摘 要：劇院舞臺(tái)燈光布置較為復(fù)雜，對(duì)不同場景燈光的要求也不盡相同，導(dǎo)致舞臺(tái)燈光控制效果難以達(dá)到理想狀態(tài)，為此，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的劇院舞臺(tái)分布式燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究。以高性能高品質(zhì)ZYNQ7000計(jì)算平臺(tái)和Xilinx Zynq-7020處理器的MYC-C7Z020-V2核心板作為系統(tǒng)的開發(fā)載體，構(gòu)建了包含感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層以及應(yīng)用層的系統(tǒng)構(gòu)架，并分別從自動(dòng)調(diào)光、場景切換以及演員跟蹤3個(gè)方面對(duì)其功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。在測試結(jié)果中，控制系統(tǒng)下的劇院舞臺(tái)分布式燈光狀態(tài)與預(yù)設(shè)狀態(tài)的時(shí)延誤差穩(wěn)定在1.0 s以內(nèi)，應(yīng)用效果較好。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；劇院舞臺(tái)；分布式燈光控制；開發(fā)載體；系統(tǒng)構(gòu)架；自動(dòng)調(diào)光；場景切換；演員跟蹤

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）02-00-03

0 引 言

由于劇院的舞臺(tái)燈光多樣且復(fù)雜，因此需要精確地控制每一個(gè)燈來確保燈光亮度和顏色都符合要求。燈光控制系統(tǒng)需要能夠快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)指令，并且能夠進(jìn)行預(yù)設(shè)編程以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制[1]。此外，控制系統(tǒng)也需要保證精度和可靠性，以免出現(xiàn)誤差影響演出效果。值得注意的是，燈光布置和控制還需要考慮到安全性問題[2]。例如，燈具的安裝需要符合安全標(biāo)準(zhǔn)，以免其掉落傷人；同時(shí)，也需要特別注意過熱的燈具，以免其引發(fā)火災(zāi)或其他安全事故。不僅如此，劇院的燈光控制還需要具有一定的適應(yīng)性和靈活性。因?yàn)椴煌膭∧俊⒉煌膶?dǎo)演和演員對(duì)燈光的要求可能會(huì)有所不同，所以燈光應(yīng)該能夠根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整和改變[3]。結(jié)合上述分析，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的劇院舞臺(tái)分布式燈光控制系統(tǒng)，并以實(shí)際的劇院舞臺(tái)環(huán)境為基礎(chǔ)，通過對(duì)比測試，對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用效果加以驗(yàn)證。

1 硬件設(shè)計(jì)

在對(duì)劇院舞臺(tái)燈光進(jìn)行控制時(shí)，由于燈光配置的差異性以及目標(biāo)控制狀態(tài)的差異性，需要功能強(qiáng)大的芯片作為系統(tǒng)的核心[4]。為此，本文將MYC-C7Z020-V2核心板及開發(fā)板作為設(shè)計(jì)系統(tǒng)的微處理器芯片[5]。在雙核Cortex-A9+FPGA全可編程處理器的基礎(chǔ)上，MYC-C7Z020-V2搭載了高性能高品質(zhì)ZYNQ7000計(jì)算平臺(tái)。其基于Xilinx Zynq-7020處理器以及Cortex-A9處理核加Artix-7的FPGA架構(gòu)，因此MYC-C7Z020-V2具有性能強(qiáng)大的特點(diǎn)[6]。在MYC-C7Z020-V2的PS（ARM）與PL（FPGA）之間，采用AXI高速片上總線通信，因此能夠達(dá)到Gb級(jí)帶寬，突破傳統(tǒng)ARM+FPGA架構(gòu)的通信瓶頸。此外，MYC-C7Z020-V2通過ARM和FPGA靈活配置豐富的外設(shè)接口，如串口、以太網(wǎng)口、視頻接口等，可滿足工業(yè)以太網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，劇院舞臺(tái)分布式燈光控制系統(tǒng)在應(yīng)用方面的拓展性需求，保障系統(tǒng)性能的穩(wěn)定輸出。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式燈光控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于劇院舞臺(tái)分布式燈光控制系統(tǒng)構(gòu)架，本文在設(shè)計(jì)過程中引入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將系統(tǒng)構(gòu)架分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層以及應(yīng)用層4部分，如圖1所示。

