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舞臺機械管控的虛擬現實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)的論文
1前言
在常規的舞臺控制結構中，編導或相關(guān)人員通過(guò)“人機接口模塊”借助于工業(yè)以太網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò )，根據演出或相關(guān)要求，通過(guò)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(jìn)行操縱，以達到預先設想的設備運行結果�！叭藱C接口模塊”是舞臺設備運行的起點(diǎn)，它對用戶(hù)屏蔽了底層設備的細節，比如設備采用伺服電機還是步進(jìn)電機，又或者控制單元為PLC還是軸控制器。它是溝通用戶(hù)和舞臺設備的橋梁，因此，如何讓用戶(hù)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(shù)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(shí)業(yè)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“大豐公司”）將虛擬現實(shí)技術(shù)引入到舞臺機械控制的重要原因。虛擬現實(shí)技術(shù)起源于20世紀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(lái)，現在已經(jīng)廣泛應用于教育培訓、文化娛樂(lè )等多種行業(yè)。虛擬現實(shí)技術(shù)的功能是讓用戶(hù)在虛擬環(huán)境下模擬、學(xué)習、推演真實(shí)場(chǎng)景的變化。相信隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，虛擬現實(shí)技術(shù)會(huì )越來(lái)越多地介入人類(lèi)生活。在國內，“大豐公司”首先將虛擬現實(shí)技術(shù)應用于舞臺機械控制，并在舞臺遠程控制方面進(jìn)行了創(chuàng )新設計。本文介紹這兩項技術(shù)的特點(diǎn)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實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)及功能
在實(shí)時(shí)渲染模塊部分，設計之初是為了應用設計模式理念，為技術(shù)升級和改進(jìn)提供原初支持。實(shí)時(shí)渲染模塊以接口驅動(dòng)設計，做到了整體設計的模塊化、靈活化，為第三方模塊未來(lái)的接入提供底層支持，并且對DirectX及OpenGL接口提供內建支持。在最新的改進(jìn)中，又增加了物理引擎模塊，實(shí)現對英偉達公司物理引擎physx的全面支持，做到虛擬場(chǎng)景對各種基本物理現象的模擬，并且輕松經(jīng)受碰撞檢測。
實(shí)時(shí)渲染模塊主體框架結構分4部分：
�。�1）根節點(diǎn)模塊，它是全部工作的組織者和管理者。
�。�2）場(chǎng)景管理模塊，它是場(chǎng)景的管理者和組織者，負責全部場(chǎng)景的所有細節。
�。�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(xiàn)底層接口封裝在其中。
圖形技術(shù)是虛擬現實(shí)技術(shù)中最重要的部分，主要包括3個(gè)方面：
�。�1）場(chǎng)景的幾何組織與優(yōu)化，著(zhù)重于提高繪制效率。
�。�2）場(chǎng)景的畫(huà)面真實(shí)度與特效生成技術(shù)，包括高級紋理映射、過(guò)程式建模等。
�。�3）基于真實(shí)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)，常規的場(chǎng)景組織與管理主要涉及：場(chǎng)景的幾何優(yōu)化及三維場(chǎng)景的快速可見(jiàn)性判斷與消隱。場(chǎng)景管理常用方法：基于場(chǎng)景圖的表達和管理；基于繪制狀態(tài)分類(lèi)；基于場(chǎng)景包圍體的場(chǎng)景組織。
“大豐公司”創(chuàng )建了一種新的場(chǎng)景管理方法來(lái)處理場(chǎng)景管理問(wèn)題。首先，利用空間均勻網(wǎng)格剖分方法將場(chǎng)景剖分為均勻網(wǎng)格，此方法最早運用于三維模擬的光線(xiàn)跟蹤計算，此后有多個(gè)變種出現。然后，將以每個(gè)網(wǎng)格為中心拍攝的場(chǎng)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(chǎng)景中所有模型包圍體的全景圖；其二，它只是一種數據儲存結構，存儲了以該點(diǎn)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(jià)格下降，容量提升。（2）場(chǎng)景模型在所有場(chǎng)景內容中占比僅為幾十分之一。（3）采用模型包圍體技術(shù)后，場(chǎng)景模型所需的存儲容量再呈幾何級數下降。
