CN105554987A - 3d可视化及手势调节舞台灯具的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种3D可视化及手势调节舞台灯具的控制系统，包括显示屏、用于捕捉手势动作的体感控制器、灯具控制模块、用于存储灯具信息的存储模块、用于驱动灯具动作的灯具驱动机构，所述体感控制器、存储模块、灯具驱动机构与灯具控制模块连接，所述灯具驱动机构连接灯具；本发明还提供一种舞台灯具的控制方法。该控制系统能在3D虚拟舞台的三维空间里形成一个选择矩形盒，可以自由方便灵活的选择灯具。

Description

3D可视化及手势调节舞台灯具的控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于舞台灯光控制领域，特别涉及一种3D可视化及手势动作调节舞台灯具的控制系统以及控制方法。背景技术

在舞台灯具控制领域里，舞台上的移动光斑是通过悬挂于舞台上方的摇头灯的照射和转动来实现。灯具上设有相互垂直的竖直旋转轴以及水平旋转轴，当水平旋转轴不动时，所述竖直旋转轴可使灯具围绕其旋转，以使灯具围绕竖直旋转轴旋转形成的轨迹曲线所在平面与舞台平面垂直，实现竖直旋转；当竖直旋转轴不动时，所述水平旋转轴可使灯具围绕其旋转，以使灯具围绕水平旋转轴旋转形成的轨迹曲线所在平面与舞台平面平行，实现水平旋转；当竖直旋转轴和水平旋转轴同时转动，灯束的立体式转动，光束可以随着舞台场景的变化而照射不同的地方。

灯具的出光孔截面的圆心与灯具中心轴线在同一直线上，故灯具中心轴线的方向即为光束线方向；灯具在旋转时，灯具中心轴线与其水平旋转轴之间会形成一定的夹角，即竖直旋转角，角度为α；灯具中心轴线在舞台平面上的投影与灯具的水平旋转角度β为灯具中心轴线在XY平面上的投影线与X轴正方向之间的夹角，角度为β，其中，每个灯具的竖直旋转角度α的设置范围和水平旋转角度β的设置范围均可人为设置。

控制灯光光斑移动的方法一般是向灯光控制台系统手动输入相关灯具的参数，灯光控制台系统根据相关参数，向灯具驱动机构发送相应信号，由灯具驱动机构控制灯具旋转至相应位置，以使得灯具的光束投射到舞台的相应位置上。控制灯具旋转至相应位置，通常是通过灯光控制台系统控制改变灯具的水平旋转角度值(即pan值)、竖直旋转角度值(即tilt值)来实现，以达到改变灯具的投射方向的目的。

目前，对于灯具的控制，只能在触屏的二维平面上选择灯具。手动移动和旋转灯具的时候也只能同时在三维空间的一个方向移动和旋转。而本发明用手势在三维空间不同动作可以在三维空间里方便的选择灯具，也同时可以在三维空间的任意方向移动和旋转灯具。比以往的操作更加方便灵活和高效。

发明内容

本发明的第一发明目的在于利用体感控制器对手势动作的捕捉，在3D虚拟舞台的三维空间里形成一个选择矩形盒，可以自由方便灵活的选择灯具。

本发明的第二发明目的在于利用体感控制器对手势动作的捕捉，提供一种在3D虚拟舞台上能同时在三维空间的任意方向上方便灵活的移动、旋转灯具，进而提高工作的效率。

为实现本发明的第一个发明目的，本发明采用如下技术方案：一种3D可视化及手势调节舞台灯具的控制系统，其特征在于：包括显示屏、用于捕捉手势动作的体感控制器、灯具控制模块、用于存储灯具信息的存储模块、用于驱动灯具动作的灯具驱动机构，所述体感控制器、存储模块、灯具驱动机构与灯具控制模块连接，所述灯具驱动机构连接灯具；

