧系統

冷霧系統由微電腦控制箱、冷霧主機、不銹鋼過濾系統、不銹鋼管、近2 000個噴頭組成，微電腦控制箱、冷霧主機、不銹鋼過濾系統放置在總控室。冷霧系統控制協議為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的開啟及關閉。光束燈通過渲染噴霧形成仙境繚繞的感覺，增加現場表演的氛圍感。冷霧系統如圖9所示。

圖9 冷霧系統Fig.9 Cold fog system

1.4 監控系統

監控設備是光影秀的輔助設備，通信協議為TCP/IP協議，一方面監控投影機設備防止失竊，另一方面攝像頭監控投影面，通過監控系統，將表演現場的表演效果實時回傳到總控室，方便總控室調試、監控現場表演畫面。監控系統由攝像機、光電交換機、監控交換機組成，監控交換機放置在控制室，與中控主機服務器連接，把畫面實時傳送到中控服務器。另外兩臺設備放置在城樓，實現全方位監控，監控系統如圖10所示。

圖10 監控系統Fig.10 Monitoring system

2 配電系統設計

光影秀系統搭建除了控制系統，配電系統設計也是整個系統可靠運行的關鍵。

2.1 設備功率統計

光影秀設備總用電量180.54 kW(表1)。

表1 設備功率統計表

2.2 配電設計

總控及各子系統控制設備放置在控制室，總功率10 kW，單獨設置容量為10 kW配電柜，配電柜內配置UPS不間斷電源。室內電纜選用低煙無鹵交聯聚乙烯絕緣聚乙烯護套電纜穿線槽隱蔽敷設。

冷霧設備、音響設備放置在控制室，總功率52.5 kW，總控室設置容量為52.5 kW配電柜，為冷霧設備及音響設備供電，室內電纜選用低煙無鹵交聯聚乙烯絕緣聚乙烯護套電纜穿線槽隱蔽敷設。

室外設備有搖頭光束燈、激光燈、投影機、監控設備用電設備總功率118.04 kW，根據用電量、供電半徑及現場走線路由的便捷考慮選用兩個配電柜，放置在表演廣場兩側，配電柜設備容量一臺53.02 kW、一臺65.02 kW。室外線纜選擇阻燃交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套電纜埋地穿管敷設。

本工程景觀照明用電負荷為三級，根據《城市夜景照明設計規范》(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%，遵循這個原則，分支回路根據供電距離選擇電纜規格。

3 結語與展望

光影秀燈光表演管理服務總控平臺建立數據標準與交付體系，梯次集控讓各應用子系統不再成為信息孤島，運用完整的底層物聯網協議及設備管理平臺保證功能的無限延展性及與各種平臺的無縫對接。在未來設計中加上人工智能、智慧分析決策，可實現模塊化的各應用子系統，低門檻進入、快速化部署，為用戶提供更為貼心的管理與運營。