首钢赛区灯光展示沉浸体验设计与开发研究

马 晔，冯天成，荣浩磊，程春晓，聂卉婧

(北京清控人居光电研究院有限公司，北京 100089)

引言

项目在创意设计和技术研发的战略目标上，基于首钢赛区的比赛场馆及其周边工业遗址的建筑设施及规划特点，强调工业科技化以及现代化的可视化展现，突出园区立体多层次的空间特点，探索如何在首钢赛区打造一个集观赏性、知识性、趣味性于一身的高科技活动空间，并通过可持续发展的设计战略和技术创新，使这个乐园在今后成为首钢园区珍贵的冬奥遗产。在强调技术协同配合的同时，注重其与现有工业设施的结合，实现以冬奥会为契机，数字化生态技术体系为抓手，推动首钢园区的再生。

首钢赛区智能化照明环境及灯光展示沉浸体验设计与开发，是项目中的室外区域研究课题。课题分析工业遗址体量巨大、造型复杂等设计难点，研究沉浸体验的设计要素，通过模拟仿真和互动算法等技术支持，设计开发强交互的沉浸体验空间，盘活工业遗址区，支持复兴城市公共空间的示范项目落地实现。

1 目标设定

1.1 价值目标

在城市更新进程中，工业遗址如何顺应时代的进步实现自身价值的最大化是城市建设需关注的重要问题。课题包含了三方面的价值目标：

1)复兴城市公共空间。首钢园区已经构建了部分以红色主题色调为主的照明系统，如遇重大活动也备有临时装置进行主题演绎，与以往相比，夜间活动空间建设有了很大的进步。但现有照明集中于单体规划，虽然各有特点但是相互之间却缺乏关联，在首钢园的体验需求以及夜间再生文创价值方面还有很大提升空间。在城市更新的进程中，工业遗址如何顺应时代的进步实现自身价值的最大化，是城市建设需要解决的重大问题[1]。此次以冬奥会为契机，通过沉浸体验突出首钢区域特色，鼓励人们活动交流体验，盘活旧工业遗址区，进而复兴城市公共空间，吸引更多的百姓来此休闲活动，通过沉浸体验设计回馈城市和人民。

2)增加运营价值。目前首钢基础设施已建成局部区域，但是整体控制不足。由于重大活动多为临时装置，活动之外的时间无互动体验，很难吸引人群驻足，从而缺乏运营价值。此次课题，遵循存量利旧、统一控制为主的原则，通过夜景建设盘活工业遗址的夜游经济。通过仿真模拟平台的技术研发，支持后期根据园区重大活动定制化内容，提供长期体验和运营的可能。

3)示范引领典范。首钢园在地理区位、空间资源、历史文化、生态环境上具有独属优势，是落实首都功能定位的重要支撑。夜间活动区域再生价值的改造提升，具有重要的社会影响力，为全国复兴工业园区、赛事活动等举办场地的长效利用提供新的思路和示范。

本课题的核心意义是追求传统工业文化与新兴科学技术之间的碰撞与融合，同时为当代工业发展做出可视化的、展示工业实力与城市更新的体验环境，避免盲目过度、追求数字技术带来的新奇异，突出中国特色，注重技术和空间场所结合带给人的感知体验。

1.2 技术目标

在技术指标上，课题要求达成投影面积不小于2 000 m2，投影单位照度不小于300 lx，支持不少于10人实时互动，平均亮度15 cd/m2，功率密度不高于35 W/m2的随境影像系统。以上指标包含了面积、照度、亮度、互动数量等指标。设计中对指标进行了分析细化，在满足视线观看的要求下，对不同场景设计不同的亮度。课题组对国内的大面积投影进行调研，包含珠海和成都等地的多个案例，根据《景观照明检测中的亮度测量方法》[2]，选取多个场景进行测试。亮度最高的为白色场景，平均亮度为5～10 cd/m2，最高亮度为15～20 cd/m2。最大亮度代表设备能达到的能力，在画面中亮度最高的地方进行呈现。投影面积的实现，主要是通过对高炉、烟囱、热力炉等有工业特色的载体进行呈现。

