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舞臺機(jī)械管控的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點

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舞臺機(jī)械管控的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點

本文作者:盛敏 單位:浙江大豐實業(yè)有限公司

1前言

在常規(guī)的舞臺控制結(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)等控制器對舞臺機(jī)械,包括臺上、臺下設(shè)備進(jìn)行操縱,以達(dá)到預(yù)先設(shè)想的設(shè)備運行結(jié)果。“人機(jī)接口模塊”是舞臺設(shè)備運行的起點,它對用戶屏蔽了底層設(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設(shè)備的橋梁,因此,如何讓用戶在已有的舞臺設(shè)備上盡可能地忽略掉舞臺設(shè)備本身的操作,充分發(fā)揮其藝術(shù)想象力,將舞臺機(jī)械效能發(fā)揮到最大,是人機(jī)接口模塊的主要功能,也是浙江大豐實業(yè)有限公司(以下簡稱“大豐公司”)將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入到舞臺機(jī)械控制的重要原因。虛擬現(xiàn)實技術(shù)起源于20世紀(jì)30年代,但因為受軟硬件的技術(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)、推演真實場景的變化。相信隨著技術(shù)的進(jìn)步,虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(shù)應(yīng)用于舞臺機(jī)械控制,并在舞臺遠(yuǎn)程控制方面進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計。本文介紹這兩項技術(shù)的特點及其在舞臺機(jī)械控制中的應(yīng)用。

2舞臺機(jī)械控制中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點及功能

在實時渲染模塊部分,設(shè)計之初是為了應(yīng)用設(shè)計模式理念,為技術(shù)升級和改進(jìn)提供原初支持。實時渲染模塊以接口驅(qū)動設(shè)計,做到了整體設(shè)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(jìn)中,又增加了物理引擎模塊,實現(xiàn)對英偉達(dá)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(fù)責(zé)全部場景的所有細(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)實技術(shù)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(shù),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(shù),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(dá)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(guān)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(shù)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(yù)存信息,計算費用大大減少。當(dāng)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(shù)是值得付出的。

目前此方法的技術(shù)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(shù)。此方法的技術(shù)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(shù),可以輕松實現(xiàn)場景替換以及模型引入。

在應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(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;舞臺設(shè)備的仿真運行。目前,“大豐公司”虛擬現(xiàn)實技術(shù)所支持的高級顯示特效包括:柔和光影支持、HighDynamicRange(HDR)支持、SpecularBloom支持、normalmapping支持、Motionblur支持、Volumetriclighting支持。對虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行測試,測試參數(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)實技術(shù)在舞臺機(jī)械控制中的應(yīng)用實例可參見2008年第5期《演藝設(shè)備與科技》雜志的《虛擬現(xiàn)實技術(shù)在舞臺控制的應(yīng)用及前景》一文。

3虛擬局域網(wǎng)技術(shù)的特點及功能

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)互連時無法限制廣播的問題,目前,很多跨國公司將此技術(shù)與動態(tài)密碼技術(shù)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(shù)優(yōu)點有: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中的計算機(jī)無論在哪個網(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)的故障以及對遠(yuǎn)端劇院系統(tǒng)進(jìn)行控制。目前,現(xiàn)有的舞臺安全標(biāo)準(zhǔn)還不允許在劇院實現(xiàn)遠(yuǎn)端系統(tǒng)控制?!按筘S公司”設(shè)計了新的舞臺遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù),開始應(yīng)用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)這一功能。對于設(shè)計劇院舞臺監(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:被監(jiān)控對象的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??;采用分級的服務(wù)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(yù),它使得監(jiān)控僅在約定時段可運行,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(guān)的監(jiān)控模塊應(yīng)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(shù)功能,解決了維護(hù)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(shù)問題,如果俄羅斯、印度、哈薩克斯坦等國家的劇院舞臺機(jī)械項目出現(xiàn)問題,“大豐公司”可在第一時間進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)。

4結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)與虛擬局域網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控兩項技術(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,相信不久也會走入舞臺劇院。從某種意義上來說,舞臺設(shè)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(yīng)用,比如無線車臺的遠(yuǎn)程監(jiān)控。