所述灯具控制模块包括：

虚拟舞台控制模块：用于通过手势建立虚拟舞台，并将建立好的虚拟舞台输出到显示屏；

初始化模块：用于通过手势驱动灯具驱动机构将灯具移动至初始位置；

手势动作捕捉模块：通过体感控制器捕捉手势动作；

灯具选择模块：用于通过手势选择灯具；

灯具移动模块：用于通过手势在3D空间内移动选中的灯具；

目标光斑位置选择模块：用于通过手势选中3D空间的目标光斑位置；

灯具旋转模块：用于通过手势旋转选中的灯具使灯具的光束射向目标光斑。

所述灯具控制模块还包括用于在虚拟舞台上模拟所有有效灯具投射到目标光斑位置上的光斑图像并将模拟图像输出到显示屏的光斑图像模拟显示模块。

所述灯具驱动机构为步进电机。

为实现本发明的第二发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种舞台灯具控制系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：a)建立虚拟舞台，以实际舞台与地面平行的平面为XY平面，以舞台与地面平行平面的横向中心线、纵向中心线分别为XY平面的X轴、Y轴，与XY平面垂直方向为Z轴，建立空间坐标系；通过灯光控制模块，将实际舞台的位置信息按比例K缩放建立虚拟空间直角坐标系形成虚拟舞台；用手势绘制出虚拟舞台，将绘制好的虚拟舞台发送到显示屏上，其中双手间距与缩放舞台大小的关系如下：Ls=Lh*K;Ws=Wh*K;Hs=Hh*K;K>0;其中，L是长度，W是宽度，H是高度；下标s是舞台的尺寸，下标h是双手之间的尺寸，K为大于零的预设常数；b)初始化灯具位置，通过灯具控制模块驱动灯具驱动机构将各灯具移动至初始位置；c)获取实际舞台上需光束照射点的位置坐标信息，通过灯具控制模块将该位置信息转化为虚拟舞台上目标光斑的位置坐标信息并将目标光斑的位置信息反馈给灯具控制模块；d)选择灯具，运用手势在虚拟舞台内形成一个矩形盒，选中至少一个灯具；从存储器中读取所选灯具的位置数据，并判断所选灯具对目标光斑位置是否有效，若目标光标位置处于该灯具的有效覆盖区域内，则该灯具有效并选取，否则该灯具无效并忽略；灯具光束的覆盖区域满足以下条件的有效：ρ∈[z₁*tan(a₁)，z₁*tan(a₂)]；γ∈(b₁，b₂)；其中，灯具的旋转中心点距离XY平面的高度为z₁，灯具的竖直旋转角度值α的设置范围(a₁，a₂)，灯具的水平旋转角度值β设置范围(b₁，b₂)，ρ为该灯具有效覆盖区域的极径范围，γ为该灯具有效覆盖区域的极角范围；e)计算有效灯具的水平旋转角度值、竖直旋转角度值，具体如下：灯具的水平旋转角度值α、竖直旋转角度值β分别满足如下条件：α＝arctan[(x₁-x₂)2+(y₁-y₂)2]1/2/(z₁-z₂)；

其中，灯具出光孔截面的初始位置的圆心在虚拟舞台上的坐标是(x₁，y₁，z₁)，所述目标光斑位置在虚拟舞台上的位置坐标为(x₂，y₂，z₂)；f)将灯具的水平旋转角度值、竖直旋转角度值转化为控制信号并向灯具驱动机构发送控制信号，驱动灯具旋转至相应的方向及位置。

进一步地，在执行步骤f前，根据各有效灯具照射在目标光斑上的光斑形状，在虚拟舞台上模拟绘制所有有效灯具在目标光斑上形成的光斑图像并将其输出到显示屏。

本发明的有益效果：

1、利用体感控制器对手势动作的捕捉，在3D虚拟舞台的三维空间里形成一个选择矩形盒，可以快速、自由、方便灵活的选择多个灯具。。

2、采用可视化的虚拟舞台进行控制，利用体感控制器对手势动作的捕捉，提供一种在3D虚拟舞台上能同时在三维空间的任意方向上方便灵活的移动、旋转灯具，具有直观方便，自由快捷等优点。3、通过精确的虚拟舞台模拟，灯具光束可实现自动定位。

