舞臺機械管控的虛擬現實技術的特點的論文
1前言
在常規的舞臺控制結構中，編導或相關人員透過“人機介面模組”藉助於工業乙太網或其他網路，根據演出或相關要求，透過PLC（可程式設計控制器）等控制器對舞臺機械，包括臺上、臺下裝置進行操縱，以達到預先設想的裝置執行結果。“人機介面模組”是舞臺裝置執行的起點，它對使用者遮蔽了底層裝置的細節，比如裝置採用伺服電機還是步進電機，又或者控制單元為PLC還是軸控制器。它是溝通使用者和舞臺裝置的橋樑，因此，如何讓使用者在已有的舞臺裝置上儘可能地忽略掉舞臺裝置本身的操作，充分發揮其藝術想象力，將舞臺機械效能發揮到最大，是人機介面模組的主要功能，也是浙江大豐實業有限公司（以下簡稱“大豐公司”）將虛擬現實技術引入到舞臺機械控制的重要原因。虛擬現實技術起源於20世紀30年代，但因為受軟硬體的技術限制，在80年代才真正發展起來，現在已經廣泛應用於教育培訓、文化娛樂等多種行業。虛擬現實技術的功能是讓使用者在虛擬環境下模擬、學習、推演真實場景的變化。相信隨著技術的進步，虛擬現實技術會越來越多地介入人類生活。在國內，“大豐公司”首先將虛擬現實技術應用於舞臺機械控制，並在舞臺遠端控制方面進行了創新設計。本文介紹這兩項技術的特點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技術的特點及功能
在實時渲染模組部分，設計之初是為了應用設計模式理念，為技術升級和改進提供原初支援。實時渲染模組以介面驅動設計，做到了整體設計的模組化、靈活化，為第三方模組未來的接入提供底層支援，並且對DirectX及OpenGL介面提供內建支援。在最新的改進中，又增加了物理引擎模組，實現對英偉達公司物理引擎physx的全面支援，做到虛擬場景對各種基本物理現象的模擬，並且輕鬆經受碰撞檢測。
實時渲染模組主體框架結構分4部分：
（1）根節點模組，它是全部工作的組織者和管理者。
（2）場景管理模組，它是場景的管理者和組織者，負責全部場景的所有細節。
（3）資源管理模組，它管理和組織所有渲染所需的資源，如模型幾何體、材質庫等。
（4）渲染模組，它負責將最終影象投射到螢幕上，將所有渲染管線底層介面封裝在其中。
圖形技術是虛擬現實技術中最重要的部分，主要包括3個方面：
（1）場景的幾何組織與最佳化，著重於提高繪製效率。
（2）場景的畫面真實度與特效生成技術，包括高階紋理對映、過程式建模等。
（3）基於真實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，對於圖形技術，常規的場景組織與管理主要涉及：場景的幾何最佳化及三維場景的快速可見性判斷與消隱。場景管理常用方法：基於場景圖的表達和管理；基於繪製狀態分類；基於場景包圍體的場景組織。
“大豐公司”建立了一種新的場景管理方法來處理場景管理問題。首先，利用空間均勻網格剖分方法將場景剖分為均勻網格，此方法最早運用於三維模擬的光線跟蹤計算，此後有多個變種出現。然後，將以每個網格為中心拍攝的場景全景圖儲存在此網格中。此處的全景圖並非攝影意義上的全景圖：其一，它是抽象的，是場景中所有模型包圍體的全景圖；其二，它只是一種資料儲存結構，儲存了以該點為中心的所有物體空間資訊及遮擋關係。
採用此方法的原因主要是：（1）儲存介質價格下降，容量提升。（2）場景模型在所有場景內容中佔比僅為幾十分之一。（3）採用模型包圍體技術後，場景模型所需的儲存容量再呈幾何級數下降。
其中，採用空間均勻網格剖分方法的原因有二：（1）利於全景圖重構，因為場景並非全由靜態模型組成。（2）場景中的幾何組織與可見性判斷僅需要簡單的計算即可完成，其主要工作變為讀取全景圖預存資訊，計算費用大大減少。當然，採用這種管理方法也要付出一定代價：儲存耗費和全景圖重構。但因為上述原因，儲存費用增加對一般場景是可以承受的`，並且因為運動模型數量佔一定比例，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，這部分代價對於充分使用需要實時渲染的虛擬現實技術是值得付出的。
