舞台灯光智能识别自动切换技术浅析

宋琦侠

（中国国家话剧院，北京 100055）

0 引 言

随着社会的发展，生活节奏加快，人们对生活的关注度提高，越来越多的人喜欢参与到各种文艺活动中来。作为舞台艺术表演重要元素之一的灯光，与观众之间有着非常密切的联系。尤其是在表演中,观众可以从视觉的角度对舞台演员及舞台环境进行观察和体验。在舞台表演中，灯光与演员是相辅相成的关系，两者相互联系又相互制约，因此，舞台上需要使用不同亮度和层次的灯光进行照明和氛围的烘托。基于此，本文从舞台灯光与舞台表演的关系出发，分析了智能舞台灯光识别技术对舞台灯光智能切换的需求，从而提出舞台灯光智能切换装置的设计方案，以提高舞台表演效果。

1 舞台灯光效果与舞台表达之间的关系

舞台灯光效果与舞台表达之间的关系，是一个很值得探讨的问题。因为这关系到舞台艺术创作效果，也关系到观众对剧情主题的理解和感受。舞台灯光效果与舞台表达之间是相辅相成的关系。当灯光被用来表现剧情内容时，它就成为剧情内容的一部分。反之，灯光被用来衬托剧情中那些不能被观众直接感受到、不能被演员准确地把握、又无法用语言进行描述的感情。以《梁山伯与祝英台》为例，考虑到剧情以及人物角色的需要，导演希望借助灯光烘托出实际的场景氛围以及人物的情绪，若是拍摄前对剧情以及人物角色定位都不明确，就很容易导致角色和舞台灯光的混乱，影响到舞台整体的表演效果。舞台灯光效果是当前舞台表演中所不可缺少的元素，而观众对剧情的理解、演员的表演也离不开舞台灯光效果。这两个方面的关系是非常紧密的，所以在拍摄制作过程中应协调好二者的关系。

现代舞蹈灯光的一个特点就是舞台设计的灵活性。在整个作品中，灯光色彩、图案、色调的变化不是一成不变的。现代舞蹈演员经常通过变换造型、移动、跳转等来表达自己的感情和意境。这种变化不仅使舞美设计更富有时代气息，也增强了演员表演时对人物心理和情绪的把握能力，可以充分调动舞台布景和服装等艺术手段。例如，根据剧情发展需要，演员在表演过程中突然变换造型或进行跳跃等，设计出各种效果的舞台灯光，这样可以更加准确地塑造出角色的性格和形象[1]。

2 传统舞台灯光系统设计的不足

随着我国文化事业的不断发展，各大舞台的演出水平也越来越高，这使得人们对舞台灯光设计提出了更多的要求。传统的舞台灯光设计是在舞台方和音响设备商之间进行沟通，通过舞台灯光师来完成的。由于没有与舞台方直接沟通，所以很难保证在现场操作过程中不出现偏差，因而传统的舞台灯光效果往往不够好。首先，舞台上使用了大量的人造光和光源来进行表演设计，这就会导致大量人工照明带来的光污染问题；其次，人工照明对演出作品造成了一定程度的影响，这也导致作品表演效果出现偏差；最后，由于没有和舞台方、音响设备商进行沟通，造成设备与灯光系统不匹配[2]。

传统舞台灯光设计中，经常使用到点光源和线光源这两种光源。这两种光源分别有不同的特点和优势：点光源光线柔和、光线明亮、色彩对比强烈，线光源则可以将光束集中在一点发光。这两种光源对亮度和色彩的要求也不同：点光源主要强调柔和光或者光线明亮，线光源则侧重色彩与对比度，这两点分别对应着两类照明需求，一类是希望通过光照射来表现物品或物体所需要的光线类型，另一类则是在特定场景下希望灯光能够达到一定程度上渲染气氛、烘托环境。传统舞台照明和灯光设计已经很难满足当今社会对舞台演出效果所提出的要求，所以就需要专业音响系统配合，才能更好地将演出效果呈现出来[3]。同时还需要对整个舞台方以及剧场中各个区域内的音响系统进行控制和协调。

3 灯光智能识别自动切换技术

3.1 舞台灯光自动跟踪系统需求分析

舞台灯光自动跟踪系统在恰当的时间里，通过合适的方式实现对目标物光源的跟踪、聚焦等。例如，在特殊情况下，需要根据现场的需要对实际灯光环境做出细微调整，如光源的亮度、灯光距离等，这就需要在原有控制系统的基础上增加定位或者是自动跟踪系统，如光源亮度自动调节系统、光强传感器等，实现对目标物的跟踪。这些功能是根据实际情况设定好的，但不一定是所有现场条件都要满足这一要求。因此，这就需要根据实际需求设定控制方式来实现控制效果。