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，因為場(chǎng)景并非全由靜態(tài)模型組成。（2）場(chǎng)景中的幾何組織與可見(jiàn)性判斷僅需要簡(jiǎn)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(jià)：存儲耗費和全景圖重構。但因為上述原因，存儲費用增加對一般場(chǎng)景是可以承受的，并且因為運動(dòng)模型數量占一定比例，全景圖的重構也僅為部分重構，因此，對比其計算費用的減小，這部分代價(jià)對于充分使用需要實(shí)時(shí)渲染的虛擬現實(shí)技術(shù)是值得付出的。
目前此方法的技術(shù)難點(diǎn)有兩個(gè)：一個(gè)是空間網(wǎng)格的粒度；二是全景圖的構建技術(shù)。此方法的技術(shù)特點(diǎn)為：（1）將遮擋計算等結果存儲于全景圖。（2）將實(shí)時(shí)計算轉化為實(shí)時(shí)讀取。（3）特別適合于大量靜態(tài)模型場(chǎng)景。對于虛擬現實(shí)部分實(shí)行了控件封裝技術(shù)，可以輕松實(shí)現場(chǎng)景替換以及模型引入。
在應用虛擬現實(shí)技術(shù)后，控制軟件增加了這些功能：增強的監視及控制接口；導演編輯及預覽；舞臺設備的仿真運行。目前，“大豐公司”虛擬現實(shí)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。對虛擬現實(shí)技術(shù)進(jìn)行測試，測試參數：（1）80萬(wàn)以上多邊形面支持；（2）CPU：InterPentium(R)DualE2140@1.60GHz、內存1GB；（3）顯卡：NVIDIAGeForce8500GT；（4）屏幕分辨率：1280×1024。
測試結果：平均占用CPU小于10%的情況下（不超峰值過(guò)20%），可以穩定達到刷新率24幀/秒，顯示效果如圖1所示。虛擬現實(shí)技術(shù)在舞臺機械控制中的應用實(shí)例可參見(jiàn)2008年第5期《演藝設備與科技》雜志的《虛擬現實(shí)技術(shù)在舞臺控制的應用及前景》一文。
3虛擬局域網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)及功能
虛擬局域網(wǎng)技術(shù)最早是為了解決交換機在進(jìn)行局域網(wǎng)互連時(shí)無(wú)法限制廣播的問(wèn)題，目前，很多跨國公司將此技術(shù)與動(dòng)態(tài)密碼技術(shù)相結合，來(lái)實(shí)現員工在互聯(lián)網(wǎng)與內網(wǎng)間的安全聯(lián)接。虛擬局域網(wǎng)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)有：廣播控制；安全性高；性能優(yōu)越；網(wǎng)絡(luò )管理。舉例來(lái)說(shuō)，在某虛擬局域網(wǎng)中，如果存在VLAN1和VLAN2，VLAN2中的計算機無(wú)論在哪個(gè)網(wǎng)段都只能在本虛擬局域網(wǎng)中進(jìn)行廣播，無(wú)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)結構。舞臺遠程監控的目的，是為了監視遠端劇院系統、診斷遠端劇院系統的故障以及對遠端劇院系統進(jìn)行控制。目前，現有的舞臺安全標準還不允許在劇院實(shí)現遠端系統控制�！按筘S公司”設計了新的舞臺遠程監控技術(shù)，開(kāi)始應用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現這一功能。對于設計劇院舞臺監控虛擬局域網(wǎng)技術(shù)，安全性是首要的考慮因素。虛擬局域網(wǎng)技術(shù)所應用的技術(shù)有如下安全優(yōu)點(diǎn)：被監控對象的IP網(wǎng)段，僅有相關(guān)人員可以得到，無(wú)關(guān)人員無(wú)法借助非物理手段獲��；采用分級的服務(wù)器密鑰驗證；采用分級的被監控對象密鑰再驗證；最終的防線(xiàn)在于人工干預，它使得監控僅在約定時(shí)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(shí)實(shí)現靈活的舞臺監控，包括單獨的監視、完全意義的監視與控制以及相關(guān)的監控模塊應用安排，比如加載視頻監視等�！按筘S公司”已在多個(gè)劇院實(shí)現了虛擬局域網(wǎng)技術(shù)功能，解決了維護人員流動(dòng)性大帶來(lái)的安全隱患，還解決了一些國外合作技術(shù)問(wèn)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問(wèn)題，“大豐公司”可在第一時(shí)間進(jìn)行遠程維護。
4結語(yǔ)
虛擬現實(shí)技術(shù)與虛擬局域網(wǎng)遠程監控兩項技術(shù)均與底層設備不相關(guān)，即與機械結構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(huì )走入舞臺劇院。從某種意義上來(lái)說(shuō)，舞臺設備監控現在已經(jīng)涉及到了物聯(lián)網(wǎng)在舞臺劇院的基本應用，比如無(wú)線(xiàn)車(chē)臺的遠程監控。
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