2021北京燈光調研報告-智能·控制·工程篇

專家們在各個企業詳細了解技術創新情況，實地考察測試新技術新產品，進一步了解電影電視舞臺燈光技術的最新動態，本篇主要介紹各調研企業在舞臺智能控制工程等方面的最新進展和行業發展趨勢，以期推動企業研發生產與用戶應用的溝通交流。

一 不忘初心，技術為王，研發型企業的護城河

　　企業要不斷提高和發展，需要在研發上進行大量持續的投入，也就意味著要依靠足夠的利潤來支撐，所以我們在薄利行業或過度競爭市場中通常很難看到研發型技術企業。然而，此次調研中各企業直面疫情造成的市場萎縮、經濟發展受限、人員及物資流動受阻、商業交流減少、實體生產時有中斷的種種困難，不僅沒有停止前進的步伐，而且因應外部環境變化，化危為機，加快企業升級轉型，立足新技術研發與新市場開拓，不僅滿足了特殊時期市場需求，還通過新技術的新應用對用戶的困境提出新的解決方案。

　　首先，疫情不僅造成市場萎縮，同時也對制造業的生產、供應和銷售造成了巨大影響，客觀上加速了行業集中進程，大浪淘沙下也令真正掌握核心技術和研發能力的技術性企業脫穎而出。

　　其次，從市場需求來看，疫情對低端小規模零散市場的影響更大，而大型非標準化演藝工程項目受到的影響相對較小，客觀上抬高了市場準入的技術門檻與資金門檻。

　　第三，在硬件技術、設計水平與生產工藝水平達到一定的閾值以后，生產制作過程的計算機仿真，以及面對用戶的虛擬現實技術迎來爆發期，恰逢其時地解決了疫情給生產和市場帶來的困擾。

　　第四，機遇只對有準備的人敞開大門，市場的跳躍性，建立在技術的延續性之上，這是制造業的鐵律，能夠在危難時期逆風飛揚的企業，其基礎能力都來自于長期對技術研發的巨大投入、以及對行業趨勢和永和需求的準確把握，一切新技術都建立在長期行之有效循序漸進的體制之上，而非靈機一動的空中樓閣。

　　我們在星光影視、北特圣迪、金東高科、阿萊燈光等底蘊深厚的高科技企業中，不僅看到強大的技術、設計、研發、生產能力，更看到厚積薄發之下的市場敏感與銳意進取。他們在新概念虛實結合演播室、生產過程的仿真、面向用戶操作提供的仿真、新型設計理念與控制方式、新的生產工藝與工程工藝、巨型個性化復雜控制工程等方面，不僅在技術理念上取得巨大突破，而且多已投入實踐，新技術不僅在成型產品上經受住了實踐檢驗，在實踐中也得到了市場的認可。

二 設計生產智能化與客戶端智能化

　　金東高科基于遠程航天技術開發的各種多維度、多自由度舞臺機械及系統演藝工程，為用戶提供了巨大的發揮空間。例如，遠程固定供電式多自由度雙點高速飛行器，可以懸吊演員，配合演員做出升降、平移和旋轉等飛行動作。驅動裝置固定于馬道上，活動機構上無需裝載驅動裝置和電池，相當于保持了汽車多維度運動能力的同時，把車載電池的新能源汽車變成持續供電的高鐵。

金東高科遠程固定供電式多自由度雙點高速飛行機構

　　金東高科以火星低重力模擬試驗平臺為基礎的高精度大空間動態平衡三維隨動系統技術，在舞臺上得以應用。該系統由主體結構、并聯索驅動系統、快速隨動系統等組成，并聯索驅動系統完成大范圍的移動和跟蹤，快速隨動系統實現拉力、位置跟蹤的混合精確控制。系統的精確控制使演員或道具、器械在空間大范圍三維快速自由運動，可實現傳統飛貓或威亞等難以想象的場景呈現。

　　金東高科除了表演系統智能化設計，針對用戶終端的通用控制系統研發也更加智能化。其劇場通用組態軟件，無需進行軟件編程和修改，只需要對相關參數進行配置設定，即可完成軟件系統組態。軟件模塊化設計，軟件接口按照工程化流程設置，通用性強，可評可測，從而保證軟件系統的可靠性。同時通過三維圖形型式在控制臺上實時顯示設備的運動狀態，使用戶可進行遠程所見即所得直觀操作，更加安全和便利。