舞台灯光自动跟踪系统可以将一个很小的光源聚焦到一个固定点上，并且进行跟踪；也可以把一个大型设备上所有光束的位置控制在一个固定范围内，从而达到均匀输出光束和稳定跟踪效果，这就是通常所说的亮度调节系统；又可以把很小很大、很模糊的光源聚焦在固定点上。这个系统就相当于“望远镜”，用来观察现场情况；还可以把一种设备分成几个小部分，就是常说的分镜头前放灯系统或者分光系统。另外，还有光强传感器以及一些其他附属功能，比如信号处理、报警等等功能，这些是为了实现不同场景下所需要的不同效果而设计的，一般是根据现场实际情况设计成固定在某一位置即可，也可以根据不同场景设置成固定或活动的，在现场进行控制[4]。

3.2 灯光跟踪系统的性能需求分析

根据实际舞台经验，结合灯光跟踪系统的功能需求，需要确定舞台灯光跟踪系统的具体性能要求，具体如下。

（1）跟踪精度。舞台灯光系统对灯光的位置和方向进行实时控制，对精度要求很高。跟踪精度应在10 mm之内，否则将影响灯光控制效果。

（2）控制方式。舞台灯光系统对灯光方向进行控制，是由一个或多个控制器和多个LED显示屏来实现。对于多个LED显示器的控制器，需要采用中央控制器进行管理与协调。

（3）控制方式。要实现对舞台设备的自动追踪控制，需要用到中央控制器。在舞台设备自动跟踪的前提下，还需有手动/半自动的方式，可以手动设定灯光跟踪点的位置或角度等。

（4）数据处理。为了满足舞台自动跟踪要求，通常需把所有灯信号都接入到中央控制系统内处理掉，使其成为单独一台计算机，便于管理和维护。

4 舞台灯光智能识别自动切换技术

4.1 舞台灯光智能识别技术简介

舞台灯光智能识别自动切换技术基于智能传感器，实现舞台灯光控制系统中的灯光和背景同步控制。利用红外感应器探测到舞台上的人员或物体后，通过对摄像机画面的实时分析、判断，将识别到的人或物体所处的位置、距离、大小等信息输入智能控制器，通过程序运算和控制逻辑，实现动态自动切换。该技术可有效地解决灯光和背景同步问题（因为摄像机在拍摄时不是静止地拍摄画面的，当出现多人同时观看同一个场景时也不会出现这种情况）。该技术主要应用于大型歌剧院、大型综合体育馆等场地[5]。

在大剧院中，由于场地较宽，而演员的表演区域又非常大，在舞台范围内对各种灯具或不同颜色的灯光进行识别和自动切换控制，是非常困难而且具有很高难度的工作。为了实现上述功能，本文采用了以视频图像为基础、利用计算机视觉和深度学习的方法，并对计算机自动算法进行了深入研究和优化。

从实际应用情况看，使用红外相机拍摄，人员与其所处位置不一样时，其动作特征就不同，如人物移动速度不同；如果拍摄对象是人或物体，则不会对识别造成影响，但识别准确率和识别速度会降低；如果是人和物体在同一画面内同时拍摄（可以通过计算得到），则不会出现“人”和“物体”同时出现的情况（识别准确率和识别速度都可能有所降低）。将计算机视觉技术应用于自动切换控制中，可以避免因人工切换而产生不必要的工作量，以及自动切换中由于人为因素导致自动切换失效等问题。

4.2 灯具类型选择

舞台上的灯具种类很多，有普通灯具、LED灯、电光型灯具等，一般情况下可以根据演出需要选用最适合的灯具类型，并使灯具的色彩、亮度与舞台演出相协调。设计过程中，除了灯具类型外，还要考虑其功率、光通量及控制点（灯位）等。根据演出需求选用灯具时，需要注意以下几点：

（1）灯光的亮度和颜色都要满足舞台演出需要；

（2）选择符合舞台灯光照明要求的智能控制系统；（3）灯具和舞台上所需的灯具类型保持一致；（4）合理选择智能照明系统中各个控制点（灯位）的功率，控制亮度不能过高或过低。

4.3 舞台灯光智能识别自动切换技术要求

舞台灯光技术是展现舞台表演者艺术的重要方式，也是演出空间构成的重要部分。本次设计需要满足如下内容要求。

（1）背景音乐和画面的色彩在空间的变化是有规律的，如果在舞台灯光控制系统中，将所有灯光色彩、亮度在空间和时间上进行组合转换变换，形成各种场景的需要，就能使观众能够根据不同场景的需要，得到相应光线变化与亮度变化相配合的效果。

