數字化舞臺led的仿真模擬

王洪淼 廣東東軟學院數字藝術系多媒體教研室

數字化舞臺led的仿真模擬

王洪淼 廣東東軟學院數字藝術系多媒體教研室

本文研究復雜led屏幕的圖像分配整合技術。本文通過模擬積木式led屏幕以及運動led屏幕等復雜led屏幕的最終顯示效果來計算、優化每一個led單元屏幕分配到的圖像內容。借用計算機三維技術對將要設計的復雜led大屏幕進行仿真模擬，同時在未搭建實際led大屏幕的情況下，在計算機中進行圖形、圖像、動畫甚至三維等設計，接著采用單元led屏幕拍照算法得到每一個led單元屏幕圖像，隨后根據實際相應的編碼要求對led單元屏幕圖像集合進行排序整合，形成一張完整的2d圖像（可以是靜態的或動態的）。最后在計算機中將2d圖像分配到led屏幕上進行虛擬仿真模擬驗證，從而完成復雜led大屏幕的圖像分配要求。

數字舞臺 屏幕映像 分配算法 仿真 模擬

1.本論文研究的目的和意義

隨著科技的發展，數字化的應用越來越廣泛，可以說滲透到各個行業各個領域。當然隨著藝術的發展，舞臺藝術也發生了天翻地覆的變化。Led大屏幕的應用使得舞臺藝術變得更加變幻莫測、美輪美奐。從每年的春節晚會可以看到大屏幕led的使用越來越多、越來越廣泛，甚至變化出各種立體復雜效果，現如今可以說晚會節目上無處沒有led大屏幕。2008年北京奧運會開幕式展現了復雜的led屏幕效果，2010年廣州亞運會開幕式更是成了led大屏幕的展示舞臺。

但是在led大屏幕展示的同時，更多看到的是平面的，簡單的。盡管有些數字化舞臺采用了運動的led屏幕，但仍然相對比較簡單。究其原因是因為復雜led屏幕的分屏技術相對復雜。當led屏幕復雜到一定程度的時候，采用純粹的數學算法進行分屏處理將顯得相當復雜，甚至難以實現。分屏數學算法慢慢地會成為復雜led屏幕跨越式發展的一個瓶頸。

本文研究復雜led屏幕的圖像分配整合技術。本文通過模擬積木式led屏幕以及運動led屏幕等復雜led屏幕的最終顯示效果來計算、優化每一個led單元屏幕分配到的圖像內容。借用計算機三維技術對將要設計的復雜led大屏幕進行仿真模擬，同時在未搭建實際led大屏幕的情況下，在計算機中進行圖形、圖像、動畫甚至三維等設計，接著采用單元led屏幕拍照算法得到每一個led單元屏幕圖像，隨后根據實際相應的編碼要求對led單元屏幕圖像集合進行排序整合，形成一張完整的2d圖像（可以是靜態的或動態的）。最后在計算機中將2d圖像分配到led屏幕上進行虛擬仿真模擬驗證，從而完成復雜led大屏幕的圖像分配要求。

2.國內外研究現狀及發展趨勢

2.1 LED技術基本現狀

光電子產業是本世紀最具有代表性的主導產業之一。國際公認：21世紀是光電子與微電子緊密結合發揮作用的時代，以光通信為龍頭的信息光電子產業將成為21世紀的明星產業和支柱產業。

世界主要發達國家及相關大公司均已投入大量資金和人力，力爭在數年之內實現半導體白光照明的產業化。據CIR報告稱，全球LED的市場銷售額在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）的市場銷售額則將贏得全球市場份額的22%。

經過十余年的發展，我國LED大屏幕產業發展目前也已初具規模，形成了一批具有一定規模的骨干企業。從1993年至今，全國LED大屏幕市場保持持續增長（據臺灣PIDA估計，國內顯示屏市場年增長率為40%左右）。目前國內主要的LED大屏幕制造廠商的市場范圍幾乎覆蓋整個國內市場，整個行業具有較強的開發能力，國產LED大屏幕的性價比較高，市場占有率近100%，國外同類產品在我國基本沒有市場。四十三屆世乒賽主會場天津體育中心、京九鐵路、北京西客站、首都機場、浦東機場、昆明世界園藝博覽會等重大項目工程，均由國內企業中標。可以預見，我國加入WTO、北京舉辦2008年奧運會、上海舉辦2010年世博會等，都將成為LED大屏幕產業發展的良好契機。

2.2 三維顯示技術的發展與現狀

3D是英文“Three Dimensions”的簡稱，中文是指三維、三個維度、三個坐標，即有長、有寬、有高，換句話說，就是立體的，是相對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世界都是三維立體的，并且具有豐富的色彩、光澤、表面、材質等等外觀質感，以及巧妙而錯綜復雜的內部結構和時空動態的運動關系；我們對這世界的任何發現和創造的原始沖動都是三維的。

