（光学工程专业论文）全彩色激光音乐演示系统控制部分研究与开发.pdf

摘要 摘要 激光演示技术是一种大屏幕投影显示技术，主要应用在文化娱乐、广告宣 传等领域。音乐是传递人类情感的一种重要途径，而现有的激光演示软件还 处在无声的领域中，随着大众对多媒体需求的增加，全彩色激光音乐表演的 研究与开发成为必然。 本文首先阐述了激光音乐表演的发展状况，在此基础上以w i n d o w s 和 v i s u a lc h 6 0 作为系统软件的开发平台，采用w i n d o w s 的多媒体函数控制音 乐文件的计算机输出，设计实现了可视化的全彩色音乐激光矢量演示系统软 件。系统软件一方面负责生成激光演示图形和读取音乐文件并播放，另一方 面通过d a 卡控制振镜和激光器。 本文的主要内容为：1 ) 首先通过音乐文件类型的分析和控制方法的选择， 实现了可循环播放的背景音乐播放。2 ) 通过分析高、中、低三种多媒体接口 的优缺点，采用中层多媒体进行设计，打破了以往大部分软件只能播放一种 文件类型的局限性，本系统可以播放“w a v ” “m i d i 和“m p 3 等各种类 型的音乐文件。3 ) 通过软件编程、调试和优化使软件界面对用户友好，内部 功能不断完善。4 ) 通过对声音产生的原理、音乐文件的类型、音乐文件的曲 式进行了详细的分析，采用最流行的方法分析音乐要素，使音乐和激光演示 效果尽可能配合，以提高演示效果，实现了音乐要素对激光演示的优化控制， 使音乐成为激光演示的控制器，让人感受到声音和激光是完整的统一体，感 受到声和光的和谐。 制作了包括声音和图像的多媒体动画，以此作为对软件的测试。测试结果 表明：系统实现了背景音乐的播放和音乐控制激光演示效果两种功能。 关键词：激光扫描；音乐；激光表演；全彩色；控制 a b s t r a c t a b s t r a c t t h el a s e rd i s p l a yt e c h n o l o g yi so n ek i n do fl a r g es c r e e nt e c h n o l o g y i tc a nb e u s e di nm a n yf i e l d s ，f o re x a m p l e ，a m u s e m e n t ，a d v e r t i s e m e n t ，p r o p a g a n d i z i n g ，a n d s oo n a sw ek n o w , m u s i ci so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d st oe x p r e s s h u m a n ss e n s i b i l i t y , b u tt h ee x i s t i n gs o f t w a r ei ss i l e n t t h u s ，t h er e s e a r c h e sa n d d e v e l o p so ff u l lc o l o rm u s i cl a s e rd i s p l a ys y s t e mi so b l i g a t o r y b a s e do nt h i sb a c k g r o u n d ，t h i sa r t i c l es u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n to ft h el a s e r d i s p l a y b yu s i n gt h ew i n d o w sm u l t i m e d i af u n c t i o na n dv i s u a lc + + 6 0 ，w e r e a l i z e dt h ef u l lc o l o rm u s i cl a s e rd i s p l a y t h es o f t w a r et a k e sc h a r g eo ft h e b u i l d i n go fl a s e r - s h o wg r a p h i c sd a t aa n dr e a d i n gt h em u s i cf i l e s ，a sw e l la s c o n t r o l l i n gg a l v a n o m e t e ra n dl a s e rb yd ac a r d t h em a i nc o n t e n to ft h i sa r t i c l ec a nb es e p a r a t e di n t of o u rp a r t s ：t h ef i r s t ，t h e s o f t w a r ec a nb eu s e dt od i