智慧灯光融合技术在智慧体育场馆中的应用研究

王洪水， 谷丽娟， 贺洪朝

(豪尔赛科技集团股份有限公司，北京 100070)

0 引言

为了充分发挥体育场馆可持续性运营作用，承担重大体育赛事活动的体育场馆,已逐步由单纯的体育训练、比赛、健身等基础功能扩展为兼具体育和演出活动的多用途场馆。其夜景灯光也不再只是单纯的功能性照明，往往还兼具开闭幕式和演出活动的灯光表演功能,而灯光不同子系统间的融合控制和立体空间里的演绎控制都比其他场馆更为复杂,对智慧灯光系统的要求也更高。

1 智慧灯光系统

智慧体育场馆的灯光系统是整个系统实现有机互联、智能管理的核心中枢。灯光子系统包含舞台灯光系统、音响系统、投影系统、建筑夜景灯光系统、LED大屏系统、舞台机械系统等。

从功能角度来看，灯光系统主要包含场地功能照明、建筑夜景照明、演绎灯光等，其中演绎灯光又包含投影灯、激光灯、投光灯等不同灯光子系统。从产品角度看，灯光系统主要包含LED线型灯、LED像素灯、LED投光灯、光束灯、激光灯、LED染色灯等照明设备。

为了实现灯光视觉效果和维护管理上的统一性和整体性，需要从视觉传达的角度完成灯光、音乐等多媒体融合，同时从信息化系统的角度完成不同控制协议多专业子系统融合，最终完成搭建全场景统一的智慧灯光系统。

2 顶层设计

2.1 灯光需求分析

(1)视觉传达设计：随着人类进入信息时代，视觉传达设计的新理念成为现代传播体育文化的重要途径之一[1]。体育场馆灯光的视觉传达设计主要体现在开闭幕式的灯光设计、不同级别和项目比赛时的灯光需求、体育赛事电视转播时的灯光效果和赛后互动演出时的灯光演绎等多方面。

为了保证体育场馆的灯光与体育赛事或活动主题相匹配，通过改变灯光效果呈现不同的视觉传达效果，将文字、图形、图像、动画、声音等多媒体信息通过灯光演绎以可视化信息传达给观众，吸引观众的听觉和视觉，引导观众思维，达到宣传体育赛事或活动主题的目的。

(2)环境影响设计：近年来，绿色GDP作为新时代体育场馆行为的内涵，体现在场馆的规划与建造、场馆日常运营以及举办大型活动等阶段的具体实践中[2]。

体育场馆灯光对环境的影响主要考虑灯光对人群、社会活动的影响，由于不同体育赛事和演出活动的级别不同，对灯光的照度、亮度和角度等要求也不同，通过智慧灯光系统可以保存和快速切换灯光模式，满足不同场景下体育场馆对光环境影响的要求，也可以赋能体育场馆的能源管理。

(3)演绎节目设计：体育场馆的灯光演绎设计主要通过声、光、电的完美结合展示城市文化，弘扬体育精神。通过灯光系统配合体育赛事的开闭幕式、中场休息表演等活动，设计特定的灯光表演节目，按照事先设计好的程序，自动启动和改变灯光颜色、方向等，呈现出一系列光影变化，而这种演绎设计将会带来运营管理的难度，需要智慧化系统的支撑。

2.2 物联网系统架构

通过对体育场馆的灯光需求分析可获得智慧灯光系统所需涵盖的各种灯光及配套子系统及其各自不同的通讯和控制协议。采用物联网技术，按照应用层、传输层、感知层的架构完成物联网系统架构(如图1)。

图1 物联网系统架构

(1)感知层:主要通过感知终端获取底层物理数据，如场馆的温度、亮度、光照强度等数值。(2)传输层：分为有线通信传输层和无线通信传输层，前者包括中长距离的广域网络和短距离的现场总线；后者分为长距离的无线局域网、中短距离的无线局域网和超短距离的无线局域网。(3)应用层：表现为建筑夜景灯光、舞台灯光、投影等不同灯光的控制和应用系统，通过系统对各个设备的控制信号进行协同管理，实现整体统一的灯光效果。

2.3 智慧灯光系统

为了实现演绎状态下多灯光系统的协同联动和统一控制，智慧灯光系统采用时间码技术对灯光系统进行统一时间控制，多灯光子系统根据演绎节目列表自动进行灯光表演，并可与体育赛事开闭幕式或其他体育场馆内、外的表演节目形成联动，为各类活动的灯光视觉传达设计提供技术支持和创作空间。

3 智慧灯光融合

3.1 立体投影融合

体育场馆在开闭幕式或演出活动中往往会用到多台投影设备，由于各个投影设备角度不同或投影面形状不一，并非所有设备的投射角都呈90°，故易导致投影畸变。而多台投影设备的重叠投射又易使投影区产生白色亮条，从而导致亮度突变。因此投影畸变和亮度突变是投影技术需要解决的两个关键性问题，考虑主要通过几何校正和边缘融合来实现[3]。