附图说明

图1是本发明所示的控制示意图。

图2是本发明所述舞台灯具控制系统的总体结构图。

图3是本发明所述舞台灯具控制系统的灯具控制模块的结构图。

图4是本发明方法的总流程图。

图5为本发明的原理图。

图6为本发明的示意效果图。

具体实施方式

参照图1-2所示，本发明所述的调节舞台灯具包括显示屏2、用于捕捉手势动作的体感控制器、灯具控制模块、用于存储灯具信息的存储模块、用于驱动灯具动作的灯具驱动机构，所述体感控制器、存储模块、灯具驱动机构与灯具控制模块连接，所述灯具驱动机构连接灯具。存储模块用于存储所有灯具的位置信息数据、竖直旋转角度值α的设置范围(a₁，a₂)、水平旋转角度值β的设置范围(b₁，b₂)、属性数据信息(zoom属性)、灯具旋转中心点的位置信息；灯具控制模块用于建立虚拟舞台、初始化灯具、选择目标光斑位置并将目标光斑的位置转化为虚拟舞台上的位置信息、选择灯具并判断灯具相对目标光斑是否有效、计算灯具的旋转角度并将该角度转化为控制信号控制灯具转动以及在虚拟舞台上模拟光斑效果。如图3所示，灯具控制模块包括：虚拟舞台控制模块：通过体感控制器将双手手掌的左右，前后，上下平行地拉大缩小动作转化为控制信号，来控制虚拟舞台的长宽高尺寸大小，并将建立好的虚拟舞台输出到显示屏；初始化模块：用于通过预设置在灯具控制模块中的软件向灯具驱动机构发送控制信号，驱动灯具驱动机构将灯具移动至初始位置，最后初始化位置完成的3D灯具模型输出到显示屏；手势动作捕捉模块：通过体感控制器捕捉手势动作。捕捉到手势动作后生成不同的信号，再发送到灯具的选择、移动、以及旋转模块，分别实现不同模式下的灯具选择、移动和旋转操作；光斑图像选择模块：在目标光斑位置选择模式下，通过体感控制器将单手的食指在平面空间移动换算到3D虚拟舞台中的屏幕空间的一个点，悬停一秒左右后，选中3D空间的对应位置点为目标光斑位置；灯具选择模块：在切换到灯具选择模式下，通过手势动作体感控制器，两手的食指在三维空间上做拉斜线的动作形成一个矩形盒。将此矩形盒大小映射到虚拟舞台的3D空间形成一个相应比例的矩形盒。双手食指继续拉伸可以改变矩形盒的长宽高。单掌前后左右上下的移动矩形盒位置，来选择相应矩形盒范围内的灯具。单手食指可以点击某个灯具，如果此灯具未被选中就变为选中状态，如果已经选中了就变为未选中状态。如此通过手势动作灵活直观、快速的在三维空间直接控制选择矩形盒大小和位置来选择灯具，比传统的鼠标、触屏操作更方便更灵活更高效；灯具旋转模块：在选择一定数量的灯具后，切换到灯具旋转模式下。第一种旋转模式是，直接用单手手掌做水平和垂直旋转动作，来直接控制选中灯具做相应的水平垂直旋转。第二种旋转模式是，根据目标光斑的位置数据计算各有效灯具的水平旋转角度值、垂直旋转角度值。两种模式下，将计算得出的水平旋转角度值、垂直旋转角度值转化为控制信号，并将控制信号发送给灯具驱动机构驱动控制灯具旋转至相应位置及方向；光斑图像绘制模块：用于在虚拟舞台上模拟所有有效灯具投射到目标光斑位置上的光斑图像并将模拟图像输出到显示屏。如图6所示；

参照图4所示，本发明所述的调节舞台灯具的控制系统的控制方法包括以下步骤：

a)建立虚拟舞台，以实际舞台与地面平行的平面为XY平面，以舞台与地面平行平面的横向中心线、纵向中心线分别为XY平面的X轴、Y轴，与XY平面垂直方向为Z轴，建立空间坐标系。通过虚拟舞台灯光软件系统，将实际舞台的位置信息按比例K缩放建立虚拟空间直角坐标系形成虚拟舞台。其中可通过手势动作捕捉，根据双手手掌的左右，前后，上下平行拉大缩小动作，来控制虚拟舞台的长宽高尺寸大小。绘制出虚拟舞台图像，并将绘制好的虚拟舞台图像发送到显示屏上，K为大于零的预设常数；双手距离缩放舞台大小的关系如下：

