CN103619090A - 基于微型惯性传感器舞台灯光自动定位和追踪***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于微型惯性传感器舞台灯光自动定位和追踪***，其包括一可调节光学参数的灯光设备，该设备包括亮度和转动角度可调节的灯具，调整灯具亮度的调整装置以及驱动该灯具转动角度的驱动装置；微型惯性传感器，其设置于被追踪物体之上，用于产生被追踪物体的位置、姿态变化信息，并将该信息通过无线方式发送；以及一信息处理和控制中心，其包括接收微型惯性传感器的位置信息的一无线接收装置，以及根据该位置信息推导出驱动该驱动装置的驱动控制信号及/或该调整装置的调整控制信号。本发明通过舞台上的道具或演员身上的光学传感器来确定灯光追踪是否精确，并将相关信息发回计算机进行精确调校，使特定的舞台灯光可以精确地追踪到特定的演员或者道具。

Description

基于微型惯性传感器舞台灯光自动定位和追踪***和方法
技术领域
本发明涉及对舞台灯光进行自动控制的技术，尤其涉及对舞台灯光进行控制、调整的***和方法。
背景技术
在各种大型活动的舞台上，各种动态的、绚丽多彩的霓虹灯能烘托并展现出梦幻般的舞台气氛，但是，由于参演人员或道具经常不定向地移动，而且，很多大型的舞台场景不只是一个平台，带有各种楼梯等场景的立体舞台比比皆是，因此，要在这样越加复杂的舞台情境中及时准确地用特定的灯光捕捉到特定演员或者道具的动作是很难的。
目前，主要有以下几种技术方式来实现对二维平面舞台上的演员实时跟踪。
通过人工手动控制，问题是：不仅要调整照射方向和亮度，长时间的操作导致疲劳或反应迟缓，且可控灯具数目有限。
如公开号为CN1229893的中国发明专利所述，专业人员利用计算机实时监控各种投射灯光的工作状态，问题是：专业技术要求很高，自动化程度不高，劳动强度大，易疲劳；
公开号为CN1090961的中国发明专利公开了一种所述台灯光手动计算机联合控制台，其可以预先设定演员的行动路线，利用计算机来设定好灯光的跟踪路线，问题是：跟踪的功能不灵活，对演员的表演产生很大的约束。
公开号为CN101937199A的中国发明申请公开了一种多传感器定位追踪技术，其利用多种传感方式来定位和跟踪演员的位置，如：压力（电）传感，图像传感，超声测距，光电传感，音频传感，并通过信息处理，得到可供驱动特定的灯跟踪演员位置的信号或者相关信息，使灯光可以及时地自动地寻找到演员并精确调整好亮度和光圈等参数，产生完美的视觉效果。
现有技术存在的问题是：首先，针对压力传感器，需要在整个场地布置压力传感器，成本巨大，且对于演员从空中出现的情况则不适用。其次，受限于不同的传感原理，导致在不同的场所采用不同的传感机制来采集演员的位置信号，才能避免产生干扰信号。特别是在某些大型舞台剧中的大型道具可能会阻碍某些光学传感器的使用，或者降低传感器的效率；最后，通过图像检测等定位手段需要大量的图像处理工作，对现场计算机的处理能力要求高。虽存在理论上的可能，但成本奇高且难实现实时。并且，很难实现对多个不同的运动目标进行追踪，即使可以实现，也需要非常复杂的计算方法，增加计算机的运算时间，降低自动追踪的效率和灵敏性。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种能解决上述问题的，简单的舞台灯光自动定位和追踪***。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于微型惯性传感器舞台灯光自动定位和追踪***，其包括：可调节光学参数的灯光设备，其包括亮度和转动角度可调节的灯具、调整灯具亮度的调整装置以及驱动该灯具转动角度的的驱动装置；至少一个微型惯性传感器，其设置于被追踪物体之上，用于产生被追踪物体的位置、姿态变化信息，并将该信息通过无线方式发送；以及，信息处理和控制中心，其包括接收微型惯性传感器的位置信息的一无线接收装置，以及根据该位置信息推导出驱动该驱动装置的驱动控制信号及/或该调整装置的调整控制信号。