在圖1所示的劇院舞臺(tái)分布式燈光控制系統(tǒng)構(gòu)架中，感知層為整個(gè)劇院舞臺(tái)分布式燈光控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入源，通過各種傳感器和設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測舞臺(tái)上的燈光、音效、演員位置等信息。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)將感知層采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心。為了確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和安全性，本文采用ZigBee+WiFi+LoRa的通信協(xié)議模式。同時(shí)，為了避免數(shù)據(jù)丟失或存在較大時(shí)延，本文采用了多通道備份傳輸技術(shù)。平臺(tái)層是劇院舞臺(tái)分布式燈光控制系統(tǒng)的核心，主要包括數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)處理中心兩部分。其中，數(shù)據(jù)中心主要負(fù)責(zé)接收并存儲(chǔ)從網(wǎng)絡(luò)層傳輸過來的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理中心對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和挖掘，提取燈光控制策略、演員位置信息。在本文設(shè)計(jì)的劇院舞臺(tái)分布式燈光控制系統(tǒng)中，應(yīng)用層根據(jù)實(shí)際需求控制具體的執(zhí)行單元，包括自動(dòng)調(diào)光、場景切換、遠(yuǎn)程控制。

按照上述方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式燈光控制系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，為其穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障。

2.2 分布式燈光控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)分布式燈光控制系統(tǒng)功能階段，本文以數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析為基礎(chǔ)，將一個(gè)劇院的舞臺(tái)分布式燈光控制系統(tǒng)功能主要分為3個(gè)方面，分別為自動(dòng)調(diào)光、場景切換以及演員跟蹤。在自動(dòng)調(diào)光功能中，主要根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測到的舞臺(tái)光線和演出需求，自動(dòng)調(diào)整燈光亮度、色溫等參數(shù)。在具體實(shí)現(xiàn)過程中，首先確定燈光傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測的舞臺(tái)光線強(qiáng)度、色溫參數(shù)與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值，具體的計(jì)算方式見式（1）：

（1）

式中：f（a）表示燈光傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測舞臺(tái)燈光狀態(tài)數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)值之間的差異；a（t）表示燈光傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測到的t時(shí)刻舞臺(tái)燈光狀態(tài)數(shù)據(jù)；F（t）和Ω（t）分別表示t時(shí)刻人對(duì)舞臺(tái)燈光刺激所感知到的明亮程度并以此作為估計(jì)的輻射通量參數(shù)，以及燈光傳感器獲取舞臺(tái)燈光狀態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)應(yīng)的立體角參量。結(jié)合式（1）的計(jì)算結(jié)果，根據(jù)差值的大小和方向，自動(dòng)調(diào)整燈光設(shè)備的亮度、色溫等參數(shù)，使燈光效果與舞臺(tái)光線相匹配。

在場景切換功能中，主要根據(jù)演出需求快速切換不同的燈光場景。在具體實(shí)現(xiàn)階段，首先根據(jù)不同的演出需求，預(yù)設(shè)不同的燈光場景，包括燈光亮度、色溫、效果參數(shù)，再通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測舞臺(tái)上的演出狀態(tài)、劇情變化參數(shù)，并比較采集到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的演出需求，判斷是否需要切換場景。具體的判斷方式見式（2）：

（2）

式中：f（E）表示采集到的演出狀態(tài)、劇情變化參數(shù)與當(dāng)前執(zhí)行預(yù)設(shè)燈光場景之間的擬合函數(shù)；E（t）表示預(yù)設(shè)的t時(shí)刻燈光場景信息；θ和r分別表示面元法線與光束傳播方向之間的夾角和點(diǎn)光源到面元之間的距離。當(dāng)式（2）輸出的判斷結(jié)果為需要切換場景，則快速調(diào)整燈光設(shè)備的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)場景的切換，對(duì)應(yīng)的調(diào)整目標(biāo)為預(yù)設(shè)場景下與當(dāng)前演出進(jìn)度一致的參數(shù)。

演員跟蹤功能主要通過紅外線或超聲波等技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測演員的位置，并自動(dòng)調(diào)整燈光跟隨演員移動(dòng)。在具體實(shí)現(xiàn)過程中，首先利用演員位置傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測演員的位置坐標(biāo)，再通過比較采集到的位置坐標(biāo)與預(yù)設(shè)的燈光區(qū)域之間的位置關(guān)系，判斷是否需要調(diào)整燈光位置。具體的判斷方式見式（3）：

（3）

式中：lji表示采集到的位置坐標(biāo)與預(yù)設(shè)的燈光區(qū)域之間的位置偏差；xi和yi分別表示演員位置傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測到的演員位置坐標(biāo)；xj和yj分別表示預(yù)設(shè)的燈光區(qū)域位置坐標(biāo)；Emax表示最大光源照度參數(shù)；h表示劇院舞臺(tái)空間對(duì)應(yīng)的光源高度信息。根據(jù)式（3）的分析結(jié)果，自動(dòng)調(diào)整燈光設(shè)備的角度和亮度等參數(shù)，使對(duì)應(yīng)的燈光跟隨演員移動(dòng)。在設(shè)計(jì)上述劇院舞臺(tái)分布式燈光控制系統(tǒng)功能階段，本文引入了反饋機(jī)制，以此不斷優(yōu)化控制參數(shù)，通過這樣的方式提高功能實(shí)現(xiàn)的精度和穩(wěn)定性，為確保最佳的舞臺(tái)演出效果和良好的觀眾觀演體驗(yàn)提供可靠保障。