　　北特圣迪最新自主研發的SZCS-6000舞臺控制系統，在原舞臺操控系統的基礎上，融合自適應控制、魯棒控制和模糊控制等先進控制技術，具有整體結構性價比高、運行速度快、網絡響應及時、系統擴容能力強的特點。具備先進的機械控制理念，采用模塊化可配置編程理念，支持多控制臺平行管理、等時授權、實時設備監控和報警分級管控等高可靠安全技術。通過內部支持的多場景、時間軸、數據流等功能，解決了與燈光音響等非機械設備的同步演出問題，實現了一機多控。

北特圣迪神州舞臺控制系統

　　系統由PLC運行子系統、HMI操作管理子系統、遠程維護子系統等構成。擁有模塊化流程可配置、多控制臺的安全管理、實時監控自整定等特色技術和功能。

北特圣迪系統模塊化的設計結構

　　阿萊燈光的整體控制方案“ARRI LightNet”系統。該系統可以顯示燈光網絡所有燈光的信息狀態;警報標識符直管提示錯誤信息;通過IP方式接入中心化監控系統;中心/去中心化系統架構，可實現：后臺高性能服務器連接燈光網絡，通過網絡訪問控制臺界面;前臺利用筆記本電腦，便攜PC或平板電腦等普通設備訪問控制臺;多用戶界面，使用不同的前臺設備同步工作;支持遠程控制，通過VPN連接遠程監控網絡;支持虛擬化，后臺和前臺均使用虛擬機。

ARRI LightNet燈光控制系統

三 智能控制算法為王

　　北特圣迪2019年開始立項的萬向表演車臺，取得了較好的成果，該設備在功能完整性、運行的安全性可靠性、對不同空間場景及各種表演運動形式的適應性、方便高效的運動軌跡規劃三維人機界面等方面均有較大的提升。該平臺由控制臺和萬向車臺主體兩部分組成，類似自動駕駛，可以運載演員、道具等在舞臺場地中自由移動，任意行走，參與變換舞臺形式，在多種形式的移動中展現其獨特的表演效果。平臺設計為既可以由操作人員實時操作運動，也可以根據事先編程的路徑和速度復現運動，其驅動方式、布置形式以及控制系統等均有獨特設計。

　　用戶通過控制臺下發相應的運行命令，并通過無線通訊下發給萬向車臺;車體PLC接受命令后，利用運動控制算法計算獲取每個輪子的旋轉角度和行走速度信號，并下發給伺服驅動器完成運動命令。其中運動控制算法是其核心技術。

　　北特圣迪的三維4軸表演系統是一種基于多維算法集成的應用于預定三維空間內飛行表演的設備。飛行裝置是利用四根柔索牽引著懸掛飛行物，使其在三維空間里隨意運動。

北特圣迪三維4軸表演系統基本結構模型

　　三維4軸表演系統打破了傳統威亞在一維上下運動，二維平面運動的局限，使演員可以在設定的三維空間內任意飛行表演。近兩年，對其硬件及控制系統進行了深入的研究和優化，包括系統布局和有效空間的研究、高速卷揚驅動設備的優化設計、懸吊繩索的優化選型、運動軌跡規劃三維人機界面的開發、核心運動控制算法的研發等，取得了較好的成果。

　　運動控制算法的深化與優化，使該系統在功能完整性、安全可靠性、不同運動形式的適應性、方便高效的運動軌跡規劃、三維人機界面設計、位置傳感精度、誤差反饋補償設計等方面均有較大的提升，可實現理想的3D飛行效果。

四 生產過程仿真技術

　　金東高科的多自由度虛鉸升降平移翻轉組合舞臺技術已經使用多年，我們曾經介紹過的尼山圣境儒宮禮樂堂，其活動竹簡采用的就是串聯式三自由度機械系統的技術方案，構成正反兩面翻轉較大角度的虛鉸機構，實現創意要求。

　　在該技術的設計、研發過程中，利用基于虛擬樣機技術的舞臺機械研發方法，采用三維設計/有限元分析/動力學仿真的聯合仿真技術路線，應用到活動竹簡的設計過程中，在較短時間內完成了定制化新產品的研發設計。

金東高科多自由度虛鉸升降平移翻轉組合舞臺——尼山圣境儒宮禮樂堂

　　金東高科將動態仿真技術(虛擬樣機技術)應用于舞臺機械中，利用動態仿真技術，實現舞臺機械設備虛擬樣機設計及仿真，在國慶70周年、大型演藝、標準劇場、航天軍工等多領域得到廣泛應用。