1.3 研究框架

项目在前期分析、创意策划、技术手段三方面，通过模拟仿真系统和灯光技术平台的创新研究，建成大尺度的随境影像和智能化沉浸式光影秀。研究内容分为以下三类：一是在前期分析和创意策划层面，研究首钢特色和冬奥会结合的方式，将在创意方面采取互动竞技、投影展示方面与主题契合；二是通过仿真模拟平台在三维扫描、材质特性采集、颜色校正、数字化方案模拟、灯具对比等方面提供技术支持，并通过灯光技术平台搭载具体技术实现；三是建成数字投影、随境影像、互动体感等多维度大尺度的沉浸体验式光影秀展示系统。研究内容框架如图1所示。

图1 研究内容框架图Fig.1 Research content framework

2 设计技术研究

2.1 设计研究

通过冰雪运动和工业力量的文化重构，设置冰火对抗和交融的方式，打造工业文化和体育竞技相融合的独属IP。冬奥主题提取冰的元素，“冰之队”象征冬奥竞技拼搏的精神。工业精神中提取火的元素，红色“火之队”象征首钢坚忍不拔的意志。将冰火元素植入互动竞技类设计，如图2所示。通过互动设备及算法实现人与光之间的强互动，人对随境影像系统产生干预，形成人光对话机制；通过竞技比赛形式进行互动，设置奖励机制，胜方触发随境影像展示系统，在娱乐的同时带来体育竞技乐趣与文化感官体验。

图2 互动主题示意图Fig.2 Interactive theme diagram

工业遗址体量巨大，外部造型复杂, 表面颜色斑驳，是方案设计的难点。方案首先针对体量巨大的特点，选择立面成像，以形成围合感，增加沉浸体验感受。然后利用中间钢架，形成舞台剧场类的主视觉成像面。两侧区域结构对称，配合交互主题成为对抗画面的呈现区域。同时，为了弥合巨大高炉主题带来的压迫感，在近人尺度设置互动设施，互动设施采取透明成像材质，可近距离使互动人群感受互动反馈，又可透过载体看到后方呈现在高炉上被放大的画面，建立近距离小尺度和远距离大体量并存的沉浸感。

2.2 节能方案研究

课题组在设计示范中，从光源选择、设备选配两个方面进行节能设计研究。投影设备的基础类型是能耗差异的重要因素，常规传统光源的光效在3～6 lm/W，单色或双色激发荧光粉光源的光效在6～9 lm/W，三色激光光源的光效可达15～18 lm/W，在相同功率下单台可节能50%～80%。减少投影融合面积也是节能的重要方式，当多台投影机投射在同一个屏幕上时会产生融合带，相同面积下以少台大流明设备替代多台小流明设备，可有效减少融合带，从而提高利用率。以2 000 m2达到300 lx照度为例，使用10台6万流明投影仪比20台3万流明投影仪减少20%的能源消耗。

首钢一高炉地块中的热力炉在场景中占到1/3的面积，是构成沉浸围合感的重要载体。课题对颜色、粗糙度、反射率进行调研和数据采集，发现热力炉的表面材质反射率极低，呈像困难。经分析后将该部分设定为氛围配合区，影像以剪影形式的雪花、钢花为展现元素，通过雪花从上飘落和钢花由下部迸发的影像设置，降低投影面积中的发光面，进一步节约运行能耗。

