2022(2023)年度北京灯光调研报告—控制技术篇

2023-2-28  来源:舞台电影电视照明专业委员会  作者:秦小刚  有6898人阅读

  调研组: 秦小刚、葛广利、张良学、白文国、吴剑敏、谭磊、樊长青、王江、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。调研组先后到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)、ARRI中国公司(以下简称:阿莱灯光)四家企业走访调研。调研组与企业管理人员和工程技术人员就技术发展状况,行业需求等方面进行了详细探讨。

  四家企业都属于行业的佼佼者。阿莱灯光一直是电影灯具的品质领导者;金东高科和北特圣迪的舞台机械品质来源于军工技术,用多年的舞台机械设计制造实力助力2022年北京冬奥会,出色完成了冬奥会开闭幕式等多项活动;星光影视是国内影视设备制造的排头兵。调研组和企业管理及技术人员进行了深入技术交流和探讨,详细了解各企业影视灯光、舞台机械研发动态。我们深刻感受到,在后疫情时代,大家都撸起袖子加油干,以科技品质赋能艺术为宗旨,始终坚持科技创新,不断研发新产品,满足市场需求。本篇报告主要从控制技术方面进行概括总结,与大家分享。

  一、更安全,更稳定,更可靠的可视化舞台控制及管理系统

  舞台工程企业致力于研发控制系统的安全管理,不断完善和升级系统。从智能控制安全可靠,人技操作简便易行上下功夫, 根据系统的复杂性特点,控制系统采用先进的计算机控制及工业网络技术实现多级控制等。

  北特圣迪神舟7000舞台机械控制台,结合舞台机械人机工程学理念,在运行安全可靠的基础上,结合高速实时现场总线,融合自适应控制、鲁棒控制和模糊控制等先进控制技术,解决了舞台控制过程中的多设备联动耦合复杂度、位置空间不确定性、运行时间基准不统一以及轨迹解析过程非线性等技术难题,能够满足不同场合的多元化、动态化等舞台机械的需求。网络远程维护系统服务以虚拟现实的方式及可以在三维环境中以来展示传统设备的运行状态,大大提升了操作者的操作体验,实现了舞台机械吊挂的预知,预判,预演的目标。

图1 北特圣迪神舟7000舞台机械控制台

  金东高科控制系统可提供包括单体设备控制、设备连锁、设备状态监视、预选择设备、设定运动参数、编组运行、场景技艺、场景序列、手动介入BD、故障诊断、系统维护等舞台机械的全功能控制与操作。实现四级控制:控制台上位机程控→控制台下位机程控→控制台手控→就近控制(柜控)。控制系统设有主控制台和控制柜,该控制系统软件易于修改和管理,可以实现企业内部控制系统和管理系统的无缝连接,实现了整个剧场的信息化管理控制。

图2 金东高科X3

  ARRI lightNet是针对灯光网络内相关状态信息整套的监看系统及工具设计的。系统采用网络可视化软件,实现了灯光网络内所有信息状态检测、显示与运行。系统通过IP方式接入中心化监控系统,可实现快速判断故障点,检测设备故障以及完成后台服务器连接灯光网络,可通过控制台界面、笔记本电脑、便携PC或平板电脑等普通设备访问控制台。多用户界面可以实现不同的前台设备同步工作、可支持远程控制以及通过VPN连接远程监控网络,前后台均可以使用虚拟机。

图3 ARRI lightNet

  二、助力冬奥,提供高标准的控制设计

  每一次大型国际赛事活动,都是检验我国舞台机械行业发展水平和自主创新能力的重要舞台,也是最新舞台科技与艺术深度融合的一次展示机会。设计者一直致力于为节目提供“无所不能”的非标准专用舞台机械设计和控制设计。

  北特圣迪作为北京冬奥会和冬残奥会开闭幕式的技术协作单位,承担了地面舞台系统、空中设施设备工程、冰瀑大型表演装置、主火炬姿态调整执行机构设备系统等开幕式主要设施以及运行保障,在开幕式演出中经受住了考验,将导演团队的创意和艺术效果完美呈现在全世界面前。

