舞臺(tái)及其配套設(shè)備是為戲曲、歌舞等演出提供表演場(chǎng)所，并渲染現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景的綜合性設(shè)施，已成為現(xiàn)代藝術(shù)表演中不可或缺的重要組成部分。隨著現(xiàn)代舞臺(tái)表演藝術(shù)的日益豐富和控制技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)舞臺(tái)設(shè)備的要求也在不斷提高。現(xiàn)代舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備種類繁多、控制復(fù)雜，在綜合考慮其可靠性、安全性、精確性和復(fù)雜性的情況下，舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的研究受到廣泛的關(guān)注。目前，舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)多采用工控軟件對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，只能看到一些由抽象的符號(hào)和名稱組成的畫面，在這種環(huán)境下，操作者易出現(xiàn)誤操作，輕則影響演出效果，重則釀成安全事故。因此，開(kāi)發(fā)一種多傳感器融合在線監(jiān)測(cè)技術(shù)、具有可視化操作界面的舞臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，勢(shì)在必行。筆者在研究國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有舞臺(tái)監(jiān)控技術(shù)的基礎(chǔ)之上，根據(jù)工程需求，探討通過(guò)融合紅外視頻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)、內(nèi)部通信系統(tǒng)、多傳感融合監(jiān)控系統(tǒng)、可視化操控系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)舞臺(tái)演出的實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度管理的可行性，從而保障舞臺(tái)演出效果及演出的安全。

1 紅外攝像監(jiān)控技術(shù)

舞臺(tái)演出場(chǎng)所是具有設(shè)備眾多、燈光明暗變幻頻繁等特殊情況的復(fù)雜環(huán)境。因此，可將主動(dòng)紅外視頻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別技術(shù)引入到舞臺(tái)檢測(cè)監(jiān)控中，通過(guò)預(yù)先在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)做紅外攝像機(jī)的預(yù)置位設(shè)置，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)及運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行定位、識(shí)別。當(dāng)監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)異常時(shí)，發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)攝像機(jī)迅速捕捉故障點(diǎn)畫面信息，將畫面信息傳送到監(jiān)控中心終端顯示屏上，讓監(jiān)控人員迅速掌握異常情況信息，做出應(yīng)急反應(yīng)，提高舞臺(tái)監(jiān)控水平，保障演出順利安全地進(jìn)行。紅外圖像中，無(wú)論是面目標(biāo)還是點(diǎn)目標(biāo)，其主要檢測(cè)方法包括兩種，即先跟蹤后檢測(cè)的方法（track before detect，TBD）和先檢測(cè)后跟蹤的方法（detect before track，DBT），兩種方法用到的數(shù)學(xué)工具和算法如圖1所示。近年來(lái)，紅外運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別方法主要集中在以下幾個(gè)方面。

圖1 兩種檢測(cè)方法的數(shù)學(xué)工具和算法圖

1.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）識(shí)別

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由眾多簡(jiǎn)單的基本元件——神經(jīng)元相互連接而組成的、具有自適應(yīng)非線性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，它能夠反映人腦的若干基本特性，具備大規(guī)模并行、自組織能力、自學(xué)習(xí)，能夠自適應(yīng)環(huán)境，完成較復(fù)雜的非線性運(yùn)算、識(shí)別和過(guò)程控制等任務(wù)。

1.2 多傳感器信息融合識(shí)別

多傳感器信息融合技術(shù)采用不同傳感器獲得目標(biāo)，利用不同傳感器在工作方式上的互補(bǔ)性，可以充分提高在復(fù)雜場(chǎng)景中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、識(shí)別與跟蹤的能力。

