浅析虚拟舞台中的交互式舞台灯光排演系统

杜锦　陈洋　赵海同

内容提要：交互式舞台灯光排演系统以三维仿真引擎为平台，通过虚拟视觉呈现与人机交互技术，实现对舞台灯光投射图案、旋转角度、切换颜色、调节光束角、线性调光、空间定位等功能模块的控制，并且制定统一的数据接口，构建舞台灯光视觉效果协同控制模块，实现舞台灯光排演的技术创新。

关键词：仿真引擎、人机交互、灯光排演、协同控制

舞台灯光也叫“舞台照明”，是舞台美术造型手段之一。舞台灯光是演出空间构成的重要组成部分，是根据情节的发展对人物以及所需的特定场景进行全方位的视觉与灯光设计，并有目的地将设计意图以视觉形象的方式再现给观众的艺术创作。

如今，舞台艺术的发展越来越离不开舞台灯光的支持。舞台灯光的千变万化能够带给观众新奇、独特乃至震撼的视觉效果，因而舞台节目的导演越来越重视舞台灯光的应用，舞台灯光的效果已经成为衡量某些大型舞台作品演出是否成功的重要依据。然而，传统的灯光排演系统仍然存在许多需要改进的地方。现有的控制系统或方法由于其自身存在不同特点和缺陷，因此需要找出面向整个舞台灯光系统的排演架构及控制方法。

为了解决上述问题，围绕增强舞台视觉表现力的具体需求，交互式舞台灯光排演系统以三维仿真引擎为平台，通过虚拟视觉呈现与人机交互技术实现对舞台灯光投射图案、旋转角度、切换颜色、调节光束角、线性调光、空间定位等功能模块的控制，并且制定统一的数据接口，构建舞台灯光视觉效果的协同控制模块，实现舞台灯光排演的技术创新。

一.交互式舞台灯光排演系统的特点及架构

1.系统特点

交互式舞台灯光排演系统充分利用了计算机仿真技术、实时渲染技术以及人机交互技术。该系统以三维仿真引擎数据解算模块为核心，通过交互控制台实现对舞台灯光类型和属性的选择及调整，并且通过外部控制设备和参数设定方式实现对灯光的实时控制，根据统一的数据接口将数据传输给舞台机械，实现仿真系统与舞台机械的协同控制。系统可以根据舞美创意或者后期制作需求采用2D/3D两种模式实现画面帧序列的无损输出，实现舞台灯光排演效果的录制与回放。

本系统能够在正式演出前进行舞台灯光综合排演，为正式演出提供可视化的舞台灯光效果和依据，降低了人力物力和时间成本，避免资源浪费，提高工作效率。

2.系统架构

交互式舞台灯光排演系统包括：交互控制模块、数据解算模块、输出模块。（如图1所示）

（1）交互控制模块

交互控制模块使用UI交互控制平台制作软件创建屏幕UI控制台，通过将描述UI交互控制台的引擎可读取的特定格式文件导入到三维仿真引擎中，在引擎中构建一个UI交互控制平台。通过代码实现的方式创建UI控制节点并描述其与外部控制器设备之间的逻辑关系，由此实现对屏幕的UI控制台的操作；UI多级下拉菜单中包含各类舞台灯光，例如：常规舞台灯光、电脑舞台灯光、LED舞台灯。针对舞台上已加载的灯光，选中后可在UI交互平台下拉菜单中进行属性变换，编写属性变换节点，通过在按钮上绑定该节点及选择要替代的节点实现属性转换。

舞台灯加载完毕后需要对舞台灯的各类参数进行控制，控制方法可分为两种：一种是外部控制方法，这种方法适用于需要精确控制的灯光效果，通过键盘、摇杆类外部手持设备或者其他专业控制设备精确设定参数信息，实现舞台灯的旋转、仰角等诸多动作；另一种是数据驱动方法，该方法适用于舞台剧、演唱会、晚会等需要从头至尾观看节目整体效果，并可以进行回放以调整参数信息的舞台艺术类型。此外，通过外部控制方法进行调整的参数信息可以编写为预设格式文本，从而通过数据驱动模块进行读取。

（2）数据解算模块

数据解算模块是指三维仿真引擎对舞台灯光各类参数变化过程的描述。通过将外部控制设备在三维图形仿真引擎中注册并初始化，可以实现外部控制设备和三维图形仿真引擎的交互。系统每次更新都调用输入函数和监听函数，可实现对控制设备的各个轴向产生数据的监听和解算。在外部控制设备对舞台灯光的控制中，加入防止误差的机制。将外部输入设备数据临界值变为临界区间，再将临界区间以外的数值通过插值的方式对应到原有的区间。对外部输入设备控制数据的优化，可以降低输入设备的灵敏度，以便实现对舞台灯光的精确控制。将舞台灯光内外参数的变化转化为舞台灯光的角度、颜色、光束角、亮度、位置等常用变量的变化，并且通过三维仿真引擎实时渲染舞台灯光的变化效果。

（3）输出模块

输出模块包括2D/3D渲染帧序列和机械控制两部分，渲染帧序列是三维仿真引擎实时渲染出舞台灯光排演效果，可以采用2D/3D两种模式实现画面的无损输出。灯光机械控制部分通过统一的数据接口，对灯光的角度、颜色、光束角、亮度、位置等数据格式进行定义，使得仿真系统与舞台机械实现数据对接，通过交互控制模块得到的灯光排演数据直接对舞台灯光机械进行驱动。即输出模块可使舞美创意人员大大缩短工作时间，提高工作效率。