雖然迄今為止還沒有哪一種顯示技術能夠沒有任何限制地提供所有的深度暗示，但一般而言，三維顯示技術既能提供反映視覺系統本身特點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驗和視覺記憶的心理深度暗示；二維顯示技術只提供單眼就能觀察的心理深度暗示。認知學方面的研究結果表明，視覺系統傾向于首先利用生理深度暗示，只有當這些深度暗示被移除時，心理深度暗示才會起主要作用。因此，三維顯示技術能提供更客觀、更自然的交流模式，有助于人們在綜合運用各種深度暗示之后，獲得真實、豐富、可靠的感知體驗，是顯示技術的必然發展趨勢。

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：雙眼水平視差的產生是由于人的左、右眼有一定的空間間隔，總是從左、右兩個稍有不同的角度來觀察物體，從而導致視網膜上的光學影像略有差異。體視三維顯示將模擬人的左、右眼看到的兩個略有不同的二維圖像，稱之為“體視對(stereopair)”，顯示在同一個平面上，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，利用體視對所提供的視差信息，人腦會自動地將對應的兩幅二維平面圖像融合成一幅三維立體圖像，經“雙像單視”效應而獲得立體感。不同的體視對產生和分離方式構成了不同的體視三維顯示技術，其觀察方式和成像特點也有所不同。

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，然而隨著科技的發展，復雜的led屏幕將會層出不窮。

有可能出現或者已經出現的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單元led屏幕模型進行貼圖。首先在3dsmax或其他三維建模maya、softimage、lightwave等軟件中建立未來復雜led大屏幕的基本模型，然后根據設計師的要求對每一個單元led屏幕進行貼圖。

具體操作如下：

首先按照設計師的要求建立復雜led屏幕模型，以下模型假設是設計師要求的led屏幕模型。

圖4-1 復雜led屏幕模型

圖4-2 led屏幕顯示圖片

按照設計師的要求，假設要將下圖顯示在最下面臺階1、2、3led單元屏幕上。在此選擇的圖片比例和3個led組合的比例不是很匹配，當然完全可以使用圖像處理軟件將圖片進行合理化處理。此處以靜態圖片舉例說明，在實際運用過程中，完全可以使用視頻進行代替，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，在貼圖過程中要進行合理的對齊操作，對于大量led屏幕而言，這將是一件枯燥而麻煩的工作，甚至會出現各種各樣的錯誤。

最后進行渲染，得到最終的貼圖效果。

圖4-3 對led所需屏幕模型面進行貼圖

根據led屏幕的位置布局對顯示圖片進行合理分割。手動對一張完整的圖片進行分解。分解過程中將要比對多項內容，看是簡單的工作，在具體操作的時候將是不現實的。因為復雜的led屏幕是一個空間的模型，3維的規律在手工操作的過程中將很難實現。

圖4-4 對led單元屏幕圖像進行分割

最后再按照網線連接要求的編碼規律進行組合，成為一張復雜的視覺上很難識別或理解的圖像，最終用在控制端的電腦上面進行播放，以便實現真實場景中的復雜led大屏幕的圖像播放顯示任務。

圖4-5 對led單元屏幕控制用圖像

圖4-6 最終控制模擬效果圖

5.結論

本文采用計算機虛擬現實模擬的方法，運用腳本等程序結合三維模擬軟件將復雜led大屏幕的設計布線以及分屏工作進行模擬。演示了映像分配的全部過程，由于渲染時間較長和存儲量較大，所以沒有進行動畫模擬和制作，實例中進行了靜態效果的表現。動態效果的制作可以在其基礎上進行序列多幀的渲染以及程序執行即可。

另外針對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行模擬。原理相同，實現方法一致，所以可以一一進行模擬與仿真。

針對球狀led大屏幕，要分不同的單元led屏幕進行不同的模擬與仿真。要看單元led屏幕是否是標準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。

通過復雜led大屏幕設計分屏的過程模擬，大大降低了設計分屏成本，同時給設計師帶來了前所未有的方便和直觀感受。設計是完全可以像在現實中一樣進行毫無顧忌的設計創意，這樣就可以將設計師的靈感變現的淋漓盡致。

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

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

[3]王濟浩編著，《模擬電子技術》，山東科技出版社，2002

[4]胡偉、季曉衡編著.《單片極C程序設計及應用實例》.人民郵電出版社,2003

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

[6]中國機械工業教育協會組編.《單片機原理與應用》.機械工業出版社.2001

[7]《視覺設計風暴3dsmax6.0三維動畫創作精粹》，騰龍視覺設計工作室，中國水利水電出版社，2004-04-01