金東高科動態仿真技術(虛擬樣機技術)在舞臺機械中的應用

五 用戶終端仿真應用

　　金東高科的燈光離線編輯及三維動態仿真技術，立足舞臺燈光音視頻專業具備方案設計、實施豐富經驗和技術儲備，從實際演出需求出發，能夠高效配合演出團隊創意和劇場工藝需求進行藝術呈現。配合先進的硬件設備，建筑三維仿真模擬、燈光離線編輯、音視頻效果優化、BIM綜合分析、VR虛擬互動等技術，可實現非現場一比一效果演示，為設計師的遠程設計和離線編程提供更加直觀便利的工具。

金東高科燈光離線編輯及三維動態仿真技術

　　北特圣迪應用于舞臺設備操作的三維虛擬現實技術，為用戶提供了多角度可視化操作功能。該技術在三維環境中以虛擬現實的方式來展示舞臺設備的運行狀態，給操作員一個更加貼近現實場景的操作環境，實時顯示設備的位置、速度、電流和報警信息;在設備的運行過程中可以實時通過旋轉屏幕從不同視角觀察設備相對于其它設備的位置，讓操作員能直觀全面的了解到演出的狀態;給操作員一個貼近真實場景的操作環境，有效解決了操作員由于視線遮擋不能全面掌握所有設備運行情況的問題。

　　模擬走場時，可以對編輯的場次進行提前預演查看效果是否符合預期并判斷參演設備是否會發生互鎖碰撞;通過三維模型的運動來測試效果，減少了機械設備的運行次數，有效節省人力物力成本。

北特圣迪虛擬現實3D劇場系統

六 一站式定制化巨型實景工程的多元化發展

　　北特圣迪結合演藝設備工程實際需求及演藝設備創新理念，積極開展技術研發創新和新產品研制，在技術上處于國內先進水平。建設的上海馬戲城舞臺機械工程技術難度較大、特殊功能要求多，非常規高難度設備為主。其中許多實施方案都具有較強的創新性，設計要求及設備和安裝工藝要求均較高。

　　具體包括φ14m片式轉臺;多功能φ2.6m旋轉升降臺;支撐防護表演蹦床的四套升降立柱裝置;電腦燈升降及其蓋板開合聯動機構;展臂回轉式雙綢吊表演裝置;六吊點環軌獨立運動綢吊表演裝置;空中飛人用行走升降空中倒掛伸縮柱樁機構;彈射舞臺裝置等等子項目的從零開始的立項設計直到生產安裝和工程組裝。這些設備研發生產安裝難度較高，均為非標創新性設計，項目落地實施標志著高難度改造工程的成功。

　　金東高科致力于劇場專業設備、軍工產品、大型非標機電設備的設計研發。建立了策劃咨詢、工藝設計、研究開發、加工制造、系統集成、安裝調試、售后維保等完整體系。

　　2021年8月，該公司承接的大型情景史詩《夜渡·于都河》項目的舞臺機械工程。在長征出發地江西于都問世。為了呈現出宏大的史詩敘事，舞臺正中央有兩套大翻板設備和一塊小翻板設備，臺面面積分別為12mX12.5m和8mX12.5，覆蓋整個主舞臺區域。采用多自由度串聯機構，實現臺面板大幅度的升降、平移、旋轉、傾斜、翻轉等復雜動作。采用比例液壓控制系統，功率密度大，舉重若輕。大翻板分上下兩層臺板，小翻板可接通大洪水，表演平臺可高低錯落組合，表演空間充盈在整個臺口范圍。

　　大翻板升降行程7.5m，臺面翻轉60°，前后平移行程±1.0m，左右平移行程4.0m;小翻板升降行程5.5m，臺面翻轉15°，前后平移行程1.0m;大翻板還可以實現360°旋轉。通過翻板之間不同的位置變換組合，營造出多種演出場景。同時兩個大翻板之間通過相互配合，同步運行，可以為觀眾呈現多種觀演視角，創造出更加強烈的視覺沖擊感。

《夜渡·于都河》大功率多自由度串聯機構翻板舞臺

　　臺口外臺下由水中升降臺和移動小船構成舞臺延伸表演區，配合臺口外飛行機構，組成3D效果表演空間。水中升降臺可單獨形成表演空間，也可配合移動小船隱藏到船底形成船體平臺表演空間，給與演員更大的發揮空間。同時使得演員和觀眾之間擁有更近距離的互動，達到沉浸式演出的表演效果，使觀眾真正融入到演出場景當中。

