按文化部《中国文化文物统计年鉴》的统计，2017年，全国艺术表演场馆2455个，从业人员53765，观众人次13453.80万人，艺术演出观众3234.22万人次。可见欣赏舞台表演仍然是当前观众喜闻乐见的一种娱乐方式。相比于单一选择的剧院电影，戏剧舞台表演使观众有更多的参与感，所以，这种表演方式在当今依然有大量追随者。随着视角的多元化，其他媒介方式的渗透，人们艺术品位的不断提升，无论是观众还是戏剧研究人员越来越不满足于传统的舞台表现形式，并都意识到戏剧要与时俱进[1]。

为满足观众文化新需求，戏剧界的专业人士在不断探索一些新的方式方法，以求将声光影效果融入到舞台的戏剧表演中。但通过对比发现，目前大多数研究主要把精力放在了声光效果的改进上。如果在此基础上，还要能实现多声源、多光源的集中控制、同步完成操作，这就需一种基于全新智能云台的舞台多媒体综合投影系统（Stage Multimedia Integrated Projection System），具有一个集中“控制中心”（Control Center），每个声、光设备都是可控的，可以由“控制中心”统一向各声、光设备发出指令，各设备在接到指令后作出响应，达到“多位一体，协调如一”的操控效果。同时，对视频的播放，通过增加滤镜的方式解决因投影机位置不同而导致的图像扭曲形变，增加的定制滤镜包括“图像特效、画面处理、节目同步、画面切换”四大类，以形形色色的定制形变、花样切换等特效为整体效果锦上添花；设置一个“透明”的云台，借助外部设备实现对投影机的灵活控制，除了弥补投影机原有无法全黑的缺陷，还增加了变换角度等新功能。

1 舞台多媒体综合投影系统

舞台多媒体综合投影系统通过采用新技术使传统文化展示产生多元性的声光效果。该系统的产生来源于剧院舞台的实际需要，需要体现各种投影特效。如传统戏剧表演中要展示湖面，是做一个湖面的景片，并静止地放在舞台的背景大幕处；而现在可以通过舞台多媒体综合交互式投影系统将湖面影像投射到背景大幕上，不仅投影的画面是动态的，而且还可以根据需要让湖面产生不同效果的变形，让每次表演有不同的呈现。但实践过程中还有很多技术问题要解决。

其实，即使不考虑这些特效，也必须要考虑一个重要的因素：一个投影机投向一个平面，如图1所示，默认的情况下，投影机应该位于“投影点3”（Projection Site），并且要离舞台大幕一定远的距离，而事实上，这种效果会因经过观众席上空的漫反射光而产生很差的体验，并且参演演员的影子也会被映射到大幕上，同时，平射光会影响到演员的视觉，所以这种投影点没有现实的可取性；现实中，更多的是把投影机放置在“投影点2”处，这种方式也会产生演员影子和影响演员视觉；最佳的方式就是放置在“投影点1”处，可以避免上述两个问题，但由于倾斜角过小而产生图像变形。这时，要解决这种变形就要用到了图像特效处理技术。

图1 投影位置示意图

如果仅仅是解决上面的基本问题，那么可以使用“大楼幕墙投影滤镜算法”[2]。该算法是将视频一帧帧的图像（Frame）拆成一条条等距的“线”（Line），根据投影点离大幕的距离和夹角计算出每条线的正确位置，对图像进行滤镜处理，产生反向的变形，最终使投影正常。所以，该方法适合于投影点放在剧场的任何位置，甚至是动态移动。

常规的剧院对于戏剧或节目的背景大幕展示，采用的是单一投影机某一图像或视频的投影，其投放效果完全取决于图像或视频本身的制作。除需考虑数量可观费用，特别需要考虑如背景视频进度与戏剧节目本身同步的根本问题。但如果节目在演出中临时出现小的变动，而已制作好的视频却无法做出哪怕是微小的改动。为此，可以沿着上面的思路做出形式多样的特效。

图像特效类：球面效果、拉伸效果，使当前的视频产生人为的变形效果。

面处理类：多图像的无缝衔接、各自图像的统一或单个大小变化、部分遮挡、画中画、画面迭加，可以用于超大屏幕、环形屏幕，或产生多画面、多种不同素材内容迭加的视效。

节目同步类：随剧情或背景音乐而发生的实时变形，随演员说话的大小而故意产生的抖动，随演员出现而产生的名字、简介等实时字幕效果，这种特效可以增加演员的语言或肢体动作的感染力，达到多方面的感受体验。

