舞台机械管控的虚拟现实技术的特点

本文作者：盛敏 单位：浙江大丰实业有限公司

1前言

在常规的舞台控制结构中，编导或相关人员通过“人机接口模块”借助于工业以太网或其他网络，根据演出或相关要求，通过PLC（可编程控制器）等控制器对舞台机械，包括台上、台下设备进行操纵，以达到预先设想的设备运行结果。“人机接口模块”是舞台设备运行的起点，它对用户屏蔽了底层设备的细节，比如设备采用伺服电机还是步进电机，又或者控制单元为PLC还是轴控制器。它是沟通用户和舞台设备的桥梁，因此，如何让用户在已有的舞台设备上尽可能地忽略掉舞台设备本身的操作，充分发挥其艺术想象力，将舞台机械效能发挥到最大，是人机接口模块的主要功能，也是浙江大丰实业有限公司（以下简称“大丰公司”）将虚拟现实技术引入到舞台机械控制的重要原因。虚拟现实技术起源于20世纪30年代，但因为受软硬件的技术限制，在80年代才真正发展起来，现在已经广泛应用于教育培训、文化娱乐等多种行业。虚拟现实技术的功能是让用户在虚拟环境下模拟、学习、推演真实场景的变化。相信随着技术的进步，虚拟现实技术会越来越多地介入人类生活。在国内，“大丰公司”首先将虚拟现实技术应用于舞台机械控制，并在舞台远程控制方面进行了创新设计。本文介绍这两项技术的特点及其在舞台机械控制中的应用。

2舞台机械控制中的虚拟现实技术的特点及功能

在实时渲染模块部分，设计之初是为了应用设计模式理念，为技术升级和改进提供原初支持。实时渲染模块以接口驱动设计，做到了整体设计的模块化、灵活化，为第三方模块未来的接入提供底层支持，并且对DirectX及OpenGL接口提供内建支持。在最新的改进中，又增加了物理引擎模块，实现对英伟达公司物理引擎physx的全面支持，做到虚拟场景对各种基本物理现象的模拟，并且轻松经受碰撞检测。

实时渲染模块主体框架结构分4部分：（1）根节点模块，它是全部工作的组织者和管理者。（2）场景管理模块，它是场景的管理者和组织者，负责全部场景的所有细节。（3）资源管理模块，它管理和组织所有渲染所需的资源，如模型几何体、材质库等。（4）渲染模块，它负责将最终图像投射到屏幕上，将所有渲染管线底层接口封装在其中。图形技术是虚拟现实技术中最重要的部分，主要包括3个方面：（1）场景的几何组织与优化，着重于提高绘制效率。（2）场景的画面真实度与特效生成技术，包括高级纹理映射、过程式建模等。（3）基于真实物理定律的虚拟效果模拟，主要是阴影模拟和碰撞检测。因此，对于图形技术，常规的场景组织与管理主要涉及：场景的几何优化及三维场景的快速可见性判断与消隐。场景管理常用方法：基于场景图的表达和管理；基于绘制状态分类；基于场景包围体的场景组织。

“大丰公司”创建了一种新的场景管理方法来处理场景管理问题。首先，利用空间均匀网格剖分方法将场景剖分为均匀网格，此方法最早运用于三维模拟的光线跟踪计算，此后有多个变种出现。然后，将以每个网格为中心拍摄的场景全景图存储在此网格中。此处的全景图并非摄影意义上的全景图：其一，它是抽象的，是场景中所有模型包围体的全景图；其二，它只是一种数据储存结构，存储了以该点为中心的所有物体空间信息及遮挡关系。

采用此方法的原因主要是：（1）存储介质价格下降，容量提升。（2）场景模型在所有场景内容中占比仅为几十分之一。（3）采用模型包围体技术后，场景模型所需的存储容量再呈几何级数下降。

