數(shù)字化舞臺(tái)led的仿真模擬

王洪淼 廣東東軟學(xué)院數(shù)字藝術(shù)系多媒體教研室

數(shù)字化舞臺(tái)led的仿真模擬

王洪淼 廣東東軟學(xué)院數(shù)字藝術(shù)系多媒體教研室

本文研究復(fù)雜led屏幕的圖像分配整合技術(shù)。本文通過模擬積木式led屏幕以及運(yùn)動(dòng)led屏幕等復(fù)雜led屏幕的最終顯示效果來計(jì)算、優(yōu)化每一個(gè)led單元屏幕分配到的圖像內(nèi)容。借用計(jì)算機(jī)三維技術(shù)對(duì)將要設(shè)計(jì)的復(fù)雜led大屏幕進(jìn)行仿真模擬，同時(shí)在未搭建實(shí)際led大屏幕的情況下，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行圖形、圖像、動(dòng)畫甚至三維等設(shè)計(jì)，接著采用單元led屏幕拍照算法得到每一個(gè)led單元屏幕圖像，隨后根據(jù)實(shí)際相應(yīng)的編碼要求對(duì)led單元屏幕圖像集合進(jìn)行排序整合，形成一張完整的2d圖像（可以是靜態(tài)的或動(dòng)態(tài)的）。最后在計(jì)算機(jī)中將2d圖像分配到led屏幕上進(jìn)行虛擬仿真模擬驗(yàn)證，從而完成復(fù)雜led大屏幕的圖像分配要求。

數(shù)字舞臺(tái) 屏幕映像 分配算法 仿真 模擬

1.本論文研究的目的和意義

隨著科技的發(fā)展，數(shù)字化的應(yīng)用越來越廣泛，可以說滲透到各個(gè)行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)然隨著藝術(shù)的發(fā)展，舞臺(tái)藝術(shù)也發(fā)生了天翻地覆的變化。Led大屏幕的應(yīng)用使得舞臺(tái)藝術(shù)變得更加變幻莫測(cè)、美輪美奐。從每年的春節(jié)晚會(huì)可以看到大屏幕led的使用越來越多、越來越廣泛，甚至變化出各種立體復(fù)雜效果，現(xiàn)如今可以說晚會(huì)節(jié)目上無處沒有l(wèi)ed大屏幕。2008年北京奧運(yùn)會(huì)開幕式展現(xiàn)了復(fù)雜的led屏幕效果，2010年廣州亞運(yùn)會(huì)開幕式更是成了led大屏幕的展示舞臺(tái)。

但是在led大屏幕展示的同時(shí)，更多看到的是平面的，簡單的。盡管有些數(shù)字化舞臺(tái)采用了運(yùn)動(dòng)的led屏幕，但仍然相對(duì)比較簡單。究其原因是因?yàn)閺?fù)雜led屏幕的分屏技術(shù)相對(duì)復(fù)雜。當(dāng)led屏幕復(fù)雜到一定程度的時(shí)候，采用純粹的數(shù)學(xué)算法進(jìn)行分屏處理將顯得相當(dāng)復(fù)雜，甚至難以實(shí)現(xiàn)。分屏數(shù)學(xué)算法慢慢地會(huì)成為復(fù)雜led屏幕跨越式發(fā)展的一個(gè)瓶頸。

本文研究復(fù)雜led屏幕的圖像分配整合技術(shù)。本文通過模擬積木式led屏幕以及運(yùn)動(dòng)led屏幕等復(fù)雜led屏幕的最終顯示效果來計(jì)算、優(yōu)化每一個(gè)led單元屏幕分配到的圖像內(nèi)容。借用計(jì)算機(jī)三維技術(shù)對(duì)將要設(shè)計(jì)的復(fù)雜led大屏幕進(jìn)行仿真模擬，同時(shí)在未搭建實(shí)際led大屏幕的情況下，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行圖形、圖像、動(dòng)畫甚至三維等設(shè)計(jì)，接著采用單元led屏幕拍照算法得到每一個(gè)led單元屏幕圖像，隨后根據(jù)實(shí)際相應(yīng)的編碼要求對(duì)led單元屏幕圖像集合進(jìn)行排序整合，形成一張完整的2d圖像（可以是靜態(tài)的或動(dòng)態(tài)的）。最后在計(jì)算機(jī)中將2d圖像分配到led屏幕上進(jìn)行虛擬仿真模擬驗(yàn)證，從而完成復(fù)雜led大屏幕的圖像分配要求。

2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 LED技術(shù)基本現(xiàn)狀

光電子產(chǎn)業(yè)是本世紀(jì)最具有代表性的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一。國際公認(rèn)：21世紀(jì)是光電子與微電子緊密結(jié)合發(fā)揮作用的時(shí)代，以光通信為龍頭的信息光電子產(chǎn)業(yè)將成為21世紀(jì)的明星產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)。

世界主要發(fā)達(dá)國家及相關(guān)大公司均已投入大量資金和人力，力爭在數(shù)年之內(nèi)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體白光照明的產(chǎn)業(yè)化。據(jù)CIR報(bào)告稱，全球LED的市場(chǎng)銷售額在2008將增至56億美元，其中高亮度LED（HB-LED）將增至26.4億美元，而超高亮度LED（UHBLED）的市場(chǎng)銷售額則將贏得全球市場(chǎng)份額的22%。

