舞臺(tái)機(jī)械管控的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)

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本文作者：盛敏 單位：浙江大豐實(shí)業(yè)有限公司

1前言

在常規(guī)的舞臺(tái)控制結(jié)構(gòu)中，編導(dǎo)或相關(guān)人員通過“人機(jī)接口模塊”借助于工業(yè)以太網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)演出或相關(guān)要求，通過PLC（可編程控制器）等控制器對(duì)舞臺(tái)機(jī)械，包括臺(tái)上、臺(tái)下設(shè)備進(jìn)行操縱，以達(dá)到預(yù)先設(shè)想的設(shè)備運(yùn)行結(jié)果?！叭藱C(jī)接口模塊”是舞臺(tái)設(shè)備運(yùn)行的起點(diǎn)，它對(duì)用戶屏蔽了底層設(shè)備的細(xì)節(jié)，比如設(shè)備采用伺服電機(jī)還是步進(jìn)電機(jī)，又或者控制單元為PLC還是軸控制器。它是溝通用戶和舞臺(tái)設(shè)備的橋梁，因此，如何讓用戶在已有的舞臺(tái)設(shè)備上盡可能地忽略掉舞臺(tái)設(shè)備本身的操作，充分發(fā)揮其藝術(shù)想象力，將舞臺(tái)機(jī)械效能發(fā)揮到最大，是人機(jī)接口模塊的主要功能，也是浙江大豐實(shí)業(yè)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“大豐公司”）將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到舞臺(tái)機(jī)械控制的重要原因。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起源于20世紀(jì)30年代，但因?yàn)槭苘浻布募夹g(shù)限制，在80年代才真正發(fā)展起來，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于教育培訓(xùn)、文化娛樂等多種行業(yè)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的功能是讓用戶在虛擬環(huán)境下模擬、學(xué)習(xí)、推演真實(shí)場(chǎng)景的變化。相信隨著技術(shù)的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)會(huì)越來越多地介入人類生活。在國(guó)內(nèi)，“大豐公司”首先將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于舞臺(tái)機(jī)械控制，并在舞臺(tái)遠(yuǎn)程控制方面進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。本文介紹這兩項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)及其在舞臺(tái)機(jī)械控制中的應(yīng)用。

2舞臺(tái)機(jī)械控制中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)及功能

在實(shí)時(shí)渲染模塊部分，設(shè)計(jì)之初是為了應(yīng)用設(shè)計(jì)模式理念，為技術(shù)升級(jí)和改進(jìn)提供原初支持。實(shí)時(shí)渲染模塊以接口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，做到了整體設(shè)計(jì)的模塊化、靈活化，為第三方模塊未來的接入提供底層支持，并且對(duì)DirectX及OpenGL接口提供內(nèi)建支持。在最新的改進(jìn)中，又增加了物理引擎模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)英偉達(dá)公司物理引擎physx的全面支持，做到虛擬場(chǎng)景對(duì)各種基本物理現(xiàn)象的模擬，并且輕松經(jīng)受碰撞檢測(cè)。

實(shí)時(shí)渲染模塊主體框架結(jié)構(gòu)分4部分：（1）根節(jié)點(diǎn)模塊，它是全部工作的組織者和管理者。（2）場(chǎng)景管理模塊，它是場(chǎng)景的管理者和組織者，負(fù)責(zé)全部場(chǎng)景的所有細(xì)節(jié)。（3）資源管理模塊，它管理和組織所有渲染所需的資源，如模型幾何體、材質(zhì)庫(kù)等。（4）渲染模塊，它負(fù)責(zé)將最終圖像投射到屏幕上，將所有渲染管線底層接口封裝在其中。圖形技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中最重要的部分，主要包括3個(gè)方面：（1）場(chǎng)景的幾何組織與優(yōu)化，著重于提高繪制效率。（2）場(chǎng)景的畫面真實(shí)度與特效生成技術(shù)，包括高級(jí)紋理映射、過程式建模等。（3）基于真實(shí)物理定律的虛擬效果模擬，主要是陰影模擬和碰撞檢測(cè)。因此，對(duì)于圖形技術(shù)，常規(guī)的場(chǎng)景組織與管理主要涉及：場(chǎng)景的幾何優(yōu)化及三維場(chǎng)景的快速可見性判斷與消隱。場(chǎng)景管理常用方法：基于場(chǎng)景圖的表達(dá)和管理；基于繪制狀態(tài)分類；基于場(chǎng)景包圍體的場(chǎng)景組織。