优选的是，该***还包括至少一个光学传感器，该光学传感器设置在被追踪物体上，用于检测被追踪物体的灯光亮度，并将得到的灯光亮度信息发送至信息处理和控制中心。
优选的是，该信息处理和控制中心还接收该灯光亮度信息，并至少根据该亮度信息推导出发送至调整装置的调整控制信号。
优选的是，该微型惯性传感器包括一个单轴陀螺仪（例如x轴或y轴或z轴）和三轴加速度计组成的四轴惯性传感器以及与各陀螺仪或加速度计相连的一无线发射装置；或包括一个三轴陀螺仪和三轴加速度计的六轴惯性传感器以及与各陀螺仪或加速度计相连的一无线发射装置。
优选的是，所述驱动装置驱动灯具在顶棚做覆盖整个舞台的全景转动，即，在XZ平面内，绕Y轴转动，并且可以在XY平面内绕Z轴运动，同时，两种运动状态叠加形成覆盖整个舞台的全景转动。
本发明的另一方面提供了一种基于微型惯性传感器舞台灯光自动定位和追踪方法，其包括如下步骤：接收一微型惯性传感器的位置信息、姿态变化信息；根据该位置信息以及姿态变化信息推导出驱动一可调节光学参数的灯光设备的驱动装置的驱动控制信号及/或该可调节光学参数的灯光设备的一调整装置的调整控制信号；以及形成信号发送给光学***，实施相应的合适的光照。
优选的是，还包括，接收来自至少一光学传感器的光学亮度信息；其中，用该光学亮度信息结合位置信息、姿态变化信息推导出驱动一可调节光学参数的灯光设备的驱动装置的驱动控制信号及/或该可调节光学参数的灯光设备的一调整装置的调整控制信号。
本发明通过置于演员或者移动道具上的一个微型陀螺仪来监测其在舞台上实时的运动状态，并通过无线方式将运动信息提供给计算机，然后由计算机控制相应的灯光来追踪特定的演员或者道具，同时，由演员身上的光学传感器来确定灯光追踪是否精确，并将相关信息发回计算机进行精确调校，使特定的舞台灯光可以精确地追踪到特定的演员或者道具。
这一过程既无需人工手动控制，也不用为演员或者道具的行动路线在计算机内提前设定，同时，只需要一个惯性传感器就可以准确地表征演员或者道具的行动信息，大大降低了传感器的使用量以及了计算机处理信息的数据量，使整个自动控制过程更加快速而且精确、降低了成本。同时，还实现了之前不能实现的对一些特定情况，例如空中动作表演等场景的灯光控制。
同时，演员或者道具上的光学传感器可以实时提供灯光追踪的投射数据，一方面有利于演出前对各种灯光设备参数进行调校，如：光强，焦距，景深等等，同时，还有助于在演出过程中，随时调校个别灯光投射的精确程度，以突出重点和（/或）弱化背景等方式来增加舞台效果，而且还可以通过组合投射特定灯光效果来制造更为复杂绚烂的舞台效果，这是以往所有的舞台灯光控制***中没有出现的。
附图说明
图1A为依据本发明的一种舞台灯光自动定位技术的***结构图；
图1B为依据本发明的一种舞台灯光自动定位技术的***结构图；
图2为可能的传感器布置图；
图3为显示位置移动的原理图；
图4为立体舞台上的灯光追踪***的示意图；
图5为立体舞台上的灯光追踪***的另一示意图；
图6为光照图像叠加效果的示意图；
图7A为依据本发明的一种微型惯性传感器的结构示意图；
图7B为依据本发明的另一种微型惯性传感器的结构示意图；
图8A为依据本发明的微型惯性传感单元的一种结构示意图；
图8B为依据本发明的微型惯性传感单元的第二种结构示意图；
图8C为依据本发明的微型惯性传感单元的第三种结构示意图；
图8D为依据本发明的微型惯性传感单元的第四种结构示意图。
具体实施方式