常见的几何校正有线性校正、弧形校正、球面校正和任意曲面校正。图形的几何特征可通过低级特征及高级特征来描述，其中低级特征包括边和角，高级特征可描述为物体的识别与图像特征之间的关系。当多个投影设备投射图像到异形屏幕上，图像发生错位畸变时，一般采用“网格化”方法对错位的几何图像进行校正，通过分析相互投影图像之间的几何位置关系，实现边缘图像的网格位置拼接对齐[4]。

边缘融合技术就是将多台投影机投射出的画面进行边缘重叠，通过边缘融合使画面达到无缝拼接，就像一台投影机投射的画面。边缘融合技术一般采用边缘衰减算法和亮度补偿法[5]来对图像进行边缘融合处理，保证整个投影画面亮度的一致性，实现投影图像的无缝拼接。图2为几何校正和边缘融合工作原理图。

图2 多投影融合框架图

3.2 控制系统融合

体育场馆智慧灯光控制系统往往融合了媒体立面灯具、室外照明灯具、舞台灯光设备、激光投影设备、LED大屏、音响系统等多专业设备；不同设备所适用的通讯协议也有区别，一般包含ARTNET、DMX512、TCP/IP、UDP、HDCP、MIDI接口、API接口等在内的多种通讯协议。

为了保证系统间的互联互通，智慧灯光控制系统(图3)需要支持多种通讯协议以提高系统的兼容性。当不同专业设备的控制系统在各个设备现场的控制器需要选用不同的通讯协议来采集设备数据和传输控制指令时，现场控制器可根据现场的网络条件选择不同的网络交换机，通过不同网络协议来将设备数据传输至智慧照明平台，以保证各设备控制系统间的联动融合。

图3 智慧灯光控制系统框架图

图4 多媒体同步播放系统

3.3 灯光演绎融合

体育场馆的同步联控系统是一个跨专业的多媒体同步播放系统(图4)。既可以作为多轨播放器播放音频文件，也可以将发出自定义时间的时间码作为控制信号接入灯光控制系统和屏幕控制系统，从而实现灯光效果与屏幕呈现和音乐保持帧对帧的同步联控融合[6]。

时间码是一种在拍摄中精确标记视频帧的方法。它通过计算从第一个到最后一个视频确切帧数来工作。在对帧进行计数时，时间码为每个帧分配一个唯一的标识符，但它并不是一个连续的整数。如果在设备之间匹配了时间码，就能自动同步它们记录的所有内容。

4 应用案例

以智慧夜景照明在国家跳台滑雪中心智慧场馆的应用为例，本文研究从设计、建设、使用全流程考虑不同灯光系统间的协同，来实现统一的智慧灯光融合。

4.1 设计阶段

结合2022年冬奥会国家跳台滑雪中心的灯光设计主题“舞动的跳台、激情的飞跃”，本项目从视觉传达、环境影响和演绎效果三方面进行综合研究和设计。

(1)视觉传达：利用激光和投影技术在顶峰俱乐部进行灯光演绎，投射冬奥旗帜、冬奥会标等多种图案符号传达奥运精神。

(2)环境影响：全部使用可调、可控的LED灯，LED节能效果明显，通过智慧灯光控制系统进行分区域、分模式控制，避免灯光对现场观众和电视转播的影响。

(3)演绎效果：通过3D灯光演绎，构建夜景天际线，满足赛事开幕式和演出活动的航拍效果。

4.2 建设阶段

国家跳台滑雪中心智慧灯光总控系统由投影播控系统和照明控制系统两部分组成。总控系统采用标准的通讯协议TCP/IP的以太网架构传输控制信号，并采用星型拓扑结构通过级联方式进行扩展[7]。

(1)投影播控系统

本系统支持多种通用协议，包括ARTNET、DMX512、TCP/IP、UDP等，以提高系统的兼容性。系统通过对异形画面进行几何校正，对画面重叠区域进行边缘融合和羽化亮度，将播放内容输出至投影设备；并利用TCP指令控制投影开关，检测投影机运行状态，同时通过控制系统加强对后台数据信息的整合，设置合理的后台程序接入时间码[8]，最后根据时间码在NLE中对齐多个剪辑，使灯光、视频与音乐等多媒体同步播放。

(2)照明控制系统

照明控制系统采用自上而下的分级控制系统架构及控制策略(如图5)。

图5 照明控制系统架构

照明控制设备输出信号均采用标准DMX512的通讯信号，可接入多种类的照明设备，纳入到控制系统中。

通过变化灯光数量和输出功率满足不同场景需求，实现强弱电系统的统一启闭，并对夜景照明实时监控和管理，确保高效稳定：全天候运行。

5 结束语