双层点光源媒体立面技术解析——以改革开放40周年深圳中心区灯光秀为例

袁伟铭，李明海，章 徽

(深圳市凯铭电气照明有限公司，广东 深圳 518047)

引言

当前城市照明已不再是简单的功能性照明，而是基于心理体验的艺术创造活动。在这种需求的驱使下兼具文化艺术体验和功能照明技艺结合的多重优势则成为城市照明发展趋势所在，这样渐渐衍生出灯光秀这种以照明和影像呈现为主要表现方式的景观照明形式。近几年来，城市灯光秀发展迅速，在各地如雨后春笋出现，但由于相关的照明标准规范及执行等问题，灯光秀的光污染、节能环保以及效果呈现都存在不小的问题，本文以“改革开放40周年深圳中心区灯光秀”项目为背景，从光源选择及使用、照明设计创新、动画上墙等方面深入解读双层点光源媒体立面在现代照明工程中的应用优势。

1 点光源媒体立面的定义及实现原理

1.1 定义

“媒体立面”这个新概念，源自英文Media Façade。它是建筑整体的进一步延伸产物，是媒体(或称媒介)与建筑(或者建筑立面)的结合产物。涉及媒体，特别是新媒体、灯光照明、建筑、智能控制等几个领域的知识和技术。媒体立面和媒体建筑可以定义为：以艺术性审美为主要目的，同时兼具商业宣传作用，将信息媒体系统(主要是电子媒体系统)和建筑设计、立面技术、灯光照明(在特殊情况下，也包含自然光影)有机结合的综合性建筑立面形式，媒体建筑是媒体立面在整个建筑体系上的延伸。

点光源媒体立面，是指以点光源作为实现建筑立面光影效果展示的主要载体，同时可以通过光电技术以及智能控制，结合了新媒体和艺术手段，使得建筑立面可以呈现出图像或动画。

1.2 实现原理

由于LED点光源可通过智能控制变化，且每个像素点完全独立，有独立的控制信号，大小和形状任意分布，可以用点突出节点，用点去形成个性独特的图形和变化，呈现多样化夜间动画场景，突出了建筑总体轮廓和动态效果。

2 改革开放40周年深圳中心区灯光秀项目简介

长期以来，城市照明作为城市公共空间的附属性功能设施，为城市环境在夜间的使用提供视觉保障和夜景美化。一般认为，城市照明是对城市道路、隧道、广场、公园以及建 (构)筑物等的功能照明和景观照明的统称[1]。城市夜景不仅体现着一个城市的特色,更体现着城市、建筑与人之间的关系[2]。“改革开放40周年深圳中心区灯光秀”项目(以下简称项目)，以福田中心区43栋楼宇建筑、市民广场、广场两侧绿化带及六个玻璃盒子为主体建筑，通过统一智能控制形成现场联动效果，如图1所示。

图1 福田区景观照明提升工程(联动区域照明工程)施工分布图Fig.1 Futian district landscape lighting upgrading project (linkage area lighting project)construction distribution map

与杭州、厦门、青岛略为不同，深圳这场灯光秀，没有一江两岸的优势，载体是一个U型建筑群排布空间，且建筑体多为超高层建筑：平安金融中心600 m、卓越世纪中心280 m、皇庭大厦262 m、新世界大厦238 m、太平洋金融大厦228 m、生命人寿219 m、大中华203 m等等，如图2所示，这为后续点光源媒体立面的画面透视、画面变形等问题设置了较高的技术门槛。为了解决这一难题，故而设计采用国内首创的大小点光源相结合技术，让点光源媒体立面画面层次更丰富、立体感更强，如图3所示的实景拍摄图片。

图2 施工区域建筑高度分布图Fig.2 Building height distribution in construction area

图3 改革开放40周年深圳中心区灯光秀实景图Fig.3 Shenzhen central area light show real picture

3 双层点光源媒体立面光源设计思路

媒体建筑艺术形式可以利用建筑的交互式立面，将现实的物理空间作为投影框架来传达信息、影像等多种内容，依附在建筑表面灯光、媒体动画、表皮视觉成了主角，特别是几十上百的建筑物链接、联合、联动形成的媒体动漫更是完全颠覆建筑本身的形象，而转换成为了别的艺术形式，建筑本身存在弱化了，表象带来的炫酷和异样的审美会被大大的凸显出来。视觉心理的研究表明，人们对高层建筑的感知一般有两种情景：一种是在城市的天际线上，一种是在人行道上[3]，这既代表了塔楼与裙房和视觉之间的关系，也代表着高层建筑视觉表现的两个区域，该区域立面上灯光的选材及安装方式合理性，可增加视觉吸引力，形成视觉认知，双层点光源媒体立面设计也是由此受到启发。

