首鋼賽區燈光展示沉浸體驗設計與開發研究

馬 曄，馮天成，榮浩磊，程春曉，聶卉婧

(北京清控人居光電研究院有限公司，北京 100089)

引言

項目在創意設計和技術研發的戰略目標上，基于首鋼賽區的比賽場館及其周邊工業遺址的建筑設施及規劃特點，強調工業科技化以及現代化的可視化展現，突出園區立體多層次的空間特點，探索如何在首鋼賽區打造一個集觀賞性、知識性、趣味性于一身的高科技活動空間，并通過可持續發展的設計戰略和技術創新，使這個樂園在今后成為首鋼園區珍貴的冬奧遺產。在強調技術協同配合的同時，注重其與現有工業設施的結合，實現以冬奧會為契機，數字化生態技術體系為抓手，推動首鋼園區的再生。

首鋼賽區智能化照明環境及燈光展示沉浸體驗設計與開發，是項目中的室外區域研究課題。課題分析工業遺址體量巨大、造型復雜等設計難點，研究沉浸體驗的設計要素，通過模擬仿真和互動算法等技術支持，設計開發強交互的沉浸體驗空間，盤活工業遺址區，支持復興城市公共空間的示范項目落地實現。

1 目標設定

1.1 價值目標

在城市更新進程中，工業遺址如何順應時代的進步實現自身價值的最大化是城市建設需關注的重要問題。課題包含了三方面的價值目標：

1)復興城市公共空間。首鋼園區已經構建了部分以紅色主題色調為主的照明系統，如遇重大活動也備有臨時裝置進行主題演繹，與以往相比，夜間活動空間建設有了很大的進步。但現有照明集中于單體規劃，雖然各有特點但是相互之間卻缺乏關聯，在首鋼園的體驗需求以及夜間再生文創價值方面還有很大提升空間。在城市更新的進程中，工業遺址如何順應時代的進步實現自身價值的最大化，是城市建設需要解決的重大問題[1]。此次以冬奧會為契機，通過沉浸體驗突出首鋼區域特色，鼓勵人們活動交流體驗，盤活舊工業遺址區，進而復興城市公共空間，吸引更多的百姓來此休閑活動，通過沉浸體驗設計回饋城市和人民。

2)增加運營價值。目前首鋼基礎設施已建成局部區域，但是整體控制不足。由于重大活動多為臨時裝置，活動之外的時間無互動體驗，很難吸引人群駐足，從而缺乏運營價值。此次課題，遵循存量利舊、統一控制為主的原則，通過夜景建設盤活工業遺址的夜游經濟。通過仿真模擬平臺的技術研發，支持后期根據園區重大活動定制化內容，提供長期體驗和運營的可能。

3)示范引領典范。首鋼園在地理區位、空間資源、歷史文化、生態環境上具有獨屬優勢，是落實首都功能定位的重要支撐。夜間活動區域再生價值的改造提升，具有重要的社會影響力，為全國復興工業園區、賽事活動等舉辦場地的長效利用提供新的思路和示范。

本課題的核心意義是追求傳統工業文化與新興科學技術之間的碰撞與融合，同時為當代工業發展做出可視化的、展示工業實力與城市更新的體驗環境，避免盲目過度、追求數字技術帶來的新奇異，突出中國特色，注重技術和空間場所結合帶給人的感知體驗。

1.2 技術目標

在技術指標上，課題要求達成投影面積不小于2 000 m2，投影單位照度不小于300 lx，支持不少于10人實時互動，平均亮度15 cd/m2，功率密度不高于35 W/m2的隨境影像系統。以上指標包含了面積、照度、亮度、互動數量等指標。設計中對指標進行了分析細化，在滿足視線觀看的要求下，對不同場景設計不同的亮度。課題組對國內的大面積投影進行調研，包含珠海和成都等地的多個案例，根據《景觀照明檢測中的亮度測量方法》[2]，選取多個場景進行測試。亮度最高的為白色場景，平均亮度為5～10 cd/m2，最高亮度為15～20 cd/m2。最大亮度代表設備能達到的能力，在畫面中亮度最高的地方進行呈現。投影面積的實現，主要是通過對高爐、煙囪、熱力爐等有工業特色的載體進行呈現。