目前此方法的技術難點有兩個：一個是空間網格的粒度；二是全景圖的構建技術。此方法的技術特點為：（1）將遮擋計算等結果儲存於全景圖。（2）將實時計算轉化為實時讀取。（3）特別適合於大量靜態模型場景。對於虛擬現實部分實行了控制元件封裝技術，可以輕鬆實現場景替換以及模型引入。
在應用虛擬現實技術後，控制軟體增加了這些功能：增強的監視及控制介面；導演編輯及預覽；舞臺裝置的模擬執行。目前，“大豐公司”虛擬現實技術所支援的高階顯示特效包括：柔和光影支援、HighDynamicRange（HDR）支援、SpecularBloom支援、normalmapping支援、Motionblur支援、Volumetriclighting支援。對虛擬現實技術進行測試，測試引數：（1）80萬以上多邊形面支援；（2）CPU：InterPentium(R)[email protected]、記憶體1GB；（3）顯示卡：NVIDIAGeForce8500GT；（4）螢幕解析度：1280×1024。
測試結果：平均佔用CPU小於10%的情況下（不超峰值過20%），可以穩定達到重新整理率24幀/秒，顯示效果如圖1所示。虛擬現實技術在舞臺機械控制中的應用例項可參見2008年第5期《演藝裝置與科技》雜誌的《虛擬現實技術在舞臺控制的應用及前景》一文。
3虛擬區域網技術的特點及功能
虛擬區域網技術最早是為了解決交換機在進行區域網互連時無法限制廣播的問題，目前，很多跨國公司將此技術與動態密碼技術相結合，來實現員工在網際網路與內網間的安全聯接。虛擬區域網技術優點有：廣播控制；安全性高；效能優越；網路管理。舉例來說，在某虛擬區域網中，如果存在VLAN1和VLAN2，VLAN2中的計算機無論在哪個網段都只能在本虛擬區域網中進行廣播，無法聯接至VLAN1。但不同網段中的計算機可以藉助於交換機，形成跨網段的VLAN。圖2為虛擬區域網結構。舞臺遠端監控的目的，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行控制。目前，現有的舞臺安全標準還不允許在劇院實現遠端系統控制。“大豐公司”設計了新的舞臺遠端監控技術，開始應用虛擬區域網技術來實現這一功能。對於設計劇院舞臺監控虛擬區域網技術，安全性是首要的考慮因素。虛擬區域網技術所應用的技術有如下安全優點：被監控物件的IP網段，僅有相關人員可以得到，無關人員無法藉助非物理手段獲取；採用分級的伺服器金鑰驗證；採用分級的被監控物件金鑰再驗證；最終的防線在於人工干預，它使得監控僅在約定時段可執行，因此網路安全性得到極大的保障。虛擬區域網技術還可以同時實現靈活的舞臺監控，包括單獨的監視、完全意義的監視與控制以及相關的監控模組應用安排，比如載入影片監視等。“大豐公司”已在多個劇院實現了虛擬區域網技術功能，解決了維護人員流動性大帶來的安全隱患，還解決了一些國外合作技術問題，如果俄羅斯、印度、哈薩克等國家的劇院舞臺機械專案出現問題，“大豐公司”可在第一時間進行遠端維護。
4結語
虛擬現實技術與虛擬區域網遠端監控兩項技術均與底層裝置不相關，即與機械結構和控制策略都不相關。此外，虛擬區域網還可以為劇院系統物聯網提供安全保障，物聯網發展前景廣闊，相信不久也會走入舞臺劇院。從某種意義上來說，舞臺裝置監控現在已經涉及到了物聯網在舞臺劇院的基本應用，比如無線車臺的遠端監控。
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