經(jīng)過十余年的發(fā)展，我國LED大屏幕產(chǎn)業(yè)發(fā)展目前也已初具規(guī)模，形成了一批具有一定規(guī)模的骨干企業(yè)。從1993年至今，全國LED大屏幕市場(chǎng)保持持續(xù)增長（據(jù)臺(tái)灣PIDA估計(jì)，國內(nèi)顯示屏市場(chǎng)年增長率為40%左右）。目前國內(nèi)主要的LED大屏幕制造廠商的市場(chǎng)范圍幾乎覆蓋整個(gè)國內(nèi)市場(chǎng)，整個(gè)行業(yè)具有較強(qiáng)的開發(fā)能力，國產(chǎn)LED大屏幕的性價(jià)比較高，市場(chǎng)占有率近100%，國外同類產(chǎn)品在我國基本沒有市場(chǎng)。四十三屆世乒賽主會(huì)場(chǎng)天津體育中心、京九鐵路、北京西客站、首都機(jī)場(chǎng)、浦東機(jī)場(chǎng)、昆明世界園藝博覽會(huì)等重大項(xiàng)目工程，均由國內(nèi)企業(yè)中標(biāo)?？梢灶A(yù)見，我國加入WTO、北京舉辦2008年奧運(yùn)會(huì)、上海舉辦2010年世博會(huì)等，都將成為LED大屏幕產(chǎn)業(yè)發(fā)展的良好契機(jī)。

2.2 三維顯示技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀

3D是英文“Three Dimensions”的簡稱，中文是指三維、三個(gè)維度、三個(gè)坐標(biāo)，即有長、有寬、有高，換句話說，就是立體的，是相對(duì)于只有長和寬的平面（2D）而言。

我們本來就生活在三維的立體空間中，我們的眼睛和身體感知到的這個(gè)世界都是三維立體的，并且具有豐富的色彩、光澤、表面、材質(zhì)等等外觀質(zhì)感，以及巧妙而錯(cuò)綜復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和時(shí)空動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系；我們對(duì)這世界的任何發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造的原始沖動(dòng)都是三維的。

雖然迄今為止還沒有哪一種顯示技術(shù)能夠沒有任何限制地提供所有的深度暗示，但一般而言，三維顯示技術(shù)既能提供反映視覺系統(tǒng)本身特點(diǎn)和感知特性的生理深度暗示，又能提供來源于日常積累的感知經(jīng)驗(yàn)和視覺記憶的心理深度暗示；二維顯示技術(shù)只提供單眼就能觀察的心理深度暗示。認(rèn)知學(xué)方面的研究結(jié)果表明，視覺系統(tǒng)傾向于首先利用生理深度暗示，只有當(dāng)這些深度暗示被移除時(shí)，心理深度暗示才會(huì)起主要作用。因此，三維顯示技術(shù)能提供更客觀、更自然的交流模式，有助于人們?cè)诰C合運(yùn)用各種深度暗示之后，獲得真實(shí)、豐富、可靠的感知體驗(yàn)，是顯示技術(shù)的必然發(fā)展趨勢(shì)。

三維顯示大致分為四類：體視三維顯示(stereoscopic 3D display)、全息三維顯示(holographic 3D display)、透視三維顯示(Perspective 3D display)和體三維顯示(volumetric 3D display)。

體視三維顯示：雙眼水平視差的產(chǎn)生是由于人的左、右眼有一定的空間間隔，總是從左、右兩個(gè)稍有不同的角度來觀察物體，從而導(dǎo)致視網(wǎng)膜上的光學(xué)影像略有差異。體視三維顯示將模擬人的左、右眼看到的兩個(gè)略有不同的二維圖像，稱之為“體視對(duì)(stereopair)”，顯示在同一個(gè)平面上，然后通過某種分離方式使左、右視圖分別只提供給左、右眼觀察。這樣，利用體視對(duì)所提供的視差信息，人腦會(huì)自動(dòng)地將對(duì)應(yīng)的兩幅二維平面圖像融合成一幅三維立體圖像，經(jīng)“雙像單視”效應(yīng)而獲得立體感。不同的體視對(duì)產(chǎn)生和分離方式構(gòu)成了不同的體視三維顯示技術(shù)，其觀察方式和成像特點(diǎn)也有所不同。

3.LED大屏幕造型分析

通常見到的led大屏幕多是平面矩形的，然而隨著科技的發(fā)展，復(fù)雜的led屏幕將會(huì)層出不窮。

有可能出現(xiàn)或者已經(jīng)出現(xiàn)的led大屏幕有普通屏幕、彎曲屏幕、柱狀屏幕、球狀屏幕、積木屏幕……等。

4.LED大屏幕圖像映像方法

采用人工操作的方法對(duì)單元led屏幕模型進(jìn)行貼圖。首先在3dsmax或其他三維建模maya、softimage、lightwave等軟件中建立未來復(fù)雜led大屏幕的基本模型，然后根據(jù)設(shè)計(jì)師的要求對(duì)每一個(gè)單元led屏幕進(jìn)行貼圖。