1.3 研究框架

項目在前期分析、創意策劃、技術手段三方面，通過模擬仿真系統和燈光技術平臺的創新研究，建成大尺度的隨境影像和智能化沉浸式光影秀。研究內容分為以下三類：一是在前期分析和創意策劃層面，研究首鋼特色和冬奧會結合的方式，將在創意方面采取互動競技、投影展示方面與主題契合；二是通過仿真模擬平臺在三維掃描、材質特性采集、顏色校正、數字化方案模擬、燈具對比等方面提供技術支持，并通過燈光技術平臺搭載具體技術實現；三是建成數字投影、隨境影像、互動體感等多維度大尺度的沉浸體驗式光影秀展示系統。研究內容框架如圖1所示。

圖1 研究內容框架圖Fig.1 Research content framework

2 設計技術研究

2.1 設計研究

通過冰雪運動和工業力量的文化重構，設置冰火對抗和交融的方式，打造工業文化和體育競技相融合的獨屬IP。冬奧主題提取冰的元素，“冰之隊”象征冬奧競技拼搏的精神。工業精神中提取火的元素，紅色“火之隊”象征首鋼堅忍不拔的意志。將冰火元素植入互動競技類設計，如圖2所示。通過互動設備及算法實現人與光之間的強互動，人對隨境影像系統產生干預，形成人光對話機制；通過競技比賽形式進行互動，設置獎勵機制，勝方觸發隨境影像展示系統，在娛樂的同時帶來體育競技樂趣與文化感官體驗。

圖2 互動主題示意圖Fig.2 Interactive theme diagram

工業遺址體量巨大，外部造型復雜, 表面顏色斑駁，是方案設計的難點。方案首先針對體量巨大的特點，選擇立面成像，以形成圍合感，增加沉浸體驗感受。然后利用中間鋼架，形成舞臺劇場類的主視覺成像面。兩側區域結構對稱，配合交互主題成為對抗畫面的呈現區域。同時，為了彌合巨大高爐主題帶來的壓迫感，在近人尺度設置互動設施，互動設施采取透明成像材質，可近距離使互動人群感受互動反饋，又可透過載體看到后方呈現在高爐上被放大的畫面，建立近距離小尺度和遠距離大體量并存的沉浸感。

2.2 節能方案研究

課題組在設計示范中，從光源選擇、設備選配兩個方面進行節能設計研究。投影設備的基礎類型是能耗差異的重要因素，常規傳統光源的光效在3～6 lm/W，單色或雙色激發熒光粉光源的光效在6～9 lm/W，三色激光光源的光效可達15～18 lm/W，在相同功率下單臺可節能50%～80%。減少投影融合面積也是節能的重要方式，當多臺投影機投射在同一個屏幕上時會產生融合帶，相同面積下以少臺大流明設備替代多臺小流明設備，可有效減少融合帶，從而提高利用率。以2 000 m2達到300 lx照度為例，使用10臺6萬流明投影儀比20臺3萬流明投影儀減少20%的能源消耗。

首鋼一高爐地塊中的熱力爐在場景中占到1/3的面積，是構成沉浸圍合感的重要載體。課題對顏色、粗糙度、反射率進行調研和數據采集，發現熱力爐的表面材質反射率極低，呈像困難。經分析后將該部分設定為氛圍配合區，影像以剪影形式的雪花、鋼花為展現元素，通過雪花從上飄落和鋼花由下部迸發的影像設置，降低投影面積中的發光面，進一步節約運行能耗。

