虛擬現(xiàn)實技術與虛擬局域網(wǎng)技術在舞臺機械控制中的應用

盛 敏

（浙江大豐實業(yè)有限公司，浙江 余姚 315400）

1 前言

在常規(guī)的舞臺控制結(jié)構(gòu)中，編導或相關人員通過“人機接口模塊”借助于工業(yè)以太網(wǎng)或其他網(wǎng)絡，根據(jù)演出或相關要求，通過PLC（可編程控制器）等控制器對舞臺機械，包括臺上、臺下設備進行操縱，以達到預先設想的設備運行結(jié)果。

“人機接口模塊”是舞臺設備運行的起點，它對用戶屏蔽了底層設備的細節(jié)，比如設備采用伺服電機還是步進電機，又或者控制單元為PLC還是軸控制器。它是溝通用戶和舞臺設備的橋梁，因此，如何讓用戶在已有的舞臺設備上盡可能地忽略掉舞臺設備本身的操作，充分發(fā)揮其藝術想象力，將舞臺機械效能發(fā)揮到最大，是人機接口模塊的主要功能，也是浙江大豐實業(yè)有限公司（以下簡稱“大豐公司”）將虛擬現(xiàn)實技術引入到舞臺機械控制的重要原因。

虛擬現(xiàn)實技術起源于20世紀30年代，但因為受軟硬件的技術限制，在80年代才真正發(fā)展起來，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應用于教育培訓、文化娛樂等多種行業(yè)。虛擬現(xiàn)實技術的功能是讓用戶在虛擬環(huán)境下模擬、學習、推演真實場景的變化。相信隨著技術的進步，虛擬現(xiàn)實技術會越來越多地介入人類生活。

在國內(nèi)，“大豐公司”首先將虛擬現(xiàn)實技術應用于舞臺機械控制，并在舞臺遠程控制方面進行了創(chuàng)新設計。本文介紹這兩項技術的特點及其在舞臺機械控制中的應用。

2 舞臺機械控制中的虛擬現(xiàn)實技術的特點及功能

在實時渲染模塊部分，設計之初是為了應用設計模式理念，為技術升級和改進提供原初支持。實時渲染模塊以接口驅(qū)動設計，做到了整體設計的模塊化、靈活化，為第三方模塊未來的接入提供底層支持，并且對DirectX及OpenGL接口提供內(nèi)建支持。在最新的改進中，又增加了物理引擎模塊，實現(xiàn)對英偉達公司物理引擎physx的全面支持，做到虛擬場景對各種基本物理現(xiàn)象的模擬，并且輕松經(jīng)受碰撞檢測。

實時渲染模塊主體框架結(jié)構(gòu)分4部分：

（1）根節(jié)點模塊，它是全部工作的組織者和管理者。

（2）場景管理模塊，它是場景的管理者和組織者，負責全部場景的所有細節(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)庫等。

（4）渲染模塊，它負責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。

圖形技術是虛擬現(xiàn)實技術中最重要的部分，主要包括3個方面：

（1）場景的幾何組織與優(yōu)化，著重于提高繪制效率。

（2）場景的畫面真實度與特效生成技術，包括高級紋理映射、過程式建模等。

（3）基于真實物理定律的虛擬效果模擬，主要是陰影模擬和碰撞檢測。

因此，對于圖形技術，常規(guī)的場景組織與管理主要涉及：場景的幾何優(yōu)化及三維場景的快速可見性判斷與消隱。

場景管理常用方法：基于場景圖的表達和管理；基于繪制狀態(tài)分類；基于場景包圍體的場景組織。

“大豐公司”創(chuàng)建了一種新的場景管理方法來處理場景管理問題。首先，利用空間均勻網(wǎng)格剖分方法將場景剖分為均勻網(wǎng)格，此方法最早運用于三維模擬的光線跟蹤計算，此后有多個變種出現(xiàn)。然后，將以每個網(wǎng)格為中心拍攝的場景全景圖存儲在此網(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)儲存結(jié)構(gòu)，存儲了以該點為中心的所有物體空間信息及遮擋關系。

采用此方法的原因主要是：

（1）存儲介質(zhì)價格下降，容量提升。

（2）場景模型在所有場景內(nèi)容中占比僅為幾十分之一。

（3）采用模型包圍體技術后，場景模型所需的存儲容量再呈幾何級數(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)，因為場景并非全由靜態(tài)模型組成。

（2）場景中的幾何組織與可見性判斷僅需要簡單的計算即可完成，其主要工作變?yōu)樽x取全景圖預存信息，計算費用大大減少。

當然，采用這種管理方法也要付出一定代價：存儲耗費和全景圖重構(gòu)。但因為上述原因， 存儲費用增加對一般場景是可以承受的，并且因為運動模型數(shù)量占一定比例，全景圖的重構(gòu)也僅為部分重構(gòu)，因此，對比其計算費用的減小，這部分代價對于充分使用需要實時渲染的虛擬現(xiàn)實技術是值得付出的。