3.1 点光源数量及密度

项目使用了近150万套LED灯具，其中包含118万套点光源组成的超大超广角联动屏，它们承载了整个项目灯光的主体部分。点光源阵列密度是达到媒体立面表达效果要求的关键因素，根据呈现效果的不同，可将媒体立面做如下等级区分：

Ⅰ级媒体立面:能呈现复杂的视频画面；

Ⅱ级媒体立面:能辨识汉字及稍微复杂的图形动画；

Ⅲ级媒体立面:能表现动态光影变化及较简单的图形变化效果[4]。

因深圳灯光秀项目要求实现视频动画的播放，所以整个项目都是按Ⅰ级媒体立面来设计施工的。为了解决视觉呈现的美观性及艺术性，在设计施工过程中就充分结合多因素设计，选取合理观赏灯光联动地点，模拟出同间距后期灯光呈像，根据观看视角等选取光源密度为3颗/m或4颗/m作为设计思路，按“远疏近密”的原则，深南大道以南1 m 3颗，以北1 m 4颗，大量减少光源数量，功率密度远低于国家标准。在节约投资的同时大幅降低用电量，一场表演(16 min)的用电仅700度。相比较其他城市粗暴式的8颗/m、4颗/m思路，既能更好的呈现效果，又能节约电能。

3.2 光源的选择

由于项目对光源达到最大照度的响应时间要求不小于15 ms，因此整个项目采用的光源多为LED点光源。LED光源响应时间很短，能按要求保证多个光源之间或一个光源不同区域之间的工作切换，采用专用电源给LED光源供电时，达到最大照度的时间小于10 ms。

3.3 新技术及新设备的使用

随着第三代半导体技术的飞速发展，新型技术及产品不断衍生，声光电等多种技术手段被广泛应用与媒体立面，如项目就在深圳平安金融中心600 m钻石穹顶平台安装有8台激光光束灯，每台激光光通量达10万5千流明，是国产自主研发、全球最大流明的三基色特种激光。媒体立面已成为建筑设计、媒体技术、数码控制、多媒体内容、互动技术等诸多要素的融合与跨界,媒体立面的出现丰富了建筑及城市文化，项目采用了国内首创的“大小点光源组合”技术，配以激光灯、投光灯等，营造270°环幕动态式、包围式、沉浸式的独特视觉体验。

3.4 “大小点光源组合”技术

可辨识性是一座城市空间环境品质的重要衡量标准[5],而可辨识性又取决于人们对空间的视觉感知。根据现代医学理论，人的视觉空间感知主要来自于观测者与建筑的视距，对于城市中的行人来说，建筑的外部空间无疑将会对人的感知造成巨大的影响。在建筑设计中，设计师通过调整其尺度以及立面材质和颜色等因素的变化来塑造建筑形象，这些细节对建筑的视觉分辨率造成影响，进而影响人对建筑的视知觉和空间感知[6]。

项目充分利用了人眼对物体的视觉感知原理，以人和建筑为研究对象，根据观赏点的视线分析、视看角度、视看距离，对灯珠功率、间距、疏密、安装面进行精细化的推敲、计算和实验模拟，在控制造价和耗电量的同时，设计出最符合人体视觉空间感知画面布局方式，这其中就使用到了“大小点光源组合”技术。该项技术采用轨道安装方式，完美契合玻璃幕墙建筑结构及应用需求，尽管立面上的大点光源装置的分辨率比小点光源低，但两者呈现的是同一画面的不同形式，通过大功率点光源突出高亮、闪烁效果，小功率点光源展现细腻图像，双层显示，得到的媒体立面画面层次更丰富、立体感更强、更具有辨识性，如图4所示采用的就是15 W和2 W相结合的方式。

图4 大小点光源组合图示Fig.4 The size of the combination of point light source illustration

4 双层点光源媒体立面效果实现

双层点光源媒体立面效果呈现，需要通过上墙动画来实现，这也是灯光秀最重要的一部分。经过对建筑的形态和材料的细致分析，最终我们确立以 “少即是多”设计原则，通过与建筑形态和语言完全吻合的灯光设置，对建筑做了完美的诠释[7]。下面以项目为例，通过深入解析片源制作、动画上墙等步骤，了解点光源媒体立面在城市照明中的应用。

4.1 上墙动画

媒体立面从某种程度上来说可以看作是城市灯光秀的幕布或载体，在城市灯光秀的制作过程中，上墙动画，就像是制作专属这座城市的一部电影。通过实现建筑的图像化、信息化来构建一种新的城市景观，同时，它消解了建筑作为实体存在的固有形象[8，9]。