f f e r e n tm u s i cf o r m a t s ；t h es e c o n d ，t h es o f t w a r eb r o k eu p t h el i m i t st h a tt h eu s u a ls o f t w a r eo n l yu s e df o ro n et y p e ；t h et h i r d ，t h ei n t e r n a l f u n c t i o n sa r ei m p r o v e d ；t h ef o r t h ，m u s i ci st h ec o n t r o l l e ro ft h el a s e rd i s p l a yb y a n a l y z i n gt h er h y t h ma n dm e l o d y b ym a k i n gt h em e d i ac a r t o o nc o n c l u d i n gt h es o u n da n dp i c t u r e s ，w et e s t e dt h e s o f t w a r e a f t e re x a m i n a t i o n ，t h es y s t e mr e a l i z e dt h a tt h eb a c k g r o u n dm u s i cp l a y s a n dm u s i cc o n t r o l st h ee f f e c to ft h el a s e rd i s p l a y k e yw o r d s ：l a s e rs c a n n i n g ；m u s i c ；l a s e rd i s p l a y ；f u l lc o l o r ；c o n t r o l i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：琢疋日期：匕址 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：髟晷诞导师签名： 日期：羔丝盘：篁 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 1 9 6 0 年【l 】世界第一台激光器问世，此后短短几年内，激光技术的发展和 应用突飞猛进，各种类型的固体、气体、半导体和化学激光器相继研制成功【2 】。 在基础研究和关键技术方面，一系列新概念、新方法和新技术纷纷提出并获得 实施，其中不少具有独创性f 3 】。同时，作为具有高亮度、高方向性、高质量等 优异特性的新光源【4 】，激光很快应用于各个技术领域，显示出强大的生命力和 竞争力。 激光演示或称激光表演【5 】，是由计算机控制激光束在幕帘( 水幕、烟幕、喷 泉) 或墙壁上高速扫描而形成的图像。激光演示是激光与计算机绘图( 演示内容) 的结合，它是随着激光和计算机技术的发展融合而成的一种新型影像技术，是 一种全新的艺术形式，它使灯光演示达到更高的技术水平和更完美的艺术效果 【6 】。激光演示系统以激光器作为光源，利用声光调制器、扫描器件和光学元件 组成投影仪，并由电脑编程控制以获得所需要的图像【_ 7 1 。它可以表演静态或动 态图像【8 】，也可以是单色、多色或彩色的图像，且图像形式多种多样，可以是 图案、漫画、演示内容，甚至是三维旋转图像，并可以与各种形式的背景相结 合。激光演示系统的推广应用，必将使公共娱乐、信息、广告等行业跃上一个 新的台阶。 1 2 激光音乐表演的发展历史 激光表演的历史几乎和激光本身一样长。1 9 6 8 年l l o y dc r o s s 就发明了一项 专利：“s o n v i s i o n p 】，它融合了音乐艺术和激光表演，先将一层反射膜覆盖在 扬声器上，反射膜随扬声器的声波而震动，氦氖激光照射到发射膜上经反射后 在墙上成像，所呈现的变化与扬声器发出的声波变化同步。 1 9 6 9 年5 月9 日，基于美国相干公司的氪离子激光器和霍尼韦尔公司的x - y 扫描仪【9 】，世界上第一场红色单色激光演示在加利福尼亚奥克兰的米尔学院演 出，首次利用振镜的激光表演，也是现代流行的激光表演的雏形。 同年，在m i l l s 大学举行了首次激光公演，使用了c o h e r e n t 公司的氪激光 器及h o n e y w e l l 2 的x y 扫描器( 检流计) ，后者经过改装后用来进行光束扫描， 北京工业大学工学硕士学位论文 光束扫描的直接策动源是音乐，这种技术至今仍在使用。 1 9 7 3 年l a s e ri m a g e si n c ，首次展示了激光表演系统，受到了广大观众尤其 是青少年观众的喜爱，激光娱乐应用从此开始在主题公园、显示和广告的应用 中大放异彩。 