舞臺(tái)燈光智能識(shí)別自動(dòng)切換技術(shù)淺析

宋琦俠

（中國國家話劇院，北京 100055）

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，生活節(jié)奏加快，人們對生活的關(guān)注度提高，越來越多的人喜歡參與到各種文藝活動(dòng)中來。作為舞臺(tái)藝術(shù)表演重要元素之一的燈光，與觀眾之間有著非常密切的聯(lián)系。尤其是在表演中,觀眾可以從視覺的角度對舞臺(tái)演員及舞臺(tái)環(huán)境進(jìn)行觀察和體驗(yàn)。在舞臺(tái)表演中，燈光與演員是相輔相成的關(guān)系，兩者相互聯(lián)系又相互制約，因此，舞臺(tái)上需要使用不同亮度和層次的燈光進(jìn)行照明和氛圍的烘托?；诖?，本文從舞臺(tái)燈光與舞臺(tái)表演的關(guān)系出發(fā)，分析了智能舞臺(tái)燈光識(shí)別技術(shù)對舞臺(tái)燈光智能切換的需求，從而提出舞臺(tái)燈光智能切換裝置的設(shè)計(jì)方案，以提高舞臺(tái)表演效果。

1 舞臺(tái)燈光效果與舞臺(tái)表達(dá)之間的關(guān)系

舞臺(tái)燈光效果與舞臺(tái)表達(dá)之間的關(guān)系，是一個(gè)很值得探討的問題。因?yàn)檫@關(guān)系到舞臺(tái)藝術(shù)創(chuàng)作效果，也關(guān)系到觀眾對劇情主題的理解和感受。舞臺(tái)燈光效果與舞臺(tái)表達(dá)之間是相輔相成的關(guān)系。當(dāng)燈光被用來表現(xiàn)劇情內(nèi)容時(shí)，它就成為劇情內(nèi)容的一部分。反之，燈光被用來襯托劇情中那些不能被觀眾直接感受到、不能被演員準(zhǔn)確地把握、又無法用語言進(jìn)行描述的感情。以《梁山伯與祝英臺(tái)》為例，考慮到劇情以及人物角色的需要，導(dǎo)演希望借助燈光烘托出實(shí)際的場景氛圍以及人物的情緒，若是拍攝前對劇情以及人物角色定位都不明確，就很容易導(dǎo)致角色和舞臺(tái)燈光的混亂，影響到舞臺(tái)整體的表演效果。舞臺(tái)燈光效果是當(dāng)前舞臺(tái)表演中所不可缺少的元素，而觀眾對劇情的理解、演員的表演也離不開舞臺(tái)燈光效果。這兩個(gè)方面的關(guān)系是非常緊密的，所以在拍攝制作過程中應(yīng)協(xié)調(diào)好二者的關(guān)系。

現(xiàn)代舞蹈燈光的一個(gè)特點(diǎn)就是舞臺(tái)設(shè)計(jì)的靈活性。在整個(gè)作品中，燈光色彩、圖案、色調(diào)的變化不是一成不變的。現(xiàn)代舞蹈演員經(jīng)常通過變換造型、移動(dòng)、跳轉(zhuǎn)等來表達(dá)自己的感情和意境。這種變化不僅使舞美設(shè)計(jì)更富有時(shí)代氣息，也增強(qiáng)了演員表演時(shí)對人物心理和情緒的把握能力，可以充分調(diào)動(dòng)舞臺(tái)布景和服裝等藝術(shù)手段。例如，根據(jù)劇情發(fā)展需要，演員在表演過程中突然變換造型或進(jìn)行跳躍等，設(shè)計(jì)出各種效果的舞臺(tái)燈光，這樣可以更加準(zhǔn)確地塑造出角色的性格和形象[1]。