画面切换类：如百页窗效果、飞入飞出、淡入淡出效果。

上述效果可以多层叠加使用，产生组合效果。

这些特效的运用可以使整个节目具有一种视觉上的新鲜感，体现电影特技般的效果。传统的电影特技是在拍摄结束后，由专业的“非线性音视频编辑软件”进行电影特技处理，这类软件通常动辄百万，并且编辑后的视频是永久性的，不具备灵活性。而戏剧具有在场性，根据演出现场需要而定，需要多媒体系统投影艺术是动态的、即兴的，能达到“所见即所得”的效果，因而要具备通用性、灵活性，舞台呈现效果可以立竿见影。

毫无疑问，有了具备上述功能的舞台多媒体综合投影系统，导演或场控人员就可以“运筹于控制台，而决胜于舞台”，主控人员只需要通过系统平台实时进行调整即可，甚至在设计时也可通过预设触发条件，人为地进行极小的干预，如预设只有在演员出场时才在幕墙上出现该演员的介绍[3-5]。由于滤镜的选择可以叠加和动态可调，因而对同一剧目的不同场次展示，场控人员可以选择使用不同的效果，这种“每次都是唯一的”体验感受。

2 智能化云台控制系统

传统的戏剧表演，剧情场景的切换通常是通过舞台的背景大幕实现的，对于频繁切换的场景则要采用多个层次的背景大幕切换。但无论哪一种，大幕都是静态的形式，在表演的时候，由人工或人工控制机械进行移动。然而在实际使用中，戏剧工作者也发现一些问题，如当采用多层情景投射时，由于多层情景大幕距离投影机的远近各不相同，因而会产生投射焦距和投射中心点各不相同；由于不同时期，所采购的投影机厂家、品牌、质量各不相同，导致在一些投射细节上略有差异，特别是当投射为全黑效果时，有些投影机由于内部密闭性差和漫反射处理效果的不佳而导致即使

投射本意为全黑效果，实际是灰色值较小的“深黑”色，这在高质量的戏剧演出中，会严重降低整体质量，影响观众的观演效果。这一问题的临时解决方案，或者采用手工方式调整方式，或是采用双投影机，甚至多投影机的多机方式。两者的缺点不言而喻，手工方式即由人来手动调焦、拨动以对投射中心、手动挡光等操作费时费力，且对参与手工调整的人员来说，时效性和动作熟练程度都有太高的要求，在一些特殊的场景切换要求下，也是不可能实现的；双投或多投的方式最大的问题是资源的浪费，只是为了一个功能上的需求而投入大量资金，这对于一些资金相对紧张的小剧院而言只能望而却步。

为了解决现实问题，引入了智能化云台控制系统。这里的云台控制系统并不是泛指当前监控系统中广泛使用的摄像头云台（Cradle Head Camera），而是针对现代投影机所特设的一种革新式的结构，如图2所示，从而使舞台多媒体综合投影系统可具备很好的通用性、灵活性。智能化云台控制系统通过硬件和软件的定制改装， 将机械云台和投影机内的控制协议转化成DMX512(Digital Multiplex)协议（国际演出行业的数字通信标准），使得其能够适用于任何使用该协议的设备。

图2 云台设计示意图

在实际应用中，一方面，智能化云台控制系统可以实时转动云台的横竖两个方向来改变并保存投影机的投射方向；另一方面，通过灯光控台（采用的是DMX512）发出信号控制投影机的投射位置并控制投影机本机的参数的调整，如投影机镜头的伸缩（ZOOM）焦段、画面对焦、梯形矫正、亮度、镜罩开关等原本需要人工或者停机操作的参数，从而实现演出中的交互创作。

其主要有如下功能。

广泛支持当前主流的投影机，整合现有资源，可兼容旧产品，节省资金“创造”价值。通过该云台的物理结构，可以使原有投影机增加三大功能：原有投影机可以以垂直或水平方式进行一定角度的旋转，从而可以将正投的投射中心定点于舞台的任何位置；在云台前端以挡光板的物理结构遮挡或放行投影机的投射光，客观上“打开”或“关闭”投影机的投影开关，从而弥补投影机本身在投射效果上的设计不足；平台本身支持桌台上放置和吊臂式悬挂，甚至是竖墙上悬挂等多种方式，解决当前投影机只能一次性固化地吊装在屋顶的方式。