3 應(yīng)用測試與分析

3.1 測試準(zhǔn)備

在分析基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的劇院舞臺(tái)分布式燈光控制系統(tǒng)具體應(yīng)用的過程中，本文以某現(xiàn)實(shí)劇院舞臺(tái)為基礎(chǔ)，開展了對(duì)比測試，對(duì)測試環(huán)境進(jìn)行分析。劇院舞臺(tái)是一個(gè)矩形舞臺(tái)，長度為15.0 m，寬度為10.0 m，高度為8.0 m；舞臺(tái)上方有一個(gè)吊頂，吊頂用來安裝燈光設(shè)備；舞臺(tái)前方有一個(gè)大幕，大幕可以根據(jù)演出需要進(jìn)行升降和開合；舞臺(tái)后方和兩側(cè)有一些可移動(dòng)的幕布和隔斷，幕布和隔斷可以根據(jù)演出需要進(jìn)行調(diào)整。對(duì)分布式燈光布設(shè)情況進(jìn)行分析，分布式燈光包括面光、側(cè)光、頂光、追光等不同方向的燈光設(shè)備。面光主要安裝在舞臺(tái)上方吊頂?shù)那胺?，用于照亮演員的面部和上半身；側(cè)光主要安裝在舞臺(tái)上方吊頂?shù)膬蓚?cè)，用于照亮演員的側(cè)面；頂光主要安裝在舞臺(tái)上方吊頂?shù)暮蠓剑糜跔I造氛圍和突出重點(diǎn)；追光主要安裝在舞臺(tái)兩側(cè)，用于跟隨演員移動(dòng)并突出重點(diǎn)。在上述燈光配置的基礎(chǔ)上，劇院舞臺(tái)配備了調(diào)光臺(tái)和燈光控制系統(tǒng)，可以對(duì)分布式燈光進(jìn)行精準(zhǔn)控制。調(diào)光臺(tái)采用Dali系統(tǒng)，可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和編程?？刂葡到y(tǒng)采用PLC控制技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制燈光設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，為燈光控制提供基礎(chǔ)[7-8]。

3.2 測試結(jié)果與分析

在上述測試環(huán)境的基礎(chǔ)上，對(duì)具體的測試結(jié)果進(jìn)行分析。本文以一場50 min的舞臺(tái)演出的12個(gè)主場景為基礎(chǔ)，將燈光狀態(tài)與預(yù)設(shè)狀態(tài)的時(shí)延作為具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)。同時(shí)，將測試結(jié)果和文獻(xiàn)[2]提出的以單片機(jī)為基礎(chǔ)的燈光控制系統(tǒng)，以及文獻(xiàn)[3]提出的以LED光源與傳統(tǒng)光源為基礎(chǔ)的燈光控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。劇院舞臺(tái)分布式燈光控制測試結(jié)果如圖2所示。

結(jié)合圖2所示的測試結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于測試劇院舞臺(tái)分布式燈光的控制效果與預(yù)設(shè)狀態(tài)的擬合度最高，時(shí)延最短，始終穩(wěn)定在1.0 s以內(nèi)，與對(duì)照組相比具有較為明顯的優(yōu)勢。結(jié)合上述測試分析結(jié)果可以得出，本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的劇院舞臺(tái)分布式燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有良好的應(yīng)用價(jià)值[9-10]。

4 結(jié) 語

精準(zhǔn)的燈光控制能夠更好地引導(dǎo)觀眾的視線，突出重點(diǎn)，營造出所需的氛圍，使演出效果更加出色。為此，本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的劇院舞臺(tái)分布式燈光控制系統(tǒng)，分別從硬件角度和軟件角度對(duì)燈光控制系統(tǒng)進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)，并充分利用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，切實(shí)實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制劇院舞臺(tái)分布式燈光狀態(tài)的目的。借助本文對(duì)于劇院舞臺(tái)分布式燈光控制問題的研究，使得燈光可以與演員的表演、音樂和布景等元素相互配合，更好地展現(xiàn)出藝術(shù)效果。

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作者簡介：李沁陽（1984—），男，江蘇靖江人，設(shè)計(jì)師，研究方向?yàn)槲枧_(tái)設(shè)計(jì)管理。

收稿日期：2024-01-15 修回日期：2024-02-26