2 傳統(tǒng)舞臺(tái)燈光系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足

隨著我國文化事業(yè)的不斷發(fā)展，各大舞臺(tái)的演出水平也越來越高，這使得人們對舞臺(tái)燈光設(shè)計(jì)提出了更多的要求。傳統(tǒng)的舞臺(tái)燈光設(shè)計(jì)是在舞臺(tái)方和音響設(shè)備商之間進(jìn)行溝通，通過舞臺(tái)燈光師來完成的。由于沒有與舞臺(tái)方直接溝通，所以很難保證在現(xiàn)場操作過程中不出現(xiàn)偏差，因而傳統(tǒng)的舞臺(tái)燈光效果往往不夠好。首先，舞臺(tái)上使用了大量的人造光和光源來進(jìn)行表演設(shè)計(jì)，這就會(huì)導(dǎo)致大量人工照明帶來的光污染問題；其次，人工照明對演出作品造成了一定程度的影響，這也導(dǎo)致作品表演效果出現(xiàn)偏差；最后，由于沒有和舞臺(tái)方、音響設(shè)備商進(jìn)行溝通，造成設(shè)備與燈光系統(tǒng)不匹配[2]。

傳統(tǒng)舞臺(tái)燈光設(shè)計(jì)中，經(jīng)常使用到點(diǎn)光源和線光源這兩種光源。這兩種光源分別有不同的特點(diǎn)和優(yōu)勢：點(diǎn)光源光線柔和、光線明亮、色彩對比強(qiáng)烈，線光源則可以將光束集中在一點(diǎn)發(fā)光。這兩種光源對亮度和色彩的要求也不同：點(diǎn)光源主要強(qiáng)調(diào)柔和光或者光線明亮，線光源則側(cè)重色彩與對比度，這兩點(diǎn)分別對應(yīng)著兩類照明需求，一類是希望通過光照射來表現(xiàn)物品或物體所需要的光線類型，另一類則是在特定場景下希望燈光能夠達(dá)到一定程度上渲染氣氛、烘托環(huán)境。傳統(tǒng)舞臺(tái)照明和燈光設(shè)計(jì)已經(jīng)很難滿足當(dāng)今社會(huì)對舞臺(tái)演出效果所提出的要求，所以就需要專業(yè)音響系統(tǒng)配合，才能更好地將演出效果呈現(xiàn)出來[3]。同時(shí)還需要對整個(gè)舞臺(tái)方以及劇場中各個(gè)區(qū)域內(nèi)的音響系統(tǒng)進(jìn)行控制和協(xié)調(diào)。

3 燈光智能識(shí)別自動(dòng)切換技術(shù)

3.1 舞臺(tái)燈光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)需求分析

舞臺(tái)燈光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間里，通過合適的方式實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物光源的跟蹤、聚焦等。例如，在特殊情況下，需要根據(jù)現(xiàn)場的需要對實(shí)際燈光環(huán)境做出細(xì)微調(diào)整，如光源的亮度、燈光距離等，這就需要在原有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加定位或者是自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，如光源亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、光強(qiáng)傳感器等，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物的跟蹤。這些功能是根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定好的，但不一定是所有現(xiàn)場條件都要滿足這一要求。因此，這就需要根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定控制方式來實(shí)現(xiàn)控制效果。

舞臺(tái)燈光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)可以將一個(gè)很小的光源聚焦到一個(gè)固定點(diǎn)上，并且進(jìn)行跟蹤；也可以把一個(gè)大型設(shè)備上所有光束的位置控制在一個(gè)固定范圍內(nèi)，從而達(dá)到均勻輸出光束和穩(wěn)定跟蹤效果，這就是通常所說的亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)；又可以把很小很大、很模糊的光源聚焦在固定點(diǎn)上。這個(gè)系統(tǒng)就相當(dāng)于“望遠(yuǎn)鏡”，用來觀察現(xiàn)場情況；還可以把一種設(shè)備分成幾個(gè)小部分，就是常說的分鏡頭前放燈系統(tǒng)或者分光系統(tǒng)。另外，還有光強(qiáng)傳感器以及一些其他附屬功能，比如信號處理、報(bào)警等等功能，這些是為了實(shí)現(xiàn)不同場景下所需要的不同效果而設(shè)計(jì)的，一般是根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況設(shè)計(jì)成固定在某一位置即可，也可以根據(jù)不同場景設(shè)置成固定或活動(dòng)的，在現(xiàn)場進(jìn)行控制[4]。