为了推动激光演示在文娱教育领域的实际应用，1 9 7 6 年通用扫描公司和媒 介系统公司在马萨诸塞州剑桥成立合资的内扫描公司。1 9 7 7 年2 月4 日，内扫 描公司在可容纳3 1 0 人的波士顿海德天文馆上演了人类有史以来第一次全色激 光表演的“生命之光。 1 9 7 9 年我国国庆3 0 周年的庆典晚会上，首次采用激光进行天幕投射。闪烁 的光束，梦幻般的造型，绚丽的彩色图案，为节日增添了热烈的气氛，也给人 们留下了难忘的印象【1 0 - 1 3 1 。 1 9 8 6 年以推动激光显示技术在文娱领域的应用为目的的国际激光显示协会 ( i l d a ：i n t e r n a t i o n a ll a s e rd i s p l a y a s s o c i a t i o n ) 正式成立。该组织从成立至今， 通过年会、评奖、出版物、制定技术标准、推行商业道德准则等不懈的努力， 极大地促进了扬声器。与此同时随着计算机多媒体技术的应用及普及，激光演 示技术与多媒体技术相结合的激光多媒体技术赋予了激光演示艺术更为生动、 灵活、多样的表现手法，这使得激光束的空间变换效果更为变幻莫测，也使想 象所及的任何激光演示内容、图案、文字都可以得到实现。 1 9 9 2 年，p a n g o n l i n 诞生后，成为世界上最大的激光表演软件包发行商之一， 其激光表演的技术处于世界的前沿【1 4 。5 1 。现在他们的软件是一种可用来进行各 种激光表演的工具，包括激光束表演及多媒体播放，而不仅仅是图像显示。无 论是烟花和激光表演的集合，还是图像放送和激光表演的结合，这种软件都能 轻易做到。有的还将激光应用到视频图像上，经过这种高亮度的激光照射后， 视频图像变得更为生动、活泼。 根据国际激光显示协会关于激光显示工业( l a s e rd i s p l a yi n d u s t r y ) 的定义， 激光显示的应用主要有两种方式：激光表演( l a s e rs h o w ) 和激光效果( l a s e r e f f e c t ) 。激光表演以激光为主，辅以灯光、烟火、喷泉、音乐等，主要表现激 光图形的特殊效果。如激光音乐喷泉。激光效果与前者相反，激光的演示只是 为了辅助主题而提供激光的特效，如用作舞台背景灯光。这两种方式在功能上 各有侧重，在系统原理上也是一样的，但对软硬件的要求是不同的。 激光表演有如下几个特点： 它是一种投射式成像方式，能够实现超大屏幕的显示； 色彩鲜艳纯正，具有高的对比度( 1 0 ：1 ) ； 能够产生特殊的空间光束效果和光束干涉效应； 一2 一 第1 章绪论 激光效应和图形信号完全数字化，由电脑直接编程； 它是一种“光笔书写的矢量化的图形模式。 从激光特点来分析，激光束的发散角很小，因而方向性好，在空中传播很 远而没有明显的发散，投影后是点状，具备了随意性和可塑性。激光的亮度极 高，l ：t 女n ，一台功率为1 毫瓦的氦氖激光器发出的激光束的焦斑亮度比太阳约 高1 0 0 倍；激光的色谱纯度极高，因而色彩艳丽，合成颜色的色域也比其它光 源更广。随着计算机控制技术以及激光器技术的发展，激光演示技术必然越来 越显示其活力1 1 3 激光音乐表演的应用现状 激光演示几乎不受场地限制，在大型游乐场所，如湖上水幕、广场喷泉、 城市高大建筑、自然游览景区的悬崖峭壁、平坡坦岭、大型瀑布，均是激光投 射的良好载体。甚至在特殊的气候条件下，如雨、雾天气或空气中的潮湿成分， 会使激光演示产生更加神奇的视觉效果。 目前，国内已有多处使用大型激光演示系统，如深圳地王大厦的“激光地 标系统 ，深圳“世界之窗”和“民俗文化村 的激光舞台系统。作为一种新型 的信息传播媒体，激光广告已开始在国外许多公共场所，大型展览会馆使用， 激光广告色彩艳丽、字画清晰、遥远可见，可随时更新广告内容。通过m o d e m 与电脑网络相连接，可及时发布信息，配合精彩的空间光束，更能增加广告的 宣传效果。 历经3 0 余年发展，激光演示技术在发达国家作为一种全新的、富有强烈感 染力的艺术手段日臻成熟。随着越来越多的艺术家开始尝试在文娱演出中使用 激光，高能量密度形成的高亮度、优异的方向性造成的精细成型效果、单色性 赋予其的亮丽色彩带来的无可抗拒的强大的视觉冲击力等其他常规灯光所无法 比拟的优势使得激光演示技术以飞快的速度在欧洲、北美、日本蔓延推广开来。 以美国、日本、德国为代表的激光技术发达国家出现了一批专门从事激光演示 的机构和工作室。目前带音乐的激光表演系统在国外，以趋于成熟。 国内主要有北京国科世纪激光技术有限公司、北京幻腾空间镭射演示科技 有限公司、深圳市镭幻激光高技术有限公司、深圳市大族激光科技股份有限公 司、以及某些高校和科研院所从事激光表演方面的研究。很多公司只是代理或 使用进口设备，做研发也是以制作激光器为主。也有几个公司、研究所和学校 作控制系统，但是功能比较差。 