光影秀系统搭建

史国芳，吴悦明

(同方股份有限公司，北京 100083)

引言

光影秀在现有的夜经济中有着重要的地位，探索数字与创意，链接人文与情感。融合创意、科技、艺术与文化，通过声、光、影、雾、互动、动画等形式，打造浸入式体验。实现听觉、视觉、触觉、嗅觉等全方位的情感共鸣，创造现代科技与传统文化全面融合的难忘体验。

光影秀系统以DMX512灯具、投影机系统、音响、冷雾为核心物理载体，利用TCP/IP、DMX512等通信技术，实现光、影、声、雾的完美配合。本系统设备由摇头光束灯、激光灯、投影设备、冷雾设备、监控设备等组成。设备位置、控制系统、配电系统、演绎编排需要综合考虑。本文主要讨论光影秀控制系统、配电系统的设计。

1 控制系统设计

控制系统设计主要讨论如何用灯光表演管理服务总控平台实现各独立子系统的协调工作。各子系统包含投影控制系统、光束灯控制系统和监控系统。

1.1 灯光表演管理服务总控平台

灯光表演管理服务总控平台建立数据标准与硬件接口，把各应用子系统接入服务总控平台，通过底层物联网协议及服务总控平台协议的可扩展性实现各子系统信息通讯的顺畅进行。为用户提供简单易操作的服务平台。

总控服务平台由两台显示器、中控主机服务器、工程交换机等组成，总控平台系统如图1所示。

图1 总控平台系统图Fig.1 System diagram of the main control platform

总控软件平台由三部分组成：

(1)操作系统平台。操作系统采用Windows NT，其平台具有良好的系统稳定性，能保证整个计算机监控系统的可靠性与容错性[1]。在对数据库的广泛支持上和开放标准上，也使得应用软件开发具备灵活可操作的数据存储备份能力及实时交互调用能力。Windows NT的网络系统采用以太网结构，具有安全、可靠的特性。使用集中式的安全管理体系，目录和文件保护的安全性好，并有较强的故障容错功能。自诊断方面，具备系统性能监视、网络活动跟踪和系统诊断等功能。人机界面具有良好的中文环境。

(2)数据库平台。现地I/O数据、变量数据、操作命令数据、故障报警数据等，无论实时数据还是历史数据都以数据库方式记录，数据库结构定义简便、灵活，维护、管理归档方便，数据安全。

(3)计算机应用程序开发平台。

1)梯次集控：既满足集中控制原则，又增强同步稳定性。光束灯控制系统、投影控制系统、监控系统接入光影综合管理智慧平台；投影系统、音响系统梯次接入投影控制系统；光束灯系统、激光系统、雾森系统梯次接入光束灯控制系统。

2)时间轴控制：控制激发同步精准，子系统协调配合。通过时间轴方式在不同时间段发出触发命令，使各系统根据客户要求实现不同的效果联动，声光影独立系统将在同一时间轴上融合呈现整体的视听感观。

3)操作管理权限：三级管理，加强系统安全性。

①工程师级：权限向工程调试人员开放，系统集成调试维护，编辑展示脚本和素材。

②管理员级：向内容审核人员开放，审核通过后播放内容才存储到播放器。

③操作员级：对操作人员开放，操作人员日常播放。

1.2 投影控制系统

投影控制系统是整个光影秀的核心，光束灯、激光灯是为了引出投影，音响系统是为投影提供声音支持，冷雾系统是为给光影秀提供氛围感。

投影控制系统由播放控制服务器、融合服务器、工程交换机、光端机等设备组成，放置在总控室以便实现整体联动(图2)。

图2 投影控制系统图Fig.2 Projection control system diagram

播放控制服务器是为了存储、播放片源，片源可以是多媒体程序、Flash动画、3D动画、影音、即时三维游戏等。

融合服务器负责三个投影机播放片源的分割、重叠区域的融合、图像几何矫正。融合软件的融合方式与需要融合的内容无关，可以通过算法对一个通道内的平面、弧面融合，S形曲面及不规则幕面实现像素级别的几何校正及亮度矫正，融合精度可达到1/16个像素，融合速度每通道240帧/s。

1.2.1 投影系统

投影系统作为新的表演形式，主要通过先进技术将信息以光影的形式进行有效传递，在传递的过程中往往以艺术形式展示，借助投影媒体增强现场视觉效果。这种将光影艺术化方式，更讲究故事性、艺术性，承担着制造舞台效果、渲染艺术氛围的功能[2]。