3.2 燈光跟蹤系統(tǒng)的性能需求分析

根據(jù)實(shí)際舞臺(tái)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合燈光跟蹤系統(tǒng)的功能需求，需要確定舞臺(tái)燈光跟蹤系統(tǒng)的具體性能要求，具體如下。

（1）跟蹤精度。舞臺(tái)燈光系統(tǒng)對燈光的位置和方向進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，對精度要求很高。跟蹤精度應(yīng)在10 mm之內(nèi)，否則將影響燈光控制效果。

（2）控制方式。舞臺(tái)燈光系統(tǒng)對燈光方向進(jìn)行控制，是由一個(gè)或多個(gè)控制器和多個(gè)LED顯示屏來實(shí)現(xiàn)。對于多個(gè)LED顯示器的控制器，需要采用中央控制器進(jìn)行管理與協(xié)調(diào)。

（3）控制方式。要實(shí)現(xiàn)對舞臺(tái)設(shè)備的自動(dòng)追蹤控制，需要用到中央控制器。在舞臺(tái)設(shè)備自動(dòng)跟蹤的前提下，還需有手動(dòng)/半自動(dòng)的方式，可以手動(dòng)設(shè)定燈光跟蹤點(diǎn)的位置或角度等。

（4）數(shù)據(jù)處理。為了滿足舞臺(tái)自動(dòng)跟蹤要求，通常需把所有燈信號都接入到中央控制系統(tǒng)內(nèi)處理掉，使其成為單獨(dú)一臺(tái)計(jì)算機(jī)，便于管理和維護(hù)。

4 舞臺(tái)燈光智能識(shí)別自動(dòng)切換技術(shù)

4.1 舞臺(tái)燈光智能識(shí)別技術(shù)簡介

舞臺(tái)燈光智能識(shí)別自動(dòng)切換技術(shù)基于智能傳感器，實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)中的燈光和背景同步控制。利用紅外感應(yīng)器探測到舞臺(tái)上的人員或物體后，通過對攝像機(jī)畫面的實(shí)時(shí)分析、判斷，將識(shí)別到的人或物體所處的位置、距離、大小等信息輸入智能控制器，通過程序運(yùn)算和控制邏輯，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)自動(dòng)切換。該技術(shù)可有效地解決燈光和背景同步問題（因?yàn)閿z像機(jī)在拍攝時(shí)不是靜止地拍攝畫面的，當(dāng)出現(xiàn)多人同時(shí)觀看同一個(gè)場景時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)這種情況）。該技術(shù)主要應(yīng)用于大型歌劇院、大型綜合體育館等場地[5]。

在大劇院中，由于場地較寬，而演員的表演區(qū)域又非常大，在舞臺(tái)范圍內(nèi)對各種燈具或不同顏色的燈光進(jìn)行識(shí)別和自動(dòng)切換控制，是非常困難而且具有很高難度的工作。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，本文采用了以視頻圖像為基礎(chǔ)、利用計(jì)算機(jī)視覺和深度學(xué)習(xí)的方法，并對計(jì)算機(jī)自動(dòng)算法進(jìn)行了深入研究和優(yōu)化。

從實(shí)際應(yīng)用情況看，使用紅外相機(jī)拍攝，人員與其所處位置不一樣時(shí)，其動(dòng)作特征就不同，如人物移動(dòng)速度不同；如果拍攝對象是人或物體，則不會(huì)對識(shí)別造成影響，但識(shí)別準(zhǔn)確率和識(shí)別速度會(huì)降低；如果是人和物體在同一畫面內(nèi)同時(shí)拍攝（可以通過計(jì)算得到），則不會(huì)出現(xiàn)“人”和“物體”同時(shí)出現(xiàn)的情況（識(shí)別準(zhǔn)確率和識(shí)別速度都可能有所降低）。將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)切換控制中，可以避免因人工切換而產(chǎn)生不必要的工作量，以及自動(dòng)切換中由于人為因素導(dǎo)致自動(dòng)切換失效等問題。