（2）舞台灯光设备要能自动识别舞台上各种背景颜色及其变化规律，并能根据相应场景需求变换不同色彩及亮度。

（3）由于舞台灯具是固定不动的，要想实现灯光变换时不出现光色偏差和光斑效果，就必须对所有灯具进行动态控制。因此就要设计和制作各种具有不同功能的控制台与控制器，使之具有自动切换灯具位置、亮度与颜色等功能。在切换过程中或自动运行时，灯光设备要具备相应的检测和控制能力，以便准确判断切换时是否会出现某些故障。

5 舞台灯光智能识别自动切换设计方案

5.1 系统总方案

本次舞台灯光智能识别自动切换设计分为PC光源控制面板、步进电机控制信号译码、驱动电路、温度采集电路以及电源模块五个设计部分。

5.2 硬件设计

舞台智能灯光控制系统中有X轴电机、Y轴电机和光圈电机等多种类型的电机。这些步进电机在系统当中起到了驱动作用。系统采用Luminaery公司生产的LM3S8962主控系统，两相混合式步进电机作为执行元件，实现对灯光的控制。具体流程是由电脑控制面板将原有的调光信号转换为DMX512信号，向处理器进行传输，具体流程如图1所示。

图1 步进电机驱动图

5.3 软件编程

舞台灯光控制系统软件部分，需要灯光师根据舞台表演需求，在控制面板上选择对应的光源的位置、亮度以及图案等信息，后按下确定按钮，此时PC端计算机通过RS-232通信协议将光源控制信息发送到处理器，数据处理装置会对现有的信息进行分类，之后分发到不同的模块。具体流程如图2所示。

图2 舞台灯光控制系统软件结构图

5.4 智能控制精准度分析

舞台智能灯光控制装置由控制单元和步进电机两部分构成，但是目前可以影响到舞台灯光调节效果的主要因素包括控制方式、电机性能以及驱动方式等。鉴于此，需要在实际应用中分析干扰因素对于精准度的影响，保障系统在实际舞台剧目中使用的效果。

为了避免步进电机在运行期间出现丢步、过冲和步距均匀性等问题，本次设计中，除了选择具有低噪音、低振动的优质电机，同时保证电机本身的散热条件、选择合适的驱动器外，还进行了如下改动。

（1）将步进电机的输出位置反馈回来构成闭环系统，这样可以提升线性定位的精准性，同时又很好地具备了抗干扰的能力，但同时这种设计方式会增加整个硬件系统的设计难度和复杂性，影响到最终的美观。

（2）根据步进电机的电流与转角所呈现出的非线性关系，对电流数据实现细分控制，但同时这种方式会呈现出灵活性不足的特点，同时划分出多级细分，就会增加处理器的存储空间。鉴于此，可以采用自适应算法。

5.5 系统抗干扰性分析

因为舞台智能灯光控制系统处于电磁波辐射的环境，会受到诸多电源或者电器元件的干扰，最终影响到装置系统运行的稳定性和可靠性，因此，可以根据实际存在的干扰因素，有针对性地采取措施来消除或者降低干扰的影响，具体措施如下。

（1）在系统电源设计中，将开关电源的电压转换为实际需要的电源电压即5 V和3.3 V，以此满足整个控制系统的应用需求；将电源输入端与去耦合电源相连接，过滤高频的干扰。

（2）选择螺旋天线，这样可以增强使用期间的信号强度，增大信号传输的实际距离，以此解决传输中有效距离太短的问题。

5.6 设计方案测试结果

本次设计在电脑端进行了功能测试。舞台灯光控制系统可以直接在PC上运行，并通过开发虚拟键盘的方式完成整体的模拟测试。实验证明，基于Crotex-M3内核的MCU处理器设计和实现的灯光控制平台是成功的，并且系统运行稳定可靠，在软件编程方面也非常具有创新性。可以说，这套系统完全能够满足舞台灯光控制平台对实时性、可靠性等方面的要求。

6 结 语

随着计算机技术的不断发展，现在的舞台灯光控制系统不再仅仅是将光源、效果等数据发送到电脑中，而是通过计算机实现控制以及对其进行优化与调整，这样才能让灯光控制系统发挥出更好的作用。本文提出了一种Crotex-M3内核MCU的舞台灯光控制装置，力求在现有灯光控制的基础上，增强整体的智能性和多样性。测试表明，设计的系统具有很好的可靠性和应用性，具有一定的推广价值。