基于手势识别的LED舞台灯调光系统设计

王会芹

(中国传媒大学，北京 100024)

引言

舞台灯光是演出场景中一个重要的环节。在舞台演出中，根据演出节目内容和剧情的发展，实时改变舞台灯的颜色和亮度，可以烘托演出效果，渲染舞台气氛[1]。舞台灯光的变化离不开调光系统，因为LED舞台灯调光信号的传输需要专门的传输协议如DMX512协议、ACN协议(一种网络灯光控制协议)等，所以LED舞台灯有专门的调光系统[2]。设计人员根据演出内容预先设计灯光效果，然后在演出中根据方案由调光系统控制舞台灯的变化，最终实现设计效果。

随着欣赏水平的日益提高，人们对演出节目的感染力和节目互动性有了更高的要求。许多表演场合例如音乐会、戏曲、服装走秀等，经常需要舞台背景变化与表演者之间进行实时互动，以增强和激发参与者的共鸣，使演出更具吸引力[3]。对于目前常用的调光系统而言，要满足交互性，要求设计的灯光效果要实时地、准确地跟踪节目内容的变化，这样会大大增加设计难度。为此，本文提出了由表演者手势进行控制的LED舞台灯调光系统，该系统不需要预先设计灯光效果，直接利用表演者的不同手势来控制现场的舞台灯光效果，使舞台灯的亮度随着演员的手势的变化而变化，从而满足交互性要求[4,5]。

1 调光系统的总体结构

整个调光系统由手势动作捕捉与识别和信号处理与转换两大部分构成，具体结构如图1所示。

图1 LED舞台灯调光系统结构框图

当表演者的手势发生变换时，动作捕捉与识别部分自动捕捉手势信号并进行识别，然后将识别结果送入下一单元进行信号处理。信号处理与转换部分根据调光方案将采集到的动作信息转换成不同的调光信号，再按照DMX512协议格式对这些调光数据进行转换，将其变成LED舞台灯能够识别的数据形式，最后送入LED舞台灯。这样实现了灯光状态随着手部动作的变化而交互式变化。

2 调光系统的具体设计

整个调光系统的设计主要可以分为各种手势的识别、手势与调光效果的转换及DMX512协议实现三部分。

2.1 手势识别

目前常用的手势识别方案主要分为接触式和非接触式两大类，其中第一种主要通过手掌和各种传感器相连接，通过检测手部的变化，如弯曲度、移动的加速度等来识别各种手势；第二种方法主要是基于视觉、超声波、红外线等方式进行识别。基于视觉的手势识别方式通过对采集的手部图像进行算法处理，得到识别结果，这种方法计算量大，实现成本高。超声波手势识别技术识别速度快、范围广，但是受杂波影响大，出错率较高。红外线方式的手势识别方法，识别速度快、精度较高、价格适中，但是识别范围有限。综合考虑本次设计采用基于红外线检测方式的手势传感器PAJ7620[6,7]。

2.1.1 PAJ7620传感器工作原理

PAJ7620是原相科技公司推出的光学手势传感器，在其四周各放置一个红外发光二极管，中心位置为红外接收器。这样只要有手势进入检测区，红外二极管发出的光信号就会传送到接收器，经过转换变成电信号送入指定寄存器。电信号的大小由手掌和发光二极管的距离决定，离二极管越近，光信号越强，输出电信号值越大，反之电信号越小。通过这种结构，PAJ7620可以识别上移、下移、左移、右移、旋转和接近等九种手势[8]。

2.1.2 PAJ7620工作过程

PAJ7620手势识别过程主要分别初始化、手势信号采集和识别三个主要部分，具体实现过程如图2所示。

图2 PAJ 7620手势识别流程图

当传感器上电后，首先进行初始化处理。包括传感器的初始化，即等待700 us,保证传感器达到稳定状态；I2C总线的初始化，手势信息一般通过访问I2C总线与后续单元进行数据交换，所以需要在初始化阶段激活该总线；手势寄存器初始化，对各种手势标志寄存器设置初始值。

PAJ7620的工作方式主要是指手势采集方式。手势采集方式包括两种，一种是中断方式，一种是定时方式。采用中断方式，只要红外接收器感应到新的手势动作，系统就访问PAJ7620相应寄存器采集该手势信号，进入手势识别环节。在没有新手势信号出现时，传感器则进行低功耗模式。而定时方式需要首先设置定时时间，到达设定时间后直接读取PAJ7620相应寄存器的信号，若信号超过阈值时说明有手势信号，进入下一环节；反之为无效信号，系统直接进入低功耗模式，等待下一个定时时间的到来。

采集到有效的手势信号后，根据手势的开始和结束点检测信号，判断手势的类型并将识别结果保存在对应寄存器，供后续环节调用。

2.2 信号处理

PAJ7620手势识别结果通过I2C协议送入Arduino单片机进行信号处理与转换。信号与转换主要包括手势信号与调光信号的转换和调光信号的DMX512格式的变换。