“大豐公司”創(chuàng)建了一種新的場(chǎng)景管理方法來處理場(chǎng)景管理問題。首先，利用空間均勻網(wǎng)格剖分方法將場(chǎng)景剖分為均勻網(wǎng)格，此方法最早運(yùn)用于三維模擬的光線跟蹤計(jì)算，此后有多個(gè)變種出現(xiàn)。然后，將以每個(gè)網(wǎng)格為中心拍攝的場(chǎng)景全景圖存儲(chǔ)在此網(wǎng)格中。此處的全景圖并非攝影意義上的全景圖：其一，它是抽象的，是場(chǎng)景中所有模型包圍體的全景圖；其二，它只是一種數(shù)據(jù)儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)了以該點(diǎn)為中心的所有物體空間信息及遮擋關(guān)系。

采用此方法的原因主要是：（1）存儲(chǔ)介質(zhì)價(jià)格下降，容量提升。（2）場(chǎng)景模型在所有場(chǎng)景內(nèi)容中占比僅為幾十分之一。（3）采用模型包圍體技術(shù)后，場(chǎng)景模型所需的存儲(chǔ)容量再呈幾何級(jí)數(shù)下降。

其中，采用空間均勻網(wǎng)格剖分方法的原因有二：（1）利于全景圖重構(gòu)，因?yàn)閳?chǎng)景并非全由靜態(tài)模型組成。（2）場(chǎng)景中的幾何組織與可見性判斷僅需要簡(jiǎn)單的計(jì)算即可完成，其主要工作變?yōu)樽x取全景圖預(yù)存信息，計(jì)算費(fèi)用大大減少。當(dāng)然，采用這種管理方法也要付出一定代價(jià)：存儲(chǔ)耗費(fèi)和全景圖重構(gòu)。但因?yàn)樯鲜鲈?，存?chǔ)費(fèi)用增加對(duì)一般場(chǎng)景是可以承受的，并且因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)模型數(shù)量占一定比例，全景圖的重構(gòu)也僅為部分重構(gòu)，因此，對(duì)比其計(jì)算費(fèi)用的減小，這部分代價(jià)對(duì)于充分使用需要實(shí)時(shí)渲染的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是值得付出的。

目前此方法的技術(shù)難點(diǎn)有兩個(gè)：一個(gè)是空間網(wǎng)格的粒度；二是全景圖的構(gòu)建技術(shù)。此方法的技術(shù)特點(diǎn)為：（1）將遮擋計(jì)算等結(jié)果存儲(chǔ)于全景圖。（2）將實(shí)時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)讀取。（3）特別適合于大量靜態(tài)模型場(chǎng)景。對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)部分實(shí)行了控件封裝技術(shù)，可以輕松實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景替換以及模型引入。

在應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)后，控制軟件增加了這些功能：增強(qiáng)的監(jiān)視及控制接口；導(dǎo)演編輯及預(yù)覽；舞臺(tái)設(shè)備的仿真運(yùn)行。目前，“大豐公司”虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所支持的高級(jí)顯示特效包括：柔和光影支持、HighDynamicRange（HDR）支持、SpecularBloom支持、normalmapping支持、Motionblur支持、Volumetriclighting支持。對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試參數(shù)：（1）80萬以上多邊形面支持；（2）CPU：InterPentium(R)DualE2140@1.60GHz、內(nèi)存1GB；（3）顯卡：NVIDIAGeForce8500GT；（4）屏幕分辨率：1280×1024。