2.3 模擬仿真技術

模擬仿真技術通過置入三維掃描模型還原建(構)筑物結構形式、搭載設備數據庫，置入照明數據結構，實時展示的方式，支持低消耗、高效率的線上方案設計過程，如圖3所示。首先對真實材料特性進行采集和材質標定，如物體色、紋理、粗糙度、反射率等；然后以實測燈具作為信息載體，置入新型光源算法，根據人眼視覺進行光學標定。實現量化目標，建立了虛擬和現實世界的橋梁，提供預見性效果，及精確的數據支持?；诜抡嫫脚_，在方案開發中針對效果量化要求、設施定位、投射角度等進行多元探索。在平臺中模擬現場調試，查看真實照明效果，推敲設計方案，將一般照明設計流程中的深化設計、燈具選型、效果模擬、燈具布置工作在仿真平臺上進行，并通過該平臺進行亮度、色溫、功耗、光污染等多方面內容的分析。

圖3 模擬仿真技術應用圖Fig.3 Application diagram of simulation technology

以在課題研究中的高爐主體模擬試燈為例，首鋼一高爐頂端行架距離地面約80 m，如在真實場景下進行試燈，燈具運輸、電力及控制困難，試燈也需要耗費大量的人力成本和時間成本。課題通過平臺模擬現場調試，實時查看高爐照明效果，推敲最佳照明位置，優化照明方案。通過對照明設計過程中的深化設計、燈具選型、燈具布置等關鍵節點進行仿真模擬，避免多環節反復，有效指導燈具定位和投射角度設置，提升研究效率，如圖4所示。

圖4 模擬燈具在不同位置安裝的照明效果Fig.4 Simulate the lighting effect of lamps installed in different positions

2.4 交互設計研發

交互設計，一般是指人機交互設計，是人與機器作為一個完整系統協同工作時，對系統行為的設計[3]。本次交互模式設計中，為了使人與光之間具有強交互、易操作等特點，課題基于體感攝影機，通過身體跟蹤、動態捕捉、影像辨識等功能，觸發成像設備呈現不同互通體驗。

身體跟蹤技術中，考慮到交互個體的高度差異，以3D的方式追蹤移動或處于固定位置的人體，再以實例分割的方式，將2D關鍵點設置于個體中部區域，獲得完整清晰和唯一性鑒別的身體跟蹤能力，避免了因高度不同而導致的運動不平等現象，在一定程度上實現了競技互動的公平性。

識別動作捕捉中，除了關鍵點捕捉功能外，可運用RGB高清攝像頭鑒別出人的邊界范圍，深度攝像頭將獲得互動者的尺寸數據，與系統內部存有的人體骨骼模型進行對照。系統內部的虛擬角色采用冰墩墩、雪融融的形象，通過系統內骨骼模型的關鍵部位形成觸發，轉換為虛擬角色的動作。

社群互動中，除了單人分組互動之外，為了使更多人群參與互動，采用多點互動特性。通過壓力頻率等接觸參數，對信號進行編譯轉化，由定制算法輸出光電信號觸發互動光電設備，呈現不同感受的效果，如元素大小、灰度高低、紋理變化等。個體隨機觸碰下產生不同畫面，實現人光互動中的隨機性與不確定性，增強互動趣味感。

3 預期實現

課題從方案設計和技術支持兩個層面進行研究，通過模擬仿真系統和燈光技術平臺的技術，支持隨境影像和互動體驗空間的落地實現。方案設計層面，研究首鋼特色和冬奧會結合的方式，采取互動競技、投影展示方面與主題契合；技術支持層面，置入真實材質參數、設備參數、載體參數，在平臺上進行方案模擬、設備對比等支持。指導建成數字投影、隨境影像、互動體感等多維度沉浸體驗式展示系統。課題在設計過程中運用了交叉學科知識開展數字化仿真模擬，全程支持解決方案設計、設備選擇、節能設計中的難點問題。

課題通過研究傳統工業文化與新興科學技術之間的碰撞與融合，注重空間場帶給人的感知體驗，鼓勵人們活動交流體驗，建設沉浸體驗空間回饋城市和人民。遵循存量利舊的原則，通過仿真模擬平臺的技術研發，提供長期體驗和運營技術手段支持盤活工業遺址。同時夜間活動區域再生價值的改造提升，也將為全國復興工業園區、賽事活動等舉辦場地的長效利用提供新的思路和示范，達到復興城市公共空間、增加運營價值、建設示范工程引領典范的目標和意義。