投影系统选择激光投影机，其使用激光光束来透射出画面。激光在机器内经过相应的光学元件和处理芯片的扩束后再透射到X棱镜将三束激光整合，然后再由投影物镜将整合后的激光透射到投影幕布上，完成激光投影机显示过程。

这里以城楼侧立面作为投影幕布。根据投射面积、环境光、投影机的放置位置、成本及所要实现的效果选择投影机数量。该城楼宽50 m，高23 m，投影面为异形结构，根据现场环境及投射面积，在距离投射区域3中心点90 m的位置设置一台60 000 lm(机房三)的投影机，在距离投射区域1/2中心点50 m城楼两侧分别设置一台30 000 lm的投影机。在片源制作过程中根据城楼外形特点，裁剪片源，在没有背景的区域、城楼门洞等有人流出入的地方裁减掉光源投射，只在有实体的地方投射。投影区域划分如图3所示。

图3 投影区域划分Fig.3 Projection area division

投影机种类及数量确定后，需要确定投影机的工作环境。由于投影机发热量大、设备精密稳定性要求高、价格比较昂贵、设备的工作环境温度比较敏感等原因，为投影机配备专门的设备机房，机房根据设备功率配有空调、工业冷水机等设备以保证设备工作时的环境温度及湿度。由于投影机到投射区域间不能有遮挡，投影机房用立柱驾高2 m放置，机房立柱及基础需根据设备重量进行设计。投影机位置受地面周围环境约束，不能放在投射面正中心，否则投影时会发生画面变形的情况。三台投影机同时投射一个被照面，必然会出现颜色、亮度的差异，同一台投影机在被投射面结构不一致的情况下也会影响投影的效果。投影机控制系统的播放控制服务器和融合服务器为实现三台投影机投射画面效果统一及矫形提供软硬件支持。

投影机通信协议是TCP/IP协议，投影机房相关设备放置在表演现场。总控室与投影设备距离大于100 m，采用光纤通信。投影机系统如图4所示。

图4 投影机系统图Fig.4 Projection system diagram

1.2.2 音响系统

音响系统为光影秀提供音效支持，使整个表演更加震撼，真正实现视听盛宴。音响系统由调音台、音频处理器、功放、音箱等设备组成，调音台、音频处理器、功放等设备放置在音响机柜内，本项目音响机柜放置在总控室。

以微蜂窝基站作为信号分布系统的信号源。与宏蜂窝接入方式相比，微蜂窝信号源的投资成本低、对安装环境要求不高、施工便利，因此运用也较为普遍。但是由于微蜂窝的自身功率较小，仅适合小面积的室内覆盖要求。

调音台与投影机播控服务器通过音频线连接，播放投影机片源声音。

音箱放置在表演现场。音箱与功放用专用音箱线连接，总控室与音箱距离大于100 m，单只音箱的电阻8 Ω，两个音箱并联功率为4 Ω，考虑到功率损耗，4 mm2铜线电阻约4.95 Ω/km，音箱线电阻1 Ω，音响线上功率损耗约20%，基本符合要求，电阻功放与音箱之间用4×4 mm2专用音箱线连接。音响系统如图5所示。

图5 音响系统图Fig.5 Sound system diagram

1.3 光束灯控制系统

光束灯控制系统由灯光控制器、网络交换机、光电交换机等组成。

灯光控制器可用于多用户操作和联网、具有强大的备份功能：(1)可实现DMX输出扩展，最大可达到256个DMX输出；(2)软件采用Linux操作系统，性能稳定、操作灵活；(3)大部分操作可以按用户的使用习惯重新设置；(4)支持多种灯光网络协议；(5)软件提供升级服务。本项目使用的灯光控制器有1个DMX512输入、6个DMX512输出、1个DMX512输入，可实现与中控主机服务器联动。

灯光控制器、网络交换机、光电交换机设备放置总控室，以便于各个系统联动。光束灯控制系统如图6所示。

图6 光束灯控制系统Fig.6 Beamlamp control system

1.3.1 光束灯系统

光束灯系统由网络扩展器、放大器、光束灯等设备组成，直接接入光束灯控制系统。

光束灯通信协议是DMX512。DMX512是一个数字调光协议[4]其将一组灯光控制数据按照一定格式打包成多个数据包，再用串行的方式在控制线路上发送[5]，应用它能够实现光束灯实时控制。