一3 一 北京工业大学工学硕士学位论文 因此，虽然目前在我国有激光表演软件的研究生产厂家，但他们的基础、 实力、技术力量、管理水平都有待提高，并且国内还没有把音乐和激光表演内 容结合起来的激光演示系统投放市场。有的带音乐的激光表演系统，产品多是 简单的仿制，重复生产，创新并不多，实际进行科研设计的少之又少。所以根 据我国的实际情况，十分有必要进行激光音乐表演的研究与开发，特别是控制 部分，以达到提高系统性能、提高激光音乐表演艺术效果的目的。 1 4 研究的目的和意义 激光表演有各种各样的表现形式：激光水幕，激光音乐喷泉，激光迷宫， 激光舞台艺术，激光迪斯科乐园，激光不夜城。它广泛应用于游乐园，室外广 场城市高大建筑、城市夜空装点、都市不夜城、激光水幕电影、激光音乐喷泉、 激光迷宫、激光迪斯科乐园、歌舞厅、夜总会、酒店、电视台演播厅、戏院、 电影院、大型购物中心等。在这种氛围中，增加音乐更加能衬托欢乐的气氛。 音乐是人类传递情感的一种重要手段，现在我们的软件还处在无声的领域 里，若想增加背景音乐，必须单独启动，达不到实时的效果，并且没有音乐控 制播放内容的功能。音乐是多媒体的重要组成部分，很难想象观看没有声音的 电影、电视会是一种什么的感觉，声音在多媒体编程中的作用同样不能低估。 如果应用程序中包含声音信息，就可以大大增强它的亲合力，或者增强的它的 原来的效果，给人以赏心悦目的视觉和听觉享受。激光表演主要应用在一些娱 乐等喜庆的场合，这种情况下音乐是必不可少的，音乐的添加会大大增强原来 的效果，因此激光音乐表演是趋势之一。 1 5 论文主要工作 本文以激光演示技术发展趋势为目标，从激光演示的相关关键技术出发， 设计一套全彩色激光音乐演示控制系统，包括激光音乐演示系统的硬件组成和 软件设计。设计重点主要分为三个部分：通过对激光演示系统各个部分组成的 原理及性能的分析，对原有的系统进行优化；通过对数字多媒体的研究，实现 背景音乐的播放。通过对音乐文件的基本要素进行分析，实现音乐要素控制演 示内容的播放。 本文的结构如下：第一章是绪论部分，主要介绍了激光音乐系统的背景知 识及其应用领域，并分析了当前激光音乐表演的发展情况，最后介绍了本文的 一4 一 第1 章绪论 主要工作。第二章详细介绍了激光音乐显示系统及本系统的硬件组成。第三章 介绍了系统软件的设计与实现。第四章对实验结果进行了介绍与分析。最后是 结论与展望，对全文进行总结，并针对本文方法中的不足之处，提出未来工作 的重点和方向。 一5 一 北京工业大学t 学硕士学位论文 第2 章激光音乐显示系统及本系统硬件组成 2 1 两种扫描显示原理 激光表演作为一种比较新的娱乐方式，应用非常广泛，给人们带来了更 加奇幻的视觉效果和视觉冲击，令人叹为观止。目前激光表演有两种方式： 矢量激光表演和光栅激光表演。 2 1 1 矢量扫描法 矢量扫描法【1 8 】的原理是：先通过一般的图形图像处理软件制作出要显示 的图形的轮廓线，根据失真度计算获取轮廓上的点，然后利用图形变换技术 将各点的坐标x 、y 转换成关于时间的电信号，作为扫描信号，分别驱动两 个方向上的扫描镜，通过反射将图像信号投射在屏幕上。通常情况下图形处 理的步骤如下： 1 ) 在二维坐标系中，取特征点集 a 1 ，a 2 ，a 3 ，_ ，把连续图形转换成离 散图形，利用计算机软件使这些点最大限度地反映原图形的信息。 2 ) 把离散点集转换成2 个一维的坐标点集( x l ，x 2 ，x 3 ，) 和 y 1 ，y 2 ， y 3 ，) ，它们都是关于时间t ( i ) 的函数。 3 ) 把处理后的x i ( t ) 和y i ( t ) 分别作为行和场的扫描控制信号，就可以在大屏 幕上得到需要的图像【1 9 】。 矢量扫描系统的工作原理如图2 1 所示。 图2 - 1 矢量式扫描原理 f i g 2 - 1p r i n c i p l eo fv e c t o r - s c a n 矢量扫描方式一般用于激光表演，目前应用的主要领域是激光娱乐、游 乐、广告、城市光彩工程等，是实现激光显示的重要手段。其最显著优点是 图像放大不会使图像失真，因此大屏幕显示是其主要发展方向之一。 一6 一 第2 章激光音乐显示系统及本系统硬件组成 2 1 2 光栅扫描法 光栅扫描【2 0 】显示的驱动方式和电视机显示类似，都是射束驱动，图像信 号作为调制信号对光束进行强度调制，锯齿波信号作为行、场两个偏转器的 扫描信号，利用反射或衍射效应控制光束的偏转，在屏幕上形成均匀的光栅， 实现图像的再现。这种显示的方式主要应用于大屏幕显示和激光电视，将来 有可能取代现有的晶体管电视。 光栅式扫描的工作原理如图2 2 所示。 图2 - 2 光栅式扫描原理 f i g 2 - 2p r i n c i p l eo fg r a t i n g - s c a n 2 1 3 两种方式的区别 ：一 两种扫描显示方式的相同点在于，都是利用了激光亮度高、分辨率高、色 彩鲜艳等优点，而且