具體操作如下：

首先按照設(shè)計(jì)師的要求建立復(fù)雜led屏幕模型，以下模型假設(shè)是設(shè)計(jì)師要求的led屏幕模型。

圖4-1 復(fù)雜led屏幕模型

圖4-2 led屏幕顯示圖片

按照設(shè)計(jì)師的要求，假設(shè)要將下圖顯示在最下面臺(tái)階1、2、3led單元屏幕上。在此選擇的圖片比例和3個(gè)led組合的比例不是很匹配，當(dāng)然完全可以使用圖像處理軟件將圖片進(jìn)行合理化處理。此處以靜態(tài)圖片舉例說明，在實(shí)際運(yùn)用過程中，完全可以使用視頻進(jìn)行代替，為了說明方便，在此不做過多贅述。

使用貼圖方法將圖片貼在所需要的led屏幕模型面上，在貼圖過程中要進(jìn)行合理的對(duì)齊操作，對(duì)于大量led屏幕而言，這將是一件枯燥而麻煩的工作，甚至?xí)霈F(xiàn)各種各樣的錯(cuò)誤。

最后進(jìn)行渲染，得到最終的貼圖效果。

圖4-3 對(duì)led所需屏幕模型面進(jìn)行貼圖

根據(jù)led屏幕的位置布局對(duì)顯示圖片進(jìn)行合理分割。手動(dòng)對(duì)一張完整的圖片進(jìn)行分解。分解過程中將要比對(duì)多項(xiàng)內(nèi)容，看是簡單的工作，在具體操作的時(shí)候?qū)⑹遣滑F(xiàn)實(shí)的。因?yàn)閺?fù)雜的led屏幕是一個(gè)空間的模型，3維的規(guī)律在手工操作的過程中將很難實(shí)現(xiàn)。

圖4-4 對(duì)led單元屏幕圖像進(jìn)行分割

最后再按照網(wǎng)線連接要求的編碼規(guī)律進(jìn)行組合，成為一張復(fù)雜的視覺上很難識(shí)別或理解的圖像，最終用在控制端的電腦上面進(jìn)行播放，以便實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景中的復(fù)雜led大屏幕的圖像播放顯示任務(wù)。

圖4-5 對(duì)led單元屏幕控制用圖像

圖4-6 最終控制模擬效果圖

5.結(jié)論

本文采用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)模擬的方法，運(yùn)用腳本等程序結(jié)合三維模擬軟件將復(fù)雜led大屏幕的設(shè)計(jì)布線以及分屏工作進(jìn)行模擬。演示了映像分配的全部過程，由于渲染時(shí)間較長和存儲(chǔ)量較大，所以沒有進(jìn)行動(dòng)畫模擬和制作，實(shí)例中進(jìn)行了靜態(tài)效果的表現(xiàn)。動(dòng)態(tài)效果的制作可以在其基礎(chǔ)上進(jìn)行序列多幀的渲染以及程序執(zhí)行即可。

另外針對(duì)S形大屏幕、L形大屏幕、柱狀大屏幕以及球狀大屏幕等沒有一一進(jìn)行模擬。原理相同，實(shí)現(xiàn)方法一致，所以可以一一進(jìn)行模擬與仿真。

針對(duì)球狀led大屏幕，要分不同的單元led屏幕進(jìn)行不同的模擬與仿真。要看單元led屏幕是否是標(biāo)準(zhǔn)的矩形還是自由普通的四邊形，如果是任意四邊形，那么要考慮更多的程序加入，例如變形程序等。

通過復(fù)雜led大屏幕設(shè)計(jì)分屏的過程模擬，大大降低了設(shè)計(jì)分屏成本，同時(shí)給設(shè)計(jì)師帶來了前所未有的方便和直觀感受。設(shè)計(jì)是完全可以像在現(xiàn)實(shí)中一樣進(jìn)行毫無顧忌的設(shè)計(jì)創(chuàng)意，這樣就可以將設(shè)計(jì)師的靈感變現(xiàn)的淋漓盡致。

[1]木林森,高峰霞,羅麗瓊.《Visual C++6.0使用與開發(fā)》.清華大學(xué)出版社.1999第一版

[2]劉金龍,高兆法.《Visual C++6.0類參考詳解》.清華大學(xué)出版社.1998

[3]王濟(jì)浩編著，《模擬電子技術(shù)》，山東科技出版社，2002

[4]胡偉、季曉衡編著.《單片極C程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例》.人民郵電出版社,2003

[5]William Stalling.《Data and Computer Communication》.清華大學(xué)出版社.PRENTICE HALL 1997

[6]中國機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)組編.《單片機(jī)原理與應(yīng)用》.機(jī)械工業(yè)出版社.2001

[7]《視覺設(shè)計(jì)風(fēng)暴3dsmax6.0三維動(dòng)畫創(chuàng)作精粹》，騰龍視覺設(shè)計(jì)工作室，中國水利水電出版社，2004-04-01