  北特圣迪为了保证冬奥场外火炬旋转装置控制系统的安全平稳运行,设置了三种控制功能。单控功能,可通过两个控制台上的共8路控制单元控制单个设备或多个设备的编组运行;程控功能,可按照预设的动作模式、速度、动作时间等参数从一个预设状态运行到另一个预设状态,或者从任意有效位置启动运行到下一个设定位置;备份程控功能,采用容错技术完成控制系统软、硬件设计。在传感器、执行器或元器件故障时,系统仍可保持稳定运行。同时可自动、实时监测并诊断系统故障,并采用相应的故障控制或处理策略,通过主备执行单元切换等功能,提高系统可靠性,减缓了速度变化过大对设备造成的影响,采用柔性加减速控制策略和极端天气环境控制系统设计等。

图4

  金东高科在冬奥会筹备阶段设计了多种方案,经历舞台工艺创意发散阶段、工艺深化设计阶段后,在简约但不简单的原则下,确定了以中央升降台作为通用升降设备,以冰立方作为专用设备的最终表演工艺布置。

  “冰立方”是北京冬奥会开幕式表演用于展示五环的核心设备。其位于国家体育场正中偏东侧,正对主席台。南北长22m,东西宽7m,升起后高10m。上面和四周均设置LED,形成了一个可多面显示视频的长方体。“冰立方”独特的显示模式,实现裸眼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”艺术效果,体现了设备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”方案具有以下三个主要特点:

  1)速度快。“冰立方”设备在体量大、载荷重的基础上,升降速度最快能达到0.42m/s,是普通升降台速度的1.4倍;

  2)稳定性高。“冰立方”设备采用直线导轨的导向方式,严格控制了设备的稳定性,设备全行程位置偏差小于5mm;

  3)运行精度要求高。“冰立方”设备具有全行程位置监测,定位精度偏差小于0.5mm,与视频配合的同步偏差小于200㎳,完美实现了与视频的配合。

图5 “冰立方”演出现场

  北京冬奥上空舞台设备控制系统,是在北特圣迪自主研发的舞台机械控制软件基础上,依据分布式设计理念,采用模块化配置结构,通过分层驱动设备、远程安全采样信号、安全保护输出与核心控制器,快速便捷地联系起来。采用的PLC运行子系统,人机界面管理子系统,驱动子系统,冗余双操作台+备用远程手控盒,冗余光纤环网+路由星型网络,冗余热备驱动为机械设备运行提供实时安全可靠的运行保证。北京冬奥上空舞台设备控制系统充分利用了计算机、现场总线的新技术,越来越向人性化的方向迈进,更注重人和机械的有效配合,提高管理和控制效率,是一次完美结合的成功展现。

图6 冬奥上空舞台设备控制系统网络结构图

  三、定制化巨型表演道具装置,打造娱乐全新沉浸式娱乐体验

  近年来,大型特制装置艺术道具在旅游演艺类表演中的应用越来越多,能够在表演空间中参与互动和表演,为观众提供全新的沉浸式娱乐体验。

  北特圣迪研发了乐园机模类装置—瑞兽,可在车辆底盘的牵引下,实现前进、倒退、转向动作,可根据演出编排完成与车辆行进速度匹配的模拟行走、车辆停止后的俯卧及跃起、尾巴的左右摆动、颈部至头部的协调仿生运动等多个动作。瑞兽尾巴摆动距离左右各2.5m,颈部上下摆动角不小于150°,左右摆动不小于 120°,头部可点头、摇头,嘴巴张合,舌头可伸缩卷曲,鼻孔内可喷烟、喷水、喷雾,四肢关节、尾部及车辆地盘局部位置可喷出营造氛围的环保烟雾。系统可实现自主程序控制和人员实时操控两种表演模式,根据节目创意编排,各动作、特效、音效、灯光进行组合,完成预定表演。

图7 乐园机模类装置-瑞兽

  金东高科在长征大剧院创新应用了360°机械液压可翻可转可升降舞台,简称“舞台机械臂大翻板”。“舞台机械臂大翻版”,据介绍,作为国内首例7轴联动的机械电气液压配合的大型舞台表演设备,可满足旋转、升降、倾斜的舞台演出创意的需求。两套机械臂升降台,并排布置。每套机械臂升降台为6轴(6个自由度的运动)组合运动,台面尺寸12.5m×12m,台体为双层升降台,总运动载荷120t。台面既能作为舞台面也能作为投影面,设备在旋转,升降,平移,翻转,倾斜的全过程均需定位准确,跟投影视频精准配合。针对“舞台机械臂大翻板”内腔表演空间的安全,设置独立远程可控低压照明工作灯。