2.3 模拟仿真技术

模拟仿真技术通过置入三维扫描模型还原建(构)筑物结构形式、搭载设备数据库，置入照明数据结构，实时展示的方式，支持低消耗、高效率的线上方案设计过程，如图3所示。首先对真实材料特性进行采集和材质标定，如物体色、纹理、粗糙度、反射率等；然后以实测灯具作为信息载体，置入新型光源算法，根据人眼视觉进行光学标定。实现量化目标，建立了虚拟和现实世界的桥梁，提供预见性效果，及精确的数据支持。基于仿真平台，在方案开发中针对效果量化要求、设施定位、投射角度等进行多元探索。在平台中模拟现场调试，查看真实照明效果，推敲设计方案，将一般照明设计流程中的深化设计、灯具选型、效果模拟、灯具布置工作在仿真平台上进行，并通过该平台进行亮度、色温、功耗、光污染等多方面内容的分析。

图3 模拟仿真技术应用图Fig.3 Application diagram of simulation technology

以在课题研究中的高炉主体模拟试灯为例，首钢一高炉顶端行架距离地面约80 m，如在真实场景下进行试灯，灯具运输、电力及控制困难，试灯也需要耗费大量的人力成本和时间成本。课题通过平台模拟现场调试，实时查看高炉照明效果，推敲最佳照明位置，优化照明方案。通过对照明设计过程中的深化设计、灯具选型、灯具布置等关键节点进行仿真模拟，避免多环节反复，有效指导灯具定位和投射角度设置，提升研究效率，如图4所示。

图4 模拟灯具在不同位置安装的照明效果Fig.4 Simulate the lighting effect of lamps installed in different positions

2.4 交互设计研发

交互设计，一般是指人机交互设计，是人与机器作为一个完整系统协同工作时，对系统行为的设计[3]。本次交互模式设计中，为了使人与光之间具有强交互、易操作等特点，课题基于体感摄影机，通过身体跟踪、动态捕捉、影像辨识等功能，触发成像设备呈现不同互通体验。

身体跟踪技术中，考虑到交互个体的高度差异，以3D的方式追踪移动或处于固定位置的人体，再以实例分割的方式，将2D关键点设置于个体中部区域，获得完整清晰和唯一性鉴别的身体跟踪能力，避免了因高度不同而导致的运动不平等现象，在一定程度上实现了竞技互动的公平性。

识别动作捕捉中，除了关键点捕捉功能外，可运用RGB高清摄像头鉴别出人的边界范围，深度摄像头将获得互动者的尺寸数据，与系统内部存有的人体骨骼模型进行对照。系统内部的虚拟角色采用冰墩墩、雪融融的形象，通过系统内骨骼模型的关键部位形成触发，转换为虚拟角色的动作。

社群互动中，除了单人分组互动之外，为了使更多人群参与互动，采用多点互动特性。通过压力频率等接触参数，对信号进行编译转化，由定制算法输出光电信号触发互动光电设备，呈现不同感受的效果，如元素大小、灰度高低、纹理变化等。个体随机触碰下产生不同画面，实现人光互动中的随机性与不确定性，增强互动趣味感。

3 预期实现

课题从方案设计和技术支持两个层面进行研究，通过模拟仿真系统和灯光技术平台的技术，支持随境影像和互动体验空间的落地实现。方案设计层面，研究首钢特色和冬奥会结合的方式，采取互动竞技、投影展示方面与主题契合；技术支持层面，置入真实材质参数、设备参数、载体参数，在平台上进行方案模拟、设备对比等支持。指导建成数字投影、随境影像、互动体感等多维度沉浸体验式展示系统。课题在设计过程中运用了交叉学科知识开展数字化仿真模拟，全程支持解决方案设计、设备选择、节能设计中的难点问题。

课题通过研究传统工业文化与新兴科学技术之间的碰撞与融合，注重空间场带给人的感知体验，鼓励人们活动交流体验，建设沉浸体验空间回馈城市和人民。遵循存量利旧的原则，通过仿真模拟平台的技术研发，提供长期体验和运营技术手段支持盘活工业遗址。同时夜间活动区域再生价值的改造提升，也将为全国复兴工业园区、赛事活动等举办场地的长效利用提供新的思路和示范，达到复兴城市公共空间、增加运营价值、建设示范工程引领典范的目标和意义。