如图1A所示，本发明提供了一种基于微型陀螺仪传感器的舞台灯光自动定位和追踪***，其包括微型惯性传感器（IMU）1，信息处理和控制中心2，可调节光学参数的灯光设备3，以及光学传感器4，
如图1B所示，其中包含微型陀螺仪和微型加速计的微型惯性传感器1和光学传感器4分别安装在演员或者移动的道具上，通过无线方式（如：WIFI，蓝牙，Zigbee等）把位置信息传递给信息处理和控制中心2，信息处理和控制中心2通过计算得到相应灯具的优化好的光学参数信息，并将这些信息通过无线或者有线的方式传递给灯具上的驱动装置，从而调节可调节光学参数的灯光设备3的光学参数，使之发出合适的光照效果。
在***工作期间，通过演员或者移动道具上的光学传感器4来监测光强等光学信息是否达到标准，并把相关信息通过无线方式传递给信息处理和控制中心2，来辅助位置信息调整光照强度等光学参数，使照射到演员或者移动道具上的光学信息达到最优化。此外，光学传感器4将在初始位置检测到的光强信息发送至信息处理和控制中心2，并由信息处理和控制中心2根据对其强度是否适当的判断来调整可调节光学参数的灯光设备3的输出，从而在初始设置时也可以辅助调校相关的光学信息。
微型惯性传感器1用于提供演员的位置信息，其可以以各种装饰的形式安装到演员的躯干上，例如，如图2所示：以头饰，胸针，腰带扣等形式佩戴在演员的躯干上，也可以安装在移动道具的特定位置上，使特定位置得到合适的光照效果；也可以安装在演员的无线话筒及其相应的安装在演员和移动道具上的信息传输装置上。
参照图7A，本发明的该微型惯性传感器1包括一个惯性测量单元10，其中，该惯性测量单元10包括陀螺仪部分101和三轴加速度计部分102。
参照图8A、微型惯性传感器1根据舞台要求的不同，可以为由一个单轴陀螺仪101和三轴加速度计102组成的四轴惯性传感器，如图8B所示，也可以为由三轴陀螺仪101和三轴加速度计102的六轴惯性传感器，
如图7A所示。微型惯性传感器1还可以具有与各陀螺仪或加速度计相连的一无线发射单元30，例如基于WIFI,蓝牙等，用于将传感器检测到的信息向外通过无线方式发送，其中，该至少一个陀螺仪部分和加速度计与该无线发射单元30电连接。如图所示，所述的无线发射单元30可以具有USB、Micro-USB、IEEE1394等物理连接接口50。
在图7B所示，所述无线发射单元也可以是借用外部的无线信号传输装置，例如，借用外部无线麦克风的信号传输装置，在这种实施例中，微型惯性传感器100仅需具有用于连接外部的信号传输装置的USB、Micro-USB、IEEE1394等物理连接接口50，以将惯性测量单元10产生的信号向外传送。
如图7A、7B所示，该微型惯性传感器1还可以包括电源单元20，该电源单元20与该无线发射单元30和该惯性测量单元10电连接，以为两者供电。也可以仅提供电源接口，从而引入外部的电源。
如图8A、8B所示，所述的惯性测量单元10中的陀螺仪101和加速度计102可以是一个封装内的两个分立的芯片，并设置于一PCB板上，通过PCB上的连接线连接于无线发射单元。在PCB板上还可以设置与惯性测量单元10的功能相配合的***电路40。
如图8C所示，所述的惯性测量单元中的陀螺仪和加速度计通过集成加工制作在一块芯片上。集成后的芯片可以安装在一PCB板上，在PCB板上还设置有与惯性测量单元10的功能相配合的***电路40。
如图8D所示，所述的惯性测量单元10中的陀螺仪101和加速度计102可以是两个分立的器件，并设置于一PCB板上，通过PCB上的连接线连接于无线发射单元。在PCB板上还可以设置与惯性测量单元10的功能相配合的***电路40。
光学传感器4可以是一个或者多个。如果将光学传感器4安装在需要强调光照细节效果的部位附近则可以便于精确调节灯具的光照景深，光照强度等光学参数。