4.2 燈具類型選擇

舞臺(tái)上的燈具種類很多，有普通燈具、LED燈、電光型燈具等，一般情況下可以根據(jù)演出需要選用最適合的燈具類型，并使燈具的色彩、亮度與舞臺(tái)演出相協(xié)調(diào)。設(shè)計(jì)過程中，除了燈具類型外，還要考慮其功率、光通量及控制點(diǎn)（燈位）等。根據(jù)演出需求選用燈具時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）燈光的亮度和顏色都要滿足舞臺(tái)演出需要；

（2）選擇符合舞臺(tái)燈光照明要求的智能控制系統(tǒng)；（3）燈具和舞臺(tái)上所需的燈具類型保持一致；（4）合理選擇智能照明系統(tǒng)中各個(gè)控制點(diǎn)（燈位）的功率，控制亮度不能過高或過低。

4.3 舞臺(tái)燈光智能識(shí)別自動(dòng)切換技術(shù)要求

舞臺(tái)燈光技術(shù)是展現(xiàn)舞臺(tái)表演者藝術(shù)的重要方式，也是演出空間構(gòu)成的重要部分。本次設(shè)計(jì)需要滿足如下內(nèi)容要求。

（1）背景音樂和畫面的色彩在空間的變化是有規(guī)律的，如果在舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)中，將所有燈光色彩、亮度在空間和時(shí)間上進(jìn)行組合轉(zhuǎn)換變換，形成各種場景的需要，就能使觀眾能夠根據(jù)不同場景的需要，得到相應(yīng)光線變化與亮度變化相配合的效果。

（2）舞臺(tái)燈光設(shè)備要能自動(dòng)識(shí)別舞臺(tái)上各種背景顏色及其變化規(guī)律，并能根據(jù)相應(yīng)場景需求變換不同色彩及亮度。

（3）由于舞臺(tái)燈具是固定不動(dòng)的，要想實(shí)現(xiàn)燈光變換時(shí)不出現(xiàn)光色偏差和光斑效果，就必須對所有燈具進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。因此就要設(shè)計(jì)和制作各種具有不同功能的控制臺(tái)與控制器，使之具有自動(dòng)切換燈具位置、亮度與顏色等功能。在切換過程中或自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，燈光設(shè)備要具備相應(yīng)的檢測和控制能力，以便準(zhǔn)確判斷切換時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)某些故障。

5 舞臺(tái)燈光智能識(shí)別自動(dòng)切換設(shè)計(jì)方案

5.1 系統(tǒng)總方案

本次舞臺(tái)燈光智能識(shí)別自動(dòng)切換設(shè)計(jì)分為PC光源控制面板、步進(jìn)電機(jī)控制信號譯碼、驅(qū)動(dòng)電路、溫度采集電路以及電源模塊五個(gè)設(shè)計(jì)部分。

5.2 硬件設(shè)計(jì)

舞臺(tái)智能燈光控制系統(tǒng)中有X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)和光圈電機(jī)等多種類型的電機(jī)。這些步進(jìn)電機(jī)在系統(tǒng)當(dāng)中起到了驅(qū)動(dòng)作用。系統(tǒng)采用Luminaery公司生產(chǎn)的LM3S8962主控系統(tǒng)，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)對燈光的控制。具體流程是由電腦控制面板將原有的調(diào)光信號轉(zhuǎn)換為DMX512信號，向處理器進(jìn)行傳輸，具體流程如圖1所示。

圖1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)圖

5.3 軟件編程

舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)軟件部分，需要燈光師根據(jù)舞臺(tái)表演需求，在控制面板上選擇對應(yīng)的光源的位置、亮度以及圖案等信息，后按下確定按鈕，此時(shí)PC端計(jì)算機(jī)通過RS-232通信協(xié)議將光源控制信息發(fā)送到處理器，數(shù)據(jù)處理裝置會(huì)對現(xiàn)有的信息進(jìn)行分類，之后分發(fā)到不同的模塊。具體流程如圖2所示。