其中，采用空间均匀网格剖分方法的原因有二：（1）利于全景图重构，因为场景并非全由静态模型组成。（2）场景中的几何组织与可见性判断仅需要简单的计算即可完成，其主要工作变为读取全景图预存信息，计算费用大大减少。当然，采用这种管理方法也要付出一定代价：存储耗费和全景图重构。但因为上述原因，存储费用增加对一般场景是可以承受的，并且因为运动模型数量占一定比例，全景图的重构也仅为部分重构，因此，对比其计算费用的减小，这部分代价对于充分使用需要实时渲染的虚拟现实技术是值得付出的。

目前此方法的技术难点有两个：一个是空间网格的粒度；二是全景图的构建技术。此方法的技术特点为：（1）将遮挡计算等结果存储于全景图。（2）将实时计算转化为实时读取。（3）特别适合于大量静态模型场景。对于虚拟现实部分实行了控件封装技术，可以轻松实现场景替换以及模型引入。

在应用虚拟现实技术后，控制软件增加了这些功能：增强的监视及控制接口；导演编辑及预览；舞台设备的仿真运行。目前，“大丰公司”虚拟现实技术所支持的高级显示特效包括：柔和光影支持、HighDynamicRange（HDR）支持、SpecularBloom支持、normalmapping支持、Motionblur支持、Volumetriclighting支持。对虚拟现实技术进行测试，测试参数：（1）80万以上多边形面支持；（2）CPU：InterPentium(R)DualE2140@1.60GHz、内存1GB；（3）显卡：NVIDIAGeForce8500GT；（4）屏幕分辨率：1280×1024。

测试结果：平均占用CPU小于10%的情况下（不超峰值过20%），可以稳定达到刷新率24帧/秒，显示效果如图1所示。虚拟现实技术在舞台机械控制中的应用实例可参见2008年第5期《演艺设备与科技》杂志的《虚拟现实技术在舞台控制的应用及前景》一文。

3虚拟局域网技术的特点及功能

虚拟局域网技术最早是为了解决交换机在进行局域网互连时无法限制广播的问题，目前，很多跨国公司将此技术与动态密码技术相结合，来实现员工在互联网与内网间的安全联接。虚拟局域网技术优点有：广播控制；安全性高；性能优越；网络管理。举例来说，在某虚拟局域网中，如果存在VLAN1和VLAN2，VLAN2中的计算机无论在哪个网段都只能在本虚拟局域网中进行广播，无法联接至VLAN1。但不同网段中的计算机可以借助于交换机，形成跨网段的VLAN。图2为虚拟局域网结构。舞台远程监控的目的，是为了监视远端剧院系统、诊断远端剧院系统的故障以及对远端剧院系统进行控制。目前，现有的舞台安全标准还不允许在剧院实现远端系统控制。“大丰公司”设计了新的舞台远程监控技术，开始应用虚拟局域网技术来实现这一功能。对于设计剧院舞台监控虚拟局域网技术，安全性是首要的考虑因素。虚拟局域网技术所应用的技术有如下安全优点：被监控对象的IP网段，仅有相关人员可以得到，无关人员无法借助非物理手段获取；采用分级的服务器密钥验证；采用分级的被监控对象密钥再验证；最终的防线在于人工干预，它使得监控仅在约定时段可运行，因此网络安全性得到极大的保障。虚拟局域网技术还可以同时实现灵活的舞台监控，包括单独的监视、完全意义的监视与控制以及相关的监控模块应用安排，比如加载视频监视等。“大丰公司”已在多个剧院实现了虚拟局域网技术功能，解决了维护人员流动性大带来的安全隐患，还解决了一些国外合作技术问题，如果俄罗斯、印度、哈萨克斯坦等国家的剧院舞台机械项目出现问题，“大丰公司”可在第一时间进行远程维护。

4结语

虚拟现实技术与虚拟局域网远程监控两项技术均与底层设备不相关，即与机械结构和控制策略都不相关。此外，虚拟局域网还可以为剧院系统物联网提供安全保障，物联网发展前景广阔，相信不久也会走入舞台剧院。从某种意义上来说，舞台设备监控现在已经涉及到了物联网在舞台剧院的基本应用，比如无线车台的远程监控。