Ls=Lh*K;Ws=Wh*K;Hs=Hh*K;K>0;

其中，L是长度，W是宽度，H是高度。下标s是舞台的尺寸，下标h是双手之间的尺寸。

b)初始化灯具位置，通过预设置在灯具控制模块中的软件，驱动灯具驱动机构将各灯具移动至初始位置；所述初始位置即灯具的水平旋转轴与Z轴平行、竖直旋转轴与Y轴平行；灯具中心轴线与水平旋转轴在同一直线上、与竖直旋转轴垂直；

c)获取实际舞台上需光束照射点的位置坐标信息，通过预设置在灯具控制模块中的软件，将该位置信息转化为虚拟舞台上目标光斑的位置坐标信息并将目标光斑的位置信息反馈给控制系统；

所述目标光斑在虚拟舞台上的位置信息与其在实际舞台上的对应位置的转化关系如下：

(x₃，y₃，z₃)＝k(x₂，y₂，z₂)，

其中，k为预设的比例常数，(x₂，y₂，z₂)为目标光斑位置在虚拟舞台上坐标值，(x₃，y₃，z₃)为所求实际舞台上需光束照射点的坐标值；

d)选择灯具，通过预设置在灯具控制模块的软件，选择至少一个灯具，从存储器中读取所选灯具的位置数据，并判断所选灯具对目标光斑位置是否有效，若目标光标位置处于该灯具的有效覆盖区域内，则该灯具有效并选取，否则该灯具无效并忽略；灯具光束的覆盖区域满足以下条件的有效：

ρ∈[z₁*tan(a₁)，z1*tan(a₂)]；

γ∈(b₁，b₂)；

其中，灯具的旋转中心点距离XY平面的高度为z₁，灯具的竖直旋转角度值α的设置范围(a₁，a₂)，灯具的水平旋转角度值β设置范围(b₁，b₂)；以灯具的旋转中心点(所述旋转中心点在灯具中心轴线上，即灯具中心轴线、水平旋转轴、竖直旋转轴的相交点)在XY平面上的投影为原点，与X轴正方向平行的方向为极轴方向，ρ为该灯具有效覆盖区域在XY平面上的极径范围，γ为该灯具有效覆盖区域在XY平面上的极角范围；

e)、计算有效灯具的水平旋转角度值、竖直旋转角度值，具体如下：

灯具的水平旋转角度值α、竖直旋转角度值β分别满足如下条件：

α＝arctan[(x₁-x₂)2+(y₁-y₂)2]1/2/(z₁-z₂)；

其中，灯具出光孔截面的初始位置的圆心在虚拟舞台上的坐标是(x₁，y₁，z₁)，所述目标光斑位置在虚拟舞台上的位置坐标为(x₂，y₂，z₂)；α为所求的竖直旋转角度值，β为所求的水平旋转角度值；

如图5所示，灯具的竖直旋转角度α为灯具中心轴线与其水平旋转轴之间的夹角，即灯具中心轴线与Z轴之间的夹角；灯具的水平旋转角度β为灯具中心轴线在XY平面上的投影线与X轴正方向之间的夹角，其中，灯具中心轴线的方向即为光束线方向；图5中，A为灯具的旋转中心点，B为目标光斑位置，C为灯具的旋转中心点在XY平面上的投影，AB为灯具中心轴线(光束线)，BC为灯具中心轴线在XY平面上的投影线。

f)根据各有效灯具照射在目标光斑上的光斑形状，在虚拟舞台上模拟绘制所有有效灯具在目标光斑上形成的光斑图像并将其输出到显示屏，让用户直观的感受光束照射的效果；如图6所示；

g)将灯具的水平旋转角度值、竖直旋转角度值转化为控制信号并向灯具驱动机构发送控制信号，驱动灯具旋转至相应的方向及位置，使得灯具所投射的光束照射在目标光斑位置上，达到预定效果。

Claims (5)

1.一种3D可视化及手势调节舞台灯具的控制系统，其特征在于：包括显示屏、用于捕捉手势动作的体感控制器、灯具控制模块、用于存储灯具信息的存储模块、用于驱动灯具动作的灯具驱动机构，所述体感控制器、存储模块、灯具驱动机构与灯具控制模块连接，所述灯具驱动机构连接灯具；