信息处理和控制中心2包含无线信息接收装置21，例如信息高性能无线信息接收装置，和与该无线信息接收装置相连接并从该装置获得数据的计算机或者服务器22。
可调节光学参数的灯光设备3可以包括灯具31以及驱动该灯具的驱动装置32从而可以使之在顶棚做覆盖整个舞台的全景转动，即，如图在XZ平面内绕Y轴转动，并且可以在XY平面内绕Z轴运动，这样两种运动状态叠加形成覆盖整个舞台的全景转动。
图4示出了驱动装置32根据演员的位置和动作控制灯具转动的示意图。在图4的例子中，演员从立体舞台布景向舞台的两个位置或舞台的延伸部分走动，由于其基本属于平动，驱动装置32可以通过控制灯具可以在XZ平面内绕Y轴转动，及/或在XY平面内绕Z轴转动来覆盖演员的所有运动轨迹，从而实现为演员的打光。而灯具的这种转动则是根据演员所佩戴的微型惯性传感器1所反馈的的演员的旋转动作进行的。
图5则示出了一种变化，在图5所示的例子中，演员处于表演荡秋千的场景下。在这种场景下，演员是基本在YZ或XY的平面内转动的，这种转动也可被实时的通过微型惯性传感器1可以检测到，并且通过信息处理和控制中心2分析后可以发送给驱动装置32控制灯具31相应的投射灯光至演员身上。本发明的***在这种场景中尤其有用，这是因为现有的无论是压力、红外还是其他的传感器检测方案一般都无法检测离开地面的空间的运动。
投影在演员或者移动道具上的灯光可以通过组合的方式，实现多样的组合光照效果，如：各种色彩图案的叠加，图案和数字的叠加等等。例如，如图6所示，除顶棚灯光外，还可以设置地面灯光装置33，该地面灯光装置可以是与顶棚灯光装置30同样的设置，或者采用如图5所示的附加字母掩版的灯具，从而实现字母在演员身体上的投射，例如图6那样，投射“L”“O”“V”“E”在不同的演员身上。
舞台灯光跟踪***的简单工作流程如下：
设置于演员身上的惯性传感器提供的演员位置信息，通过无线（WIFI,蓝牙,等）等方式将位置信息传到信息处理中心2；
根据图3所示，根据公式：
Figure BDA0000400279040000071
其中x、y、z为起点位置o的坐标，x’,y’,z’为终点位置o’的坐标，
来实时确定演员或者移动道具的位置信息，将该位置信传送给信息处理和控制中心2以便信息处理和控制中心2根据该位置信息的变化来控制灯具的转动角度的调节。
演员身上的至少一个光学传感器4将演员所受到光照的光学信息传递给信息处理和控制中心2，信息处理和控制中心2将演员的位置和光照信号与舞台的灯光参数相关联，例如在空间位置，景深，焦距，亮度等参数上相关联，并可通过信息处理和控制中心2内预制的算法或特定效果所需的参数组，将处理好的信息发到相应的灯光的控制和驱动***，调整灯光或者灯光组的照明参数；来对灯具的亮度作进一步的调节。
预制的算法如图6所示还可以用于控制灯具组合照明的特定效果，此种情况下，将检测到的灯光强度进行叠加等处理来判断灯具的调节机制。例如，可将光学传感器检测到的光强的值作为光线是否正确照射到佩戴了该传感器的演员的判定依据，并在与一预设的阈值进行比对后，将结果反馈给控制中心调整灯具控制设备的参数。
本发明通过置于演员或者移动道具上的一个微型惯性传感器1来监测其在舞台上实时的运动状态，并通过无线方式将运动信息提供给计算机，然后由计算机控制相应的灯光来追踪特定的演员或者道具，同时，由演员身上的光学传感器4来确定灯光追踪是否精确，并将相关信息发回计算机进行精确调校，使特定的舞台灯光可以精确地追踪到特定的演员或者道具。
这一过程既无需人工手动控制，也不用为演员或者道具的行动路线在计算机内提前设定，同时，只需要一个传感器就可以准确地表征演员或者道具的行动信息，大大降低了计算机处理信息的数据量，使整个自动控制过程更加快速而且精确。