圖2 舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

5.4 智能控制精準(zhǔn)度分析

舞臺(tái)智能燈光控制裝置由控制單元和步進(jìn)電機(jī)兩部分構(gòu)成，但是目前可以影響到舞臺(tái)燈光調(diào)節(jié)效果的主要因素包括控制方式、電機(jī)性能以及驅(qū)動(dòng)方式等。鑒于此，需要在實(shí)際應(yīng)用中分析干擾因素對于精準(zhǔn)度的影響，保障系統(tǒng)在實(shí)際舞臺(tái)劇目中使用的效果。

為了避免步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行期間出現(xiàn)丟步、過沖和步距均勻性等問題，本次設(shè)計(jì)中，除了選擇具有低噪音、低振動(dòng)的優(yōu)質(zhì)電機(jī)，同時(shí)保證電機(jī)本身的散熱條件、選擇合適的驅(qū)動(dòng)器外，還進(jìn)行了如下改動(dòng)。

（1）將步進(jìn)電機(jī)的輸出位置反饋回來構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，這樣可以提升線性定位的精準(zhǔn)性，同時(shí)又很好地具備了抗干擾的能力，但同時(shí)這種設(shè)計(jì)方式會(huì)增加整個(gè)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和復(fù)雜性，影響到最終的美觀。

（2）根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的電流與轉(zhuǎn)角所呈現(xiàn)出的非線性關(guān)系，對電流數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)細(xì)分控制，但同時(shí)這種方式會(huì)呈現(xiàn)出靈活性不足的特點(diǎn)，同時(shí)劃分出多級細(xì)分，就會(huì)增加處理器的存儲(chǔ)空間。鑒于此，可以采用自適應(yīng)算法。

5.5 系統(tǒng)抗干擾性分析

因?yàn)槲枧_(tái)智能燈光控制系統(tǒng)處于電磁波輻射的環(huán)境，會(huì)受到諸多電源或者電器元件的干擾，最終影響到裝置系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，因此，可以根據(jù)實(shí)際存在的干擾因素，有針對性地采取措施來消除或者降低干擾的影響，具體措施如下。

（1）在系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)中，將開關(guān)電源的電壓轉(zhuǎn)換為實(shí)際需要的電源電壓即5 V和3.3 V，以此滿足整個(gè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用需求；將電源輸入端與去耦合電源相連接，過濾高頻的干擾。

（2）選擇螺旋天線，這樣可以增強(qiáng)使用期間的信號強(qiáng)度，增大信號傳輸?shù)膶?shí)際距離，以此解決傳輸中有效距離太短的問題。

5.6 設(shè)計(jì)方案測試結(jié)果

本次設(shè)計(jì)在電腦端進(jìn)行了功能測試。舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)可以直接在PC上運(yùn)行，并通過開發(fā)虛擬鍵盤的方式完成整體的模擬測試。實(shí)驗(yàn)證明，基于Crotex-M3內(nèi)核的MCU處理器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的燈光控制平臺(tái)是成功的，并且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在軟件編程方面也非常具有創(chuàng)新性。可以說，這套系統(tǒng)完全能夠滿足舞臺(tái)燈光控制平臺(tái)對實(shí)時(shí)性、可靠性等方面的要求。

6 結(jié) 語

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在的舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)不再僅僅是將光源、效果等數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦中，而是通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制以及對其進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整，這樣才能讓燈光控制系統(tǒng)發(fā)揮出更好的作用。本文提出了一種Crotex-M3內(nèi)核MCU的舞臺(tái)燈光控制裝置，力求在現(xiàn)有燈光控制的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)整體的智能性和多樣性。測試表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有很好的可靠性和應(yīng)用性，具有一定的推廣價(jià)值。