2.2.1 调光信号的转换

手势和LED的状态关系如图3所示。手掌向右移动时，LED舞台灯打开，向左移动时舞台灯关闭。打开时舞台灯亮度由该时刻的手势亮度值E决定，见式(1)。

(1)

式中，L是不同时刻对手势的红外照度，K是光学系统的透过率，D是成像系统的通光口径，f是成像系统的焦距。手掌和PAJ 7620的之间距离不同，手势亮度值不同。在有效的检测区域，将最远到最近距离对应的输出信号进行量化，则得到了0～255之间的亮度值[8]。

图3 手势与LED灯光效果的对应关系

手掌不断向上移动，则LED灯的亮度不断增加，直到达最大亮度值255；反之，当手掌向下移动，则灯的亮度不断减小，从而将手势信号转换为调光信号。

2.2.2 DMX512协议

DMX512灯光控制数据传输协议是美国舞台灯光协会(USITT)于1990年发布的灯光控制器与灯具设备进行数据传输的开放工业标准。如今舞台灯光系统越来越复杂，部分前端的控制可能应用了更新、更复杂的网络控制协议，但是在末端对具体灯具的控制仍然大量使用DMX512协议。

DMX512协议将一组灯光控制数据按照一定格式打包成多个数据包，再用串行的方式在控制线路上发送。典型的传输速率为250 kbps，对应每个比特位的持续时间为44 us[9]。

一个完整的DMX512数据包包括一个Break信号(中断位)，宽度至少为88bit的低电平信号，对应于一次DMX512数据发送结束后的复位阶段；一个MAB(Mark After Break)信号，宽度不小于4bit的高电平信号，标志新的DMX512信号发送的开始，用于分离每个数据帧的第一位开始位的低电平和Break信号的低电平；一帧StartCode信号，DMX512信号的第0帧，8位数据均为0；512个数据帧和一个MTBP(Mark Time Between Packet)信号，高电平信号，标志着一轮DMX512信号发送的结束。

DMX512每个数据帧对应一个通道，用于控制灯光参数(如亮度、颜色、角度等)。数据帧共有11bit构成，分别为1起始位、8个数据位和2个停止位。其中，起始位固定为低电平“0”，两个停止位固定为高电平“1”；8个数据位从 00000000～11111111，共256级，当用于控制灯具亮度时，可产生共256个调光灰度。

DMX512数据包的传输要符合一定的格式和时序要求。如要包含1个至少88 us的低电平输出起始标志(Break)、起始码帧、512个数据帧和最后的数据包结束标志(高电平)。只有满足DMX512数据包的时序要求，才能实现调光器和舞台灯之间的数据传输。具体的信号时序如图4所示。

图4 DMX512协议时序图

在第一个亮度信号发送前，先发送一个复位信号即Break信号(图4中1)，之后是持续时间在8 us到1 s之间的高电平的标记信号MAB(2所示)，用于分隔复位信号和后面的8位空代码-开始代码；随后的数据就是多路调光信号，每一路对一个字段(3所示)，字段中4为字段起始位，5、6为字段停止位，其余8位为调光数据，对应0～255之间的信号变化；7为两个字段间的允许的高电平间隔时间；8为复位前标记信号MTBP，持续时间在0～1 s之间。

3 系统搭建与测试

3.1 调光系统搭建

采用Arduino单片机作为主控模块，以PAJ7620传感器为手势检测元件，搭建基于手势的舞台灯调光系统，系统的电路如图5所示。手势传感器通过I2C接口和Arduino单片机进行通信，先由主控系统发送指令，手势传感器进行初始化；进入工作状态后，利用定时方式采集手势信号。当识别到有效数据后，通过对应引脚发送到主控系统，完成手势动作信息的读取和识别，并根据不同的识别结果驱动LED灯的变化。

图5 调光系统工作电路

3.2 实验测试

用LED灯代替舞台灯，测试上述调光系统。手势不同时，对应的灯光变化如图6所示。手掌右移，LED灯亮，如图6(a)所示，这时的亮度值大小等于手势传感器的对应手势亮度值；灯开后，手掌向上移动，亮度值增加，LED灯变亮。设每次移动亮度变化量为50，手掌连续向上2次后，LED灯亮度达到最大，如图6(c)所示；反之，手掌向下移动，LED灯变暗。当手掌连续向下移动4次后，LED灯的亮度变化如图6(d)所示；手掌左移，LED灯直接熄灭，如图6(b)所示，这时手掌上移和下移动作均无效，直至手掌右移重新打开LED灯。测试结果表明，利用手势变化可以实现对LED灯光亮度的调节。

4 结论

本文以手势变化作为调光信号，设计了一种基于手势的LED舞台灯调光系统，并从手势信号的采集和调光信号的转换与处理两个方面对该调光系统进行了详细阐述。与常用的调光系统相比，该系统不需要提前设计调光方案，直接以手势传感器代替调光台，实现了手部动作和灯光亮度的交互式变化，是现有调光方式的一种有效补充。实验结果验证了这种调光系统的可行性。

图6 基于手势的LED灯调光效果