1.3專家系統(tǒng)識(shí)別

專家系統(tǒng)是通過(guò)探索和模擬人類高層視覺(jué)認(rèn)知機(jī)理，把人類的推理方法用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)加以描述，從而獲得與專家有效果相近的識(shí)別方法。根據(jù)舞臺(tái)設(shè)備管理的需求，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分類，滿足不同速率、運(yùn)動(dòng)軌跡的目標(biāo)都可定義為不同類型的可疑目標(biāo)，然后按照不同等級(jí)進(jìn)行判斷、識(shí)別，并進(jìn)行報(bào)警。識(shí)別流程如圖2所示。動(dòng)態(tài)紅外目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)主要針對(duì)舞臺(tái)設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)控及報(bào)警，需要大量紅外攝像機(jī)，由監(jiān)控程序進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別，發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)要進(jìn)行相應(yīng)報(bào)警。系統(tǒng)的信號(hào)傳輸流程包括：視頻采集、視頻傳輸、軟件識(shí)別、結(jié)果顯示及報(bào)警。流程圖如圖3 所示。該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備包括：圖像采集設(shè)備（紅外攝像機(jī)）、圖像傳輸設(shè)備、圖像處理設(shè)備。系統(tǒng)中的圖像采集設(shè)備選用了紅外夜視攝像機(jī)，攝像機(jī)能夠適應(yīng)舞臺(tái)各種室內(nèi)環(huán)境，實(shí)時(shí)、穩(wěn)定地采集視頻信息，為舞臺(tái)設(shè)備管理提供精確的信息保障。

2 內(nèi)部通信監(jiān)控技術(shù)

作為一套現(xiàn)代化全方位的內(nèi)部通信指揮系統(tǒng)，其不同于一般工廠的生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)，系統(tǒng)要求高保真、低噪音、寬頻帶以及具有較強(qiáng)的噪聲消除能力，達(dá)到廣播級(jí)，且通信流程順暢、及時(shí)。通過(guò)通信控制設(shè)備設(shè)置不同優(yōu)先級(jí)別，將內(nèi)部通信級(jí)別設(shè)定為導(dǎo)演級(jí)、技術(shù)總監(jiān)級(jí)、技術(shù)員級(jí)、一般工作人員級(jí)，導(dǎo)演級(jí)能對(duì)下級(jí)各成員優(yōu)先通信，下級(jí)往上級(jí)的通信只能逐級(jí)向上，解決了在通信過(guò)程中通信混亂、信息傳達(dá)不到位的情況。系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 內(nèi)部通信指揮系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 工作組（Party Line）的分配

根據(jù)劇院功能要求及演出職責(zé)，人員分工如下：

（1）舞臺(tái)音響組包括調(diào)音師、放音師、電腦編排等；

（2）舞臺(tái)燈光組包括調(diào)光師、電腦燈光師、追光控制、舞臺(tái)燈光控制等；

（3）舞臺(tái)機(jī)械組包括舞臺(tái)機(jī)械主管、臺(tái)上機(jī)械控制、臺(tái)下機(jī)械控制、程序編排等；

（4）舞臺(tái)藝術(shù)組包括導(dǎo)演、藝術(shù)總監(jiān)、主持人、舞美設(shè)計(jì)、字幕、指揮、舞蹈編排、造型、化妝人員等；

（5）輔助人員組包括視頻控制、道具、維護(hù)人員等。

2.2 工作組通信設(shè)計(jì)

根據(jù)通信功能的需要，工作組通道可分為6條通道（見(jiàn)圖5）：PL1（共用）、PL2（舞臺(tái)音響）、PL3（舞臺(tái)燈光）、PL4（舞臺(tái)機(jī)械）、PL5（舞臺(tái)藝術(shù)）、PL6（輔助人員）。所有工作組成員均為雙通道，通過(guò)共用通道PL1相連接，通過(guò)另一通道和組內(nèi)人員通信。

圖5 工作組通道分布圖

3 多傳感技術(shù)融合監(jiān)控

通過(guò)多傳感技術(shù)，在舞臺(tái)各子系統(tǒng)中植入各種傳感器感應(yīng)裝置和控制芯片，通過(guò)與控臺(tái)及內(nèi)部局域網(wǎng)之間的鏈接，實(shí)時(shí)檢測(cè)監(jiān)控舞臺(tái)各子系統(tǒng)設(shè)備的工作環(huán)境和工作狀態(tài)，提高舞臺(tái)演出的安全性。