所述灯具控制模块包括：

虚拟舞台控制模块：用于通过手势建立虚拟舞台，并将建立好的虚拟舞台输出到显示屏；

初始化模块：用于通过手势驱动灯具驱动机构将灯具移动至初始位置；

手势动作捕捉模块：通过体感控制器捕捉手势动作；

灯具选择模块：用于通过手势选择灯具；

灯具移动模块：用于通过手势在3D空间内移动选中的灯具；

目标光斑位置选择模块：用于通过手势选中3D空间的目标光斑位置；

灯具旋转模块：用于通过手势旋转选中的灯具使灯具的光束射向目标光斑。

2.根据权利要求1所述的3D可视化及手势调节舞台灯具的控制系统，其特征在于所述灯具控制模块还包括用于在虚拟舞台上模拟所有有效灯具投射到目标光斑位置上的光斑图像并将模拟图像输出到显示屏的光斑图像模拟显示模块。

3.根据权利要求1所述的3D可视化及手势调节舞台灯具的控制系统，其特征在于：所述灯具驱动机构为步进电机。

4.一种舞台灯具控制系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：a)建立虚拟舞台，以实际舞台与地面平行的平面为XY平面，以舞台与地面平行平面的横向中心线、纵向中心线分别为XY平面的X轴、Y轴，与XY平面垂直方向为Z轴，建立空间坐标系；通过灯光控制模块，将实际舞台的位置信息按比例K缩放建立虚拟空间直角坐标系形成虚拟舞台；用手势绘制出虚拟舞台，将绘制好的虚拟舞台发送到显示屏上，其中双手间距与缩放舞台大小的关系如下：Ls=Lh*K;Ws=Wh*K;Hs=Hh*K;K>0;

其中，L是长度，W是宽度，H是高度；下标s是舞台的尺寸，下标h是双手之间的尺寸，K为大于零的预设常数；b)初始化灯具位置，通过灯具控制模块驱动灯具驱动机构将各灯具移动至初始位置；

c)获取实际舞台上需光束照射点的位置坐标信息，通过灯具控制模块将该位置信息转化为虚拟舞台上目标光斑的位置坐标信息并将目标光斑的位置信息反馈给灯具控制模块；d)选择灯具，运用手势在虚拟舞台内形成一个矩形盒，选中至少一个灯具；从存储器中读取所选灯具的位置数据，并判断所选灯具对目标光斑位置是否有效，若目标光标位置处于该灯具的有效覆盖区域内，则该灯具有效并选取，否则该灯具无效并忽略；灯具光束的覆盖区域满足以下条件的有效：

ρ∈[z1*tan(a₁)，z1*tan(a₂)]；

γ∈(b₁，b₂)；

其中，灯具的旋转中心点距离XY平面的高度为z₁，灯具的竖直旋转角度值α的设置范围(a₁，a₂)，灯具的水平旋转角度值β设置范围(b₁，b₂)，ρ为该灯具有效覆盖区域的极径范围，γ为该灯具有效覆盖区域的极角范围；

e)计算有效灯具的水平旋转角度值、竖直旋转角度值，具体如下：灯具的水平旋转角度值α、竖直旋转角度值β分别满足如下条件：

α＝arctan[(x₁-x₂)2+(y₁-y₂)2]1/2/(z₁-z₂)；

其中，灯具出光孔截面的初始位置的圆心在虚拟舞台上的坐标是(x₁，y₁，z₁)，所述目标光斑位置在虚拟舞台上的位置坐标为(x₂，y₂，z₂)；

f)将灯具的水平旋转角度值、竖直旋转角度值转化为控制信号并向灯具驱动机构发送控制信号，驱动灯具旋转至相应的方向及位置。

5.根据权利要求4所述的舞台灯具的控制方法，其特征在于还包括以下步骤：在执行步骤f前，根据各有效灯具照射在目标光斑上的光斑形状，在虚拟舞台上模拟绘制所有有效灯具在目标光斑上形成的光斑图像并将其输出到显示屏。