灯光秀上墙动画制作，可分为四个阶段：脚本创作 → 演示动画制作 → 上墙动画制作 → 调试运行，如图5所示。

图5 灯光秀的上墙四个阶段Fig.5 The four stages of the light show on the wall

项目的上墙动画，如图6所示，视频尺寸15 277×2 160，总共3千3百万个像素点，达到4 K影片以上画面精度。

图6 上墙动画尺寸Fig.6 On the wall animation size

4.2 点位图制作

上墙动画的点位图，总共可以划分为四个阶段：从前期的施工点位图、到中期的展开尺寸图、然后是后期系统点位图、到最终完成的上墙动画关键帧。

(1)前期施工点位图阶段。拼接建筑立面展开图，计算上墙动画初步所需的视频尺寸，如图7所示。

图7 施工点位图Fig.7 Construction point location diagram

(2)中期展开尺寸图。合成展开立面图，计算出动画总尺寸，开展制作动画片源，如图8所示。

图8 展开尺寸图Fig.8 Dimensions of unfolding diagram

(3)后期系统点位图。通过欧司朗控制系统，根据现场实际灯位，进行较为准确的图纸校对。然后导出精准的系统点位图，深入调整及完善上墙片源，如图9所示。

图9 系统点位图Fig.9 System point location diagram

(4)上墙动画关键帧。进行动画渲染，输出逐帧4 K高清像素关键帧，如图10所示。

图10 上墙动画渲染Fig.10 Rendering of the animation on the wall

4.3 上墙动画制作

上墙动画设计方面，以小点光源作为整体表现方式，大点光源主要用于展现画面中高亮、粒子效果以及纯色背景下的几何运动。灯光秀中涉及的很多人物动态，基本都是采用了绿幕搭建和真人拍摄或者实物拍摄，比如国旗、艺术字、模特走秀等，根据图片像素分布对比建筑立面尺寸进行3D建模，一般运用的软件有3DSMax、AutoCAD、Maya等。建模不在于精确性，而在于艺术性，比如样条曲线建模——用几条样条曲线共同界说一个润滑的曲面，特性是平滑过渡性，不会发生陡边或皱纹，因此十分适合有机物体或人物的建模和动画；细分建模——结合多边形建模与样条曲线建模的优点面开发的建模方法。

4.4 系统调试

项目控制系统使用的是国际品牌欧司朗e:cue控制系统。e:cue控制系统是用于构建动态、高效和可靠的灯光系统的平台，性能稳定、可长期使用幷且具有灵活性。项目采用云平台集中控制系统对整个福田中心区一、二标段的灯光进行集中控制，其中包括LED灯光控制系统、照明电气智能控制系统、灯光集中联动控制平台、物联网云平台系统。在全国范围内首次采用了4G+光纤+物联网的通讯方式，所有的网络端和通讯端，均由华为和中国联通提供成熟可靠的解决方案。在整个控制平台中一共兼容了十四套子系统：投影系统、音响系统、LED显示屏系统、激光灯系统、光束灯系统、LED晶格屏系统、互动系统、MA系统、监控等系统，实现了对整个灯光系统的集中控制和管理，为项目的运营和管理提供了可靠的管理平台。包括为了保障整体联动调试，需要组建专门的“大联调工作小组”。城市灯光秀的调试流程可以分为以下六个步骤，如图11所示：(1)总控设备配置调试，(2)通信网络配置调试，(3)总控平台指令测试，(4)整体强电控制调试，(5)整体弱电控制调试，(6)建筑联动统一控制。

图11 联动调试流程Fig.11 Linked debugging process

5 结语

作为城市灯光秀载体的媒体立面，成为城市灯光照明领域的焦点话题，已经成为影响城市夜景观的一个重要因素。媒体立面作为一个综合性系统，它涉及建筑、艺术、媒体内容和灯光照明等多个方面。在整个系统中，媒体信息主要依赖灯光照明或者光影像技术来呈现。在LED 技术完善之前，其他光电技术抑或在技术上、抑或在造价上无法满足媒体信息精细表现的要求，在与建筑立面材料和构造的耦合性上也无法和LED 相比，因为LED 光源具有体积小、容易隐藏的特点，这使光源不再是暴露在建筑主体之外的附加品，而是成为建筑或者建筑立面材料的一部分。因此，从某种意思上讲，是LED造就了媒体立面。

媒体立面不是简单的立面+大屏幕，经历了产生初期的迷茫，在技术革新、设计和艺术观念的共同作用下，媒体立面逐渐明确了自身的特征，可以概括为：与建筑的耦合性、内容表达的艺术性、与人的互动性。本文通过实际案例以“改革开放40周年深圳中心区灯光秀”项目为例，围绕大小点光源组成的双层媒体立面展开，从光源选择、光源密度分布、大小点光源使用、新设备使用、上墙动画制作等多面详细介绍了影响点光源媒体立面效果呈现的诸多因素，为今后灯光秀项目中媒体立面运用方式探索、效果优化、技术更新等提供参考。