二.交互式舞台灯光排演系统的技术实现

1.UI界面

交互控制台通过Adobe Flash创建屏幕UI控制界面。按钮图片需要在图像处理软件中制作完成并导入Adobe Flash中，而所有按钮效果例如菜单打开、隐藏、按键效果、选中效果、下拉菜单、拖条上的小滑块滑动效果等全部都由Action Script代码直接编写动作代码实现。

通过点击一级菜单中的相应按钮可以打开二级菜单。此部分下拉菜单效果由AS在动作指令中编写，生成所对应的XML文件由三维仿真引擎读取。XML中需要定义的UI交互控制台的名字、鼠标效果、光标、UI交互界面需要显示的位置以及图片和模型库中模型的锁定。

舞台灯光颜色可通过调节红色滑条、绿色滑条、蓝色滑条来调节灯光中的红、绿、蓝的成分，从而调节混合光的颜色。

2.灯光控制技术的实现

在三维引擎中，物体的姿态由欧拉角表示，通过每帧对欧拉角的调整，可实现对实体旋转的控制。在旋转控制节点中，实体旋转的速度由三维向量（x，y，z）表示，其中x表示沿实体自身坐标系的X轴旋转，y表示沿实体自身坐标系的Y轴旋转，z表示沿实体自身坐标系的Z轴旋转。对于需要一直旋转的物体，采用按照一定的速度旋转的方式，直到状态发生改变。对于需要旋转到目的姿态的实体，有两种实现方式，一种是按照一定速度运动到目的姿态，另一种是在指定的时间内旋转到目的姿态。此两种方式的区别为：第一种是完全通过交互式操作实现灯光的选择及旋转；第二种则是预先在流图内设定好特定灯光在特定时间的特定旋转角度。也就是说，第一种是不带参数的旋转，第二种则是带参数的旋转。两种方式均是通过流图实现，需要编写两种旋转节点并通过按键触发节点，触发节点后连接已编写的旋转节点，从而达到通过按键调节灯进行旋转的目的。

实现灯光亮度的变换是通过调节UI交互界面上的灯光滑条上的滑块实现的，首先在灯光菜单中选择需要调节的灯光种类，选定后通过亮度滑条上的滑块调节灯光亮度。此部分调节实现是通过流图绑定，将各类灯光触发节点绑定在灯光二级菜单的各类灯光按键上，选中即触发灯光节点。触发节点后连接亮度节点，同时亮度滑块绑定亮度节点，使用小滑块对亮度进行调节，至此实现灯光亮度的变换。

灯光控制类图如图2所示：

灯光颜色的变换是通过调节UI交互界面上的灯光滑条上的滑块实现的。首先，需要在灯光菜单中选择需要调节的灯光种类，选定后通过亮度滑条上的滑块调节灯光亮度。此部分调节的实现是通过流图绑定，将各类灯光触发节点绑定在灯光二级菜单的各类灯光按键上，选中即触发灯光节点。由于每种颜色都可以分解为红、绿、蓝三色，故灯光颜色调节通过RGB色度系统调节各种灯光的颜色。触发节点后要连接RGB输入口，即Diffuse Color接入口，此接入口数据类型为（R，G，B）类型，同时颜色滑块绑定RGB入口，使用RGB小滑块分别对红、绿、蓝三种颜色进行亮度调节，从而得到不同颜色的灯光。

追光灯的实现需要一直朝向目的物体，这是需要对实体的朝向控制，朝向控制通过目标位置Ptarget和自身位置Pres，求出方向向量Dir=Ptarget-Pres，将实体朝向设置为归一化的方向向量Dirnorm。若要实现追踪定位，需要用C++编写流图节点，节点中包含实体坐标，完成目标位置定位，灯光通过朝向控制直接对准需要定位的实体，从而完成灯光的定位追踪。

三.交互式舞台灯光排演系统的应用案例

1.歌剧《齐格弗里德》的应用案例

图3-图7展示了交互式舞台灯光排演系统在歌剧《齐格弗里德》排演过程中的应用。图3是没有进行灯光调节的效果，图4是对舞台中景进行灯光控制的效果，图5是对舞台后景进行灯光控制的效果，图6是对舞台全局进行灯光控制的效果，图7是对舞台的电脑灯进行灯光色彩控制的效果图。

为了配合歌剧剧情发展的需要，灯光的不同照明位置和亮度也会发生相应变化，从而达到烘托和渲染故事情节，揭示主人公内心世界的目的。

2.2014年央视春晚舞美创意的应用案例

图8-图11展示了交互式舞台灯光排演系统在2014年中央电视台春节联欢晚会中的应用。图8是没有舞台灯光只有LED屏幕视频下的整体舞台效果图，图9是对舞台电脑灯的运动进行控制的效果图，图10是对电脑灯进行动态开关和光色同步控制的效果，图11是对电脑灯进行光色控制的效果。

总之，该系统与现有技术相比，在舞美创意编排与机械协同控制方面都提高了一个新的层次，从而真正体现出数字表演这一概念的实用性和科学性，为未来舞台的仿真研究奠定了可靠的技术支持并具有深刻的指导意义。因此，对虚拟舞台的灯光模块进行交互式创排研究将在未来的舞台表演领域具有广泛的应用前景和商业价值。