根据DMX512数据传输速率及控制网络的要求，其物理层选用RS-485总线收发器，总线用一对双绞线实现灯光控制器与光束灯相接，光束灯内置调光解码器。RS-485总线采用差分信号传输，抗干扰能力强，传输灵敏度高。灯光控制器距离光束灯大于100 m，为了保证通信稳定，采用光纤通信。光电转换设备把光信号转换成电信号，通过超六类网线接到网络扩展器，网络扩展器通过RVSP 2×0.5双绞线接到放大器然后接光束灯。光束灯系统如图7所示。

图7 光束灯系统Fig.7 Beam lamp system

1.3.2 激光灯系统

激光灯与光束灯作用一样，但是激光灯照射距离更远、穿透力更强。

激光灯系统属于独立系统，在光影秀的激光表演中，FB4控制器可以存储主控文件以控制所有的激光灯和图案，支持DMX、ArtNet、ILDA、OSC、CITP信号。激光灯在本项目中先通过调试设备对FB4控制器进行编辑和设置，以确定激光灯工作模式，设置完成后接入光束灯控制系统，由灯光控制器控制。

激光灯系统由网络扩展器、放大器、FB4控制器、激光灯等设备组成。设备放置在表演现场，隐蔽安装。调试设备编辑设置完成后，激光灯控制器直接接入光束灯控制系统，通过光束灯灯光控制器触发调用激光灯，实现光影秀联动。激光灯系统如图8所示。

图8 激光灯系统Fig.8 Laser lamp system

1.3.3 冷雾系统

冷雾系统由微电脑控制箱、冷雾主机、不锈钢过滤系统、不锈钢管、近2 000个喷头组成，微电脑控制箱、冷雾主机、不锈钢过滤系统放置在总控室。冷雾系统控制协议为DMX512，由灯光控制器控制微电脑控制箱。微电脑控制箱控制冷雾主机的开启及关闭。光束灯通过渲染喷雾形成仙境缭绕的感觉，增加现场表演的氛围感。冷雾系统如图9所示。

图9 冷雾系统Fig.9 Cold fog system

1.4 监控系统

监控设备是光影秀的辅助设备，通信协议为TCP/IP协议，一方面监控投影机设备防止失窃，另一方面摄像头监控投影面，通过监控系统，将表演现场的表演效果实时回传到总控室，方便总控室调试、监控现场表演画面。监控系统由摄像机、光电交换机、监控交换机组成，监控交换机放置在控制室，与中控主机服务器连接，把画面实时传送到中控服务器。另外两台设备放置在城楼，实现全方位监控，监控系统如图10所示。

图10 监控系统Fig.10 Monitoring system

2 配电系统设计

光影秀系统搭建除了控制系统，配电系统设计也是整个系统可靠运行的关键。

2.1 设备功率统计

光影秀设备总用电量180.54 kW(表1)。

表1 设备功率统计表

2.2 配电设计

总控及各子系统控制设备放置在控制室，总功率10 kW，单独设置容量为10 kW配电柜，配电柜内配置UPS不间断电源。室内电缆选用低烟无卤交联聚乙烯绝缘聚乙烯护套电缆穿线槽隐蔽敷设。

冷雾设备、音响设备放置在控制室，总功率52.5 kW，总控室设置容量为52.5 kW配电柜，为冷雾设备及音响设备供电，室内电缆选用低烟无卤交联聚乙烯绝缘聚乙烯护套电缆穿线槽隐蔽敷设。

室外设备有摇头光束灯、激光灯、投影机、监控设备用电设备总功率118.04 kW，根据用电量、供电半径及现场走线路由的便捷考虑选用两个配电柜，放置在表演广场两侧，配电柜设备容量一台53.02 kW、一台65.02 kW。室外线缆选择阻燃交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电缆埋地穿管敷设。

本工程景观照明用电负荷为三级，根据《城市夜景照明设计规范》(JGJ/T 163—2008)[6]第 8.1.2条，电压降控制在不高于其额定电压值的105%、不低于其额定电压值的90%，遵循这个原则，分支回路根据供电距离选择电缆规格。

3 结语与展望

光影秀灯光表演管理服务总控平台建立数据标准与交付体系，梯次集控让各应用子系统不再成为信息孤岛，运用完整的底层物联网协议及设备管理平台保证功能的无限延展性及与各种平台的无缝对接。在未来设计中加上人工智能、智慧分析决策，可实现模块化的各应用子系统，低门槛进入、快速化部署，为用户提供更为贴心的管理与运营。