（1）燈光系統(tǒng)采用RDM控制協(xié)議，配置植入RDM功能的燈光系統(tǒng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)燈光設(shè)備的地址碼讀寫、開(kāi)燈關(guān)燈、設(shè)備復(fù)位、屬性調(diào)整、傳感器信息（溫度/濕度/電壓/電流/加速度/壓力等)、調(diào)光曲線、最小灰度、最大灰度、啟動(dòng)模式、失效模式、設(shè)備自檢、輸出響應(yīng)時(shí)間、鎖機(jī)代碼、軟件版本等在線監(jiān)控功能。

（2）舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)用遠(yuǎn)程智能控制模塊，組建RS-485網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)舞臺(tái)臺(tái)上機(jī)械設(shè)備和臺(tái)下機(jī)械設(shè)備弱電控制電路，應(yīng)用多功能行程限位器、傳感器實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)等相關(guān)信息反饋功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)的在線監(jiān)控功能。

4 可視化操作監(jiān)控技術(shù)

通過(guò)針對(duì)舞臺(tái)控制系統(tǒng)中存在的缺陷，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入舞臺(tái)機(jī)械控制領(lǐng)域，以VB開(kāi)發(fā)環(huán)境為平臺(tái)，利用OpenGL進(jìn)行舞臺(tái)場(chǎng)景及機(jī)械圖形開(kāi)發(fā)，借助第三方建模軟件快速建立三維模型，并在程序中重現(xiàn)，通過(guò)連接舞臺(tái)機(jī)械實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)完成舞臺(tái)機(jī)械與虛擬舞臺(tái)機(jī)械的同步運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)機(jī)械三維可視化控制的目的，實(shí)時(shí)檢測(cè)監(jiān)控舞臺(tái)各子系統(tǒng)設(shè)備的工作環(huán)境和工作狀態(tài)，提高舞臺(tái)演出的安全性。虛擬舞臺(tái)模型如圖6所示。

圖6 虛擬舞臺(tái)模型

首先，在VB環(huán)境中搭建OpenGL程序框架， 實(shí)現(xiàn)V B 平臺(tái)下利用OpenGL進(jìn)行圖形開(kāi)發(fā)；其次，利用3DS MAX建立舞臺(tái)場(chǎng)景及機(jī)械的三維虛擬模型，導(dǎo)出成STL格式文件，并在程序中讀取STL文件，利用OpenGL庫(kù)函數(shù)重現(xiàn)模型；最后實(shí)時(shí)連接舞臺(tái)機(jī)械運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，完成對(duì)舞臺(tái)場(chǎng)景及部分機(jī)械運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫仿真，從而在上位界面中呈現(xiàn)與實(shí)際舞臺(tái)相似的場(chǎng)景，便于操作者監(jiān)控。重現(xiàn)模型圖7所示。

圖7 虛擬舞臺(tái)模型在VB中重現(xiàn)

5 在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)

通過(guò)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，在安卓開(kāi)發(fā)平臺(tái)下，應(yīng)用無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)舞臺(tái)系統(tǒng)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。此遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線WIFI局域網(wǎng)技術(shù)運(yùn)行于Android平板電腦上，達(dá)到控制遠(yuǎn)程客戶端的目的；并以Remote Desktop遠(yuǎn)程桌面監(jiān)控軟件為基礎(chǔ)，通過(guò)應(yīng)用Windows RDP遠(yuǎn)程桌面通信協(xié)議，JPEG圖像壓縮等技術(shù)，使用JAVA語(yǔ)言編寫而成；主要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)桌面捕捉和傳送、鼠標(biāo)響應(yīng)，以及鍵盤響應(yīng)等基本功能。

根據(jù)工程需求，遠(yuǎn)程控制軟件的基本功能需求包括以下幾點(diǎn)：

（1）對(duì)服務(wù)器端遠(yuǎn)程桌面實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能；

（2）鼠標(biāo)響應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)單擊，拖拽，上行下滑模擬鼠標(biāo)滾輪；

（3）鍵盤響應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)虛擬鍵盤，響應(yīng)按下抬起操作；

（4）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制文件打開(kāi)，關(guān)閉操作；

（5）遠(yuǎn)程關(guān)閉服務(wù)器。

選自《演藝科技》2015年第11期

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