測(cè)試結(jié)果：平均占用CPU小于10%的情況下（不超峰值過20%），可以穩(wěn)定達(dá)到刷新率24幀/秒，顯示效果如圖1所示。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在舞臺(tái)機(jī)械控制中的應(yīng)用實(shí)例可參見2008年第5期《演藝設(shè)備與科技》雜志的《虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在舞臺(tái)控制的應(yīng)用及前景》一文。

3虛擬局域網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)及功能

虛擬局域網(wǎng)技術(shù)最早是為了解決交換機(jī)在進(jìn)行局域網(wǎng)互連時(shí)無法限制廣播的問題，目前，很多跨國(guó)公司將此技術(shù)與動(dòng)態(tài)密碼技術(shù)相結(jié)合，來實(shí)現(xiàn)員工在互聯(lián)網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)間的安全聯(lián)接。虛擬局域網(wǎng)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)有：廣播控制；安全性高；性能優(yōu)越；網(wǎng)絡(luò)管理。舉例來說，在某虛擬局域網(wǎng)中，如果存在VLAN1和VLAN2，VLAN2中的計(jì)算機(jī)無論在哪個(gè)網(wǎng)段都只能在本虛擬局域網(wǎng)中進(jìn)行廣播，無法聯(lián)接至VLAN1。但不同網(wǎng)段中的計(jì)算機(jī)可以借助于交換機(jī)，形成跨網(wǎng)段的VLAN。圖2為虛擬局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)。舞臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的，是為了監(jiān)視遠(yuǎn)端劇院系統(tǒng)、診斷遠(yuǎn)端劇院系統(tǒng)的故障以及對(duì)遠(yuǎn)端劇院系統(tǒng)進(jìn)行控制。目前，現(xiàn)有的舞臺(tái)安全標(biāo)準(zhǔn)還不允許在劇院實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端系統(tǒng)控制。“大豐公司”設(shè)計(jì)了新的舞臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，開始應(yīng)用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一功能。對(duì)于設(shè)計(jì)劇院舞臺(tái)監(jiān)控虛擬局域網(wǎng)技術(shù)，安全性是首要的考慮因素。虛擬局域網(wǎng)技術(shù)所應(yīng)用的技術(shù)有如下安全優(yōu)點(diǎn)：被監(jiān)控對(duì)象的IP網(wǎng)段，僅有相關(guān)人員可以得到，無關(guān)人員無法借助非物理手段獲??；采用分級(jí)的服務(wù)器密鑰驗(yàn)證；采用分級(jí)的被監(jiān)控對(duì)象密鑰再驗(yàn)證；最終的防線在于人工干預(yù)，它使得監(jiān)控僅在約定時(shí)段可運(yùn)行，因此網(wǎng)絡(luò)安全性得到極大的保障。虛擬局域網(wǎng)技術(shù)還可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)靈活的舞臺(tái)監(jiān)控，包括單獨(dú)的監(jiān)視、完全意義的監(jiān)視與控制以及相關(guān)的監(jiān)控模塊應(yīng)用安排，比如加載視頻監(jiān)視等?！按筘S公司”已在多個(gè)劇院實(shí)現(xiàn)了虛擬局域網(wǎng)技術(shù)功能，解決了維護(hù)人員流動(dòng)性大帶來的安全隱患，還解決了一些國(guó)外合作技術(shù)問題，如果俄羅斯、印度、哈薩克斯坦等國(guó)家的劇院舞臺(tái)機(jī)械項(xiàng)目出現(xiàn)問題，“大豐公司”可在第一時(shí)間進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)。

4結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與虛擬局域網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控兩項(xiàng)技術(shù)均與底層設(shè)備不相關(guān)，即與機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制策略都不相關(guān)。此外，虛擬局域網(wǎng)還可以為劇院系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)提供安全保障，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景廣闊，相信不久也會(huì)走入舞臺(tái)劇院。從某種意義上來說，舞臺(tái)設(shè)備監(jiān)控現(xiàn)在已經(jīng)涉及到了物聯(lián)網(wǎng)在舞臺(tái)劇院的基本應(yīng)用，比如無線車臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。