  通过机械臂对6个运动轴均设置了位置监测,保证台面的各种姿态位置精度偏差小于3mm,与视频配合的同步偏差小于50mm。每个机械臂都由4组液压轴和3个电机轴组成,液压轴采用增量和绝对值双编码器闭环控制,实现精准定位。控制系统采用双CPU,建立智能从站,将各轴在独立的PLC中集成控制,通过智能IO与主PLC通讯,缩短程序运行周期。通过建立系统虚拟轴,根据表演需求按照特定算法进行轨迹寻优,对轨迹包络线与空间限制条件进行碰撞验证最终修正确认虚拟轴最佳运行轨迹。

图8 机械臂演出现场

图9 舞台机械臂大翻板姿态模拟

  四、艺术与科技融合培育行业新模式,新业态

  随着计算机技术,视频技术,网络技术的高速发展,艺术创作者把目光逐渐投向日趋进步的虚拟现实手段上。“思想+艺术+技术”融合创新,科技赋能下的别样舞台效果给观众带来了全新的体验,XR、AR、AI等前沿技术让虚拟世界变得足够真实,让虚拟和现实的边界变得更为模糊。星光影视坚持创新将自研技术赋能各行各业,致力为电影电视、直播电商、品牌营销等各类应用场景提供更加丰富、更具创意的元宇宙的XR技术制作。

  沉浸式XR演播室有别于传统的实景演播室和虚拟演播室。它是通过LED屏幕组成的一个三维空间、将虚拟系统实时渲染的画面现实在LED屏幕上。这样做省去了虚拟抠像、合成等环节,在节目制作过程中做到了所见即所得的拍摄效果,提高了节目制作效率。系统依托立体拼接技术,在跟踪机位位置可显示出裸眼3D效果。

  star-xrbox是星光影视利用XR技术打造的XR移动式虚拟演播室,在UE5中,先后解决了摄像机标定、校准的技术实现,利用ocio实现了颜色的管理,采用广电级同步信号发生器,实现了移动位置同步的稳定性。在composure插件的帮助下,进行了XR、AR等应用的实时合成。

  它的主要功能是生产各种视觉特效视频作品和直播,其特点是突破空间尺寸限制,小空间拍出大世界,整套系统可实现2天内快速拆装,核心系统基于UE5开发打造,配备有全套XR虚拟制作系统,占地45平米㎡,内部制作空间35㎡,包括LED大屏幕、XR渲染与合成服务、摄像机、摄像机跟踪、专业灯光、网络等系统,面向小B大C的客户群体,切实的降低了虚拟制片成本,其可快速拆装的特点,适合与各种室内外环境的快速搭建。星光影视将研制云制作方案,打造云制作中心,可实现一中心多终端的管理模式,降低使用门槛,提高使用效率,降低了使用陈成本。

图10 星光影视star-xrbox

  五、灯具控制技术有所创新

  阿莱灯光欧必德(Orbiter)可以通过有线控制面板、DMX控制模式、网络控制模式、无线DMX控制模式、Stellar掌上终端应用软件等进行功能控制和操作。其图形用户界面直观,菜单结构简洁,界面元素排列整洁,人体工学设计成熟。这使得调整色彩和查找设置参数变得非常简单,营造出更好的用户体验,极大地提升了设备控制能力。欧必德的内置色彩感应模式,可以自动测量识别周边环境光特征,然后以极高的相似度模拟它的色彩。该功能非常适合在环境光源频繁变化的场合中使用,不需人为干预,欧必德自己就能和环境融为一体。欧必德使用的LiOS灯光操作系统,提供8种色彩模式,包括CCT、HSI、独立色彩、x/y坐标色彩、色纸模式、光源匹配、灯光效果,可以准确模拟还原钨丝灯、HMI镝灯、荧光灯、自然光、特种光源以及国际标准色纸ROSCO/LEE的色彩,调色或取色均简便易行,节约时间的同时更确保了色彩的一致性。

图11阿莱灯光欧必德(Orbiter)

  结束语:

  1近几年舞台机械,及舞台控制技术的迅速提升,舞台设备硬件技术及工艺越来越高,系统的综合性和复杂性迅速提升,同时算法的成本也越来越大。未来系统的发展的空间在于软件和算法能力的提升。

  2通信技术,网络技术的发展不仅提升舞台控制技术的进步,也加快了企业信息管理系统和物联网的发展。

  3创新已成为企业前进的方向,行业内多元也成为企业发展的战略和动力。企业技术的发展越来越精细化国际化。

  4技术为本,应用为王,用好技术,不断创新,才是企业发展之硬道理。

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