同时，演员或者道具上的光学传感器可以实时提供灯光追踪的投射数据，一方面有利于演出前对各种灯光设备参数进行调校，如：光强，焦距，景深等等，同时，还有助于在演出过程中，随时调校个别灯光投射的精确程度，以突出重点和（/或）弱化背景等方式来增加舞台效果，而且还可以通过组合投射特定灯光效果来制造更为复杂绚烂的舞台效果，这是以往所有的舞台灯光控制***中没有出现的。

Claims (10)

1.一种基于微型惯性传感器舞台灯光自动定位和追踪***，其特征在于：包括：
可调节光学参数的灯光设备，其包括亮度和转动角度可调节的灯具，调整灯具亮度的调整装置以及驱动该灯具转动角度的驱动装置；
至少一个微型惯性传感器，其设置于被追踪物体之上，用于产生被追踪物体的位置、姿态变化信息，并将该信息通过无线方式发送；以及
信息处理和控制中心，其包括接收微型惯性传感器的位置信息的一无线接收装置，以及根据该位置信息推导出驱动该驱动装置的驱动控制信号及/或该调整装置的调整控制信号。
2.根据权利要求1所述的基于微型惯性传感器舞台灯光自动定位和追踪***，其特征在于：该***还包括至少一个光学传感器，该光学传感器设置在被追踪物体上，用于检测被追踪物体的灯光亮度，并将得到的灯光亮度信息发送至信息处理和控制中心。
3.根据权利要求1所述的基于微型惯性传感器舞台灯光自动定位和追踪***，其特征在于：该信息处理和控制中心还接收该灯光亮度信息，并至少根据该亮度信息推导出发送至调整装置的调整控制信号，以确保灯具产生的灯光投射到被追踪的物体上。
4.根据权利要求1所述的基于微型惯性传感器舞台灯光自动定位和追踪***，其特征在于：该微型惯性传感器包括惯性传感单元，IMU，其中该惯性传感单元包括一个单轴陀螺仪和三轴加速度计组成的四轴惯性传感器或包括一个三轴陀螺仪和三轴加速度计的六轴惯性传感器。
5.根据权利要求1所述的基于微型惯性传感器舞台灯光自动定位和追踪***，其特征在于：还包括和与惯性传感单元电连接的无线发射装置，其中，所述的无线发射装置是独立的信号传输装备，或是诸如无线麦克风的信号传输装置等无线信号传输装备，可以通过物理连接器接口来实现，也可以直接与无线麦克风信号传输装置等类似装置集成到一起来制作。
6.根据权利要求5所述的基于微型惯性传感器舞台灯光自动定位和追踪***，其特征在于：所述的惯性传感单元是分立器件组合而成或是通过集成加工制作在一块芯片上。
7.根据权利要求1所述的基于微型惯性传感器舞台灯光自动定位和追踪***，其特征在于：所述的微型惯性传感器是能够佩戴在被追踪者身上的纽扣、头饰、胸针、领带夹的形式；或置于诸如话筒、耳麦等移动设备中，或直接置于诸如无线麦克风的无线信号传输装置等无线信号传输装置中。
8.根据权利要求1所述的基于微型惯性传感器舞台灯光自动定位和追踪***，其特征在于：所述驱动装置驱动灯具在顶棚做覆盖整个舞台的全景转动，即，在XZ平面内，绕Y轴转动，并且可以在XY平面内绕Z轴运动，同时，两种运动状态叠加形成覆盖整个舞台的全景转动。
9.一种基于微型惯性传感器舞台灯光自动定位和追踪方法，其包括如下步骤：
接收一微型惯性传感器的位置信息、姿态变化信息；
根据该位置信息推导出驱动一可调节光学参数的灯光设备的驱动装置的驱动控制信号及/或该可调节光学参数的灯光设备的一调整装置的调整控制信号；以及
形成信号发送给光学***，实施相应的合适的光照。
10.根据权利要求9中的方法，其特征在于：还包括，接收来自至少一光学传感器的光学亮度信息；其中，用该光学亮度信息结合位置信息、姿态变化信息推导出驱动一可调节光学参数的灯光设备的驱动装置的驱动控制信号及/或该可调节光学参数的灯光设备的一调整装置的调整控制信号。
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