目前此方法的技術難點有兩個：一個是空間網(wǎng)格的粒度；二是全景圖的構(gòu)建技術。

此方法的技術特點為：

（1）將遮擋計算等結(jié)果存儲于全景圖。

（2）將實時計算轉(zhuǎn)化為實時讀取。

（3）特別適合于大量靜態(tài)模型場景。

對于虛擬現(xiàn)實部分實行了控件封裝技術，可以輕松實現(xiàn)場景替換以及模型引入。

在應用虛擬現(xiàn)實技術后，控制軟件增加了這些功能：增強的監(jiān)視及控制接口；導演編輯及預覽；舞臺設備的仿真運行。

目前，“大豐公司”虛擬現(xiàn)實技術所支持的高級顯示特效包括：柔和光影支持、High Dynamic Range（HDR）支持、Specular Bloom支持、normal mapping支持、Motion blur支持、Volumetric lighting支持。

對虛擬現(xiàn)實技術進行測試，測試參數(shù)：

（1）80萬以上多邊形面支持；

（2） CPU：Inter Pentium(R) Dual E2140 @ 1.60 GHz、內(nèi)存 1 GB；

（3）顯卡：NVIDIA GeForce 8500GT；

（4）屏幕分辨率：1 280×1 024。

測試結(jié)果：

平均占用CPU小于10%的情況下（不超峰值過20%），可以穩(wěn)定達到刷新率24幀/秒，顯示效果如圖1所示。

虛擬現(xiàn)實技術在舞臺機械控制中的應用實例可參見2008年第5期《演藝設備與科技》雜志的《虛擬現(xiàn)實技術在舞臺控制的應用及前景》一文。

3 虛擬局域網(wǎng)技術的特點及功能

虛擬局域網(wǎng)技術最早是為了解決交換機在進行局域網(wǎng)互連時無法限制廣播的問題，目前，很多跨國公司將此技術與動態(tài)密碼技術相結(jié)合，來實現(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)技術優(yōu)點有：廣播控制；安全性高；性能優(yōu)越；網(wǎng)絡管理。

舉例來說，在某虛擬局域網(wǎng)中，如果存在VLAN 1和VLAN2，VLAN2中的計算機無論在哪個網(wǎng)段都只能在本虛擬局域網(wǎng)中進行廣播，無法聯(lián)接至VLAN1。但不同網(wǎng)段中的計算機可以借助于交換機，形成跨網(wǎng)段的VLAN。圖2為虛擬局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

舞臺遠程監(jiān)控的目的，是為了監(jiān)視遠端劇院系統(tǒng)、診斷遠端劇院系統(tǒng)的故障以及對遠端劇院系統(tǒng)進行控制。目前，現(xiàn)有的舞臺安全標準還不允許在劇院實現(xiàn)遠端系統(tǒng)控制。“大豐公司”設計了新的舞臺遠程監(jiān)控技術，開始應用虛擬局域網(wǎng)技術來實現(xiàn)這一功能。

對于設計劇院舞臺監(jiān)控虛擬局域網(wǎng)技術，安全性是首要的考慮因素。虛擬局域網(wǎng)技術所應用的技術有如下安全優(yōu)點：被監(jiān)控對象的IP網(wǎng)段，僅有相關人員可以得到，無關人員無法借助非物理手段獲取；采用分級的服務器密鑰驗證；采用分級的被監(jiān)控對象密鑰再驗證；最終的防線在于人工干預，它使得監(jiān)控僅在約定時段可運行，因此網(wǎng)絡安全性得到極大的保障。

虛擬局域網(wǎng)技術還可以同時實現(xiàn)靈活的舞臺監(jiān)控，包括單獨的監(jiān)視、完全意義的監(jiān)視與控制以及相關的監(jiān)控模塊應用安排，比如加載視頻監(jiān)視等。

“大豐公司”已在多個劇院實現(xiàn)了虛擬局域網(wǎng)技術功能，解決了維護人員流動性大帶來的安全隱患，還解決了一些國外合作技術問題，如果俄羅斯、印度、哈薩克斯坦等國家的劇院舞臺機械項目出現(xiàn)問題，“大豐公司”可在第一時間進行遠程維護。

4 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術與虛擬局域網(wǎng)遠程監(jiān)控兩項技術均與底層設備不相關，即與機械結(jié)構(gòu)和控制策略都不相關。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，相信不久也會走入舞臺劇院。從某種意義上來說，舞臺設備監(jiān)控現(xiàn)在已經(jīng)涉及到了物聯(lián)網(wǎng)在舞臺劇院的基本應用，比如無線車臺的遠程監(jiān)控。