七 虛擬與現實的夢幻結合

　　今天我們看到的實景舞臺演藝控制技術，包括本文前述的舞臺機械系統、自動控制系統、仿真操作系統，以及耳熟能詳的電腦燈系統、無人機集群表演系統等等，已經與航空、航天、新能源、新材料、自動駕駛、自動飛行等等前沿技術基本同步;舞臺系統硬件的材料工藝、生產工藝及工程工藝已經堪比太空探索;舞臺工程的足跡已經遍布城市鄉村、山上水中、名勝古跡，規模往往堪比巨型城建工程。在目前的科技和經濟基礎下，我國舞臺實景工程已近極致，同時，隨著疫情對各種現場聚集的重大影響，創作者的目光逐漸投向日趨進步的虛擬現實手段上。

　　調研中，專家組考察了星光影視400平米、600平米XR虛擬演播室，重點了解了星光XR項目發展情況，現場演示了虛擬燈光和真實燈光的虛實結合效果。

　　XR(擴展現實，Extended reality)是一個用來描述結合了虛擬和真實元素的環境或交互行為的術語。盡管通常大家認為XR包含了AR(增強現實)、VR(虛擬現實)、MR(混合現實)，但它在影視、廣電、廣告、直播、展覽展示等行業有著特別的涵義。它被特指為包含LED顯示屏、攝影機追蹤系統及強大的圖形引擎實時渲染的工作流程，是將表演者實時融入在虛擬世界中而無需綠幕及后期制作過程，實時輸出最終畫面的的虛擬制作方式。

　　XR虛擬拍攝有著3D視覺逼真、仿真效果突出、表演身臨其境、虛實完美結合、置景隨心所欲、虛擬無限擴展、視點自由變換、真實與虛擬攝像機無縫連接的特點。

　　星光XR虛擬演播室的主背景采用高密度、不反光、高刷新、大可視角的LED顯示屏。

　　視頻特效軟件使用Unreal、Unity、Norch等軟件，硬件采用圖形渲染能力強大的計算機;攝像機跟蹤采用機械搖臂或機器人與光學圖像分析等方案。

　　燈具采用全光譜數字多動作LED燈具，在光色上保證與虛擬素材的結合呈現。

星光影視600平米XR演播室

　　其中，600平米XR演播室擁有專門為XR虛擬拍攝打造的160大視口LED曲面屏結構，立面弧長255m，高度達7m。其地屏與立屏均為P2.6點間距的影視級LED屏幕，地屏結構為星光自主研發，可以承受汽車等大型道具設備的重量，并針對多人節目演區大的問題設計了2.5m的地屏延伸。

　　媒體服務器和渲染引擎服務器采用了全套Disguise的解決方案，并采用了Mosys的定位跟蹤系統。

　　在燈光和吊掛方面，采用了全光譜的三動作LED燈具，以及可移動式吊掛系統。

　　攝像系統共有5個訊道，其中具備2個虛擬機位，可滿足全4K拍攝錄制需求。

星光XR虛擬拍攝演播室定制化方案

　　據介紹，該XR項目是亞洲最大的LED屏XR演播場地，今年轟動全網的劉德華出道40周年抖音直播就是在這個場地制作的，連續數小時的不間斷直播，沒有出現任何紕漏和故障，XR演播室的管理系統、硬件工藝和運算速度都在全球觀眾的注視下經受住了考驗。

　　該演播室已可以完成從項目策劃、設計、拍攝到制作的全部流程，走在了國內行業發展的前列。星光影視董事長陳瑞福笑談，這是星光影視面對疫情等現實情況順勢而為的發展之舉。

八 結語·舞臺科技智能控制未來的方向

　　1、硬件的要求越來越高，算法成本的占比越來越大;

　　2、硬件的提升是有限的、階梯型的;

　　3、軟件和算法的提升則是線性的，想象空間近乎無限;

　　4、虛擬視覺的發展受限于當前的硬件計算能力及硬件視覺呈現能力，剛剛起步、方興未艾，未來廣闊天地大有作為;

　　5、實體燈光及實體舞臺的硬件技術及工藝要求越來越高，但在演出工程中的占比受到虛擬視覺擠壓，占比將越來越低;

　　6、實體占比的降低并不意味著工程成本降低，恰恰相反，虛擬空間中創造性工作的成本將遠超實體為主的時代，而且虛擬創作均為訂制化一次性創作，背后巨大的人力成本、時間成本、以及不可重復利用性的隱形增加成本等，將在很長一段時間內限制虛擬視覺的普及，這種限制的力度將遠遠超過硬件計算力與呈現力對虛擬視覺的限制。

　　上述判斷僅為作者一家之言，用以啟發讀者對未來行業趨勢的思考，并非嚴謹科學結論。在后續的調研中，希望有機會繼續共同深入思考和探討。