通过“通信模块”以网络的方式对云台实施远程控制，如角度旋转、以某种模式打开或关闭云台的挡光板。“通信模块”实现的主要功能有：通过单片机、FPGA、PLC、ARM等当前主流控制接口板，实现对外网口、串口数据的接收，从而实现与外界的网络通信技术；而在内部则是通过电机、齿轮、油压等机械装置实现旋转。

通过通信协议对投影机进行控制（该项功能需要投影机本身支持），实现开机关机、开关投光镜头、调焦等操作；并支持综合平台远程手动操作、平台定时操作、手动遥控器操作等模式。

智能化云台的控制使舞台多媒体综合投影系统处于“透明”的使用状态。由于对该云台的各种操作等同于对投影机所发命令，因而使导演或场务工作人员只知道该处有投影点，而不需要知道该处还有云台。例如投影机的“播放”命令，同样意味着云台遮挡的门“打开”，而投影机的“停止播放”命令，同样意味着云台遮挡的门“关闭”。

3 系统的应用

为了验证和应用上述思路和设计方案，项目组在随后文化部科技创新项目和上海市科学技术委员会科技创新行动项目中使用了该系统。该项目通过对舞台表演艺术和多媒体投影软景技术的深入研究，用集成创新的方法，在戏剧舞台上通过对艺术表演内容的编创、软景介质和投影内容的设计以及交互多媒体逻辑控制系统的集成开发应用，实现了真实舞台空间元素与虚拟影像内容之间的交互表演，创造出了具有信息技术时代特征的舞台艺术表演语汇和艺术形态，解决了真实人物表演与虚拟影像之间交互表演的难题，促进了戏剧人物与戏剧场景的协同叙事。

在舞台演出中，投影一般被用于将数字影像投射在舞台景片之上。基于这一应用现状，投影设计往往需要考虑投影介质（surface）位置而采用多台投影机。如果在舞台上需要在多个位置进行投影，如图3中的左图需要投射3个位置，则需要安装3台投影机进行投影。这一现状往往会增加舞台演出时投影机的台数。而基于智能云台的舞台多媒体综合投影系统则可以利用智能云台系统的机械旋转装置及电子控制的动态对焦，使用一台投影机就可以完成对3个位置的投影（见图3中的右图）。

图3 智能云台系统与普通云台的对比

基于这一应用方式，投影机的镜头需要变动内部镜片使得物距和像距的相对距离改变，让投影影像能够清晰地呈现在所希望的位置。

此外，在一般的舞台演出中，关于投影机黑场的细节常常被忽略。一般演出投影机镜头前会设计一个开关灯闸（shutter），因为在舞台演出过程中会存在不需要投影效果的时间，即“投影黑场”。

在使用普通云台的投影黑场功能，舞台上仍会残留有投影机的“黑色”光线，会打破观众对舞台演出的沉浸感。如果要避免这一现象，需要人工靠近投影机关上开关灯闸，但智能云台多媒体综合投影系统整合了这一开关功能，可以通过控制系统完成开关投影机灯闸的功能。

在上海戏剧学院《那年我学开车》的演出中，使用了智能云台多媒体综合投影系统，如图4所示，主要使用了机械转动控制、动态对焦和投影机灯闸控制的功能。云台不但可以在x轴/y轴上进行旋转，使得投射影像可以在舞台上横向和竖向移动，还可以将投影机固定在两轴坐标内任意角度。

4 小结

为满足观众文化新需求，研发基于全新智能云台的舞台多媒体综合投影系统，解决传统投影仪设备在实际使用时，无法产生全黑视频的缺陷，以及无法调焦，转向等不足。其在演出中的实际应用，实现了投影黑场、调焦、转向等功能，能够使得一台投影机对舞台上多个位置不同的投影介质进行投射，画面清晰，定位准确，既保证舞台演出的效果，又使得投影设备能够高效集约地进行控制。同时，配合利用红外装置感应技术以及光感应技术，实现“虚拟空间”和“真实空间”之间的互动，甚至观众与演出“互动”，增强艺术多层次的表现力，满足多元化的演出和欣赏的需求。基于智能云台的舞台媒体体综合投影系统的研究、应用探索，促进当今戏剧舞台艺术的多元化的创新发展。

*本文为文化与旅游部重点实验室资助项目和上海市高峰高原学科建设计划成果（项目编号：SH1510FXK）

选自《演艺科技》2019年第10期  张敬平，朱佳静《基于智能化云台的舞台多媒体综合投影系统*》