《現(xiàn)代電影技術(shù)》｜李瑞海等：LED虛擬攝制與人工智能融合下的影視煙火特效控制技術(shù)方案研究

本文刊發(fā)于《現(xiàn)代電影技術(shù)》2025年第12期

專家點(diǎn)評(píng)

陳軍

研究員

北京電影學(xué)院智能影像工程學(xué)院院長(zhǎng)

隨著影視工業(yè)向虛擬化、智能化加速轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)依靠物理實(shí)拍與后期合成的煙火特效模式在安全、成本與創(chuàng)作靈活性上亟待變革。《LED虛擬攝制與人工智能融合下的影視煙火特效控制技術(shù)方案研究》一文立足影視制作技術(shù)發(fā)展前沿，系統(tǒng)探討了LED虛擬攝制與人工智能（AI）技術(shù)在煙火特效控制領(lǐng)域的融合應(yīng)用，具有重要的理論探索意義與實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。該研究緊跟新技術(shù)發(fā)展演進(jìn)趨勢(shì)，構(gòu)建“虛擬預(yù)演-AI決策-物理執(zhí)行”的智能閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過將LED虛擬攝制與AI技術(shù)有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)聯(lián)動(dòng)和智能控制，有效提升影視創(chuàng)作自由度與制作生產(chǎn)效率。論文梳理了LED虛擬攝制和煙火特效技術(shù)的發(fā)展，提出了包含呈現(xiàn)層、決策層與執(zhí)行層的三層系統(tǒng)架構(gòu)，并對(duì)關(guān)鍵模塊如虛擬畫面生成、AI智能控制、硬件接口等進(jìn)行了功能設(shè)計(jì)，輔以流程圖與場(chǎng)景化應(yīng)用說明，構(gòu)建了一套較為完整且具有可實(shí)施性可操作性的技術(shù)方案。雖然仍面臨諸多工程化挑戰(zhàn)，但其提出的“虛實(shí)融合、智能驅(qū)動(dòng)”的思想與理念，無疑代表了影視制作生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的方向。

作者簡(jiǎn)介

李瑞海

八一電影制片廠副廠長(zhǎng)，主要研究方向：數(shù)字電影技術(shù)。

趙 彬

八一電影制片廠煙火隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)，主要研究方向：影視煙火及特技。

鄭 糧

八一電影制片廠煙火技術(shù)員，主要研究方向：影視煙火及特技。

莊抒翰

八一電影制片廠煙火技術(shù)員，主要研究方向：影視煙火及特技。

闞喜巖

八一電影制片廠煙火技術(shù)員，主要研究方向：影視煙火及特技。

摘要

在科技飛速發(fā)展的當(dāng)下，影視制作領(lǐng)域正經(jīng)歷著深刻變革，LED虛擬攝制與人工智能（AI）技術(shù)的結(jié)合成為行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，為影視煙火特效控制領(lǐng)域帶來了前所未有的機(jī)遇。為總結(jié)和探索煙火特效控制，更好地為影視攝制服務(wù)，本研究全面梳理LED虛擬攝制與AI技術(shù)應(yīng)用于影視煙火特效控制的具體技術(shù)和相關(guān)實(shí)踐，提出了LED虛擬攝制與AI相結(jié)合的影視煙火特效控制技術(shù)方案。研究表明，構(gòu)建一個(gè)融合應(yīng)用LED虛擬攝制與AI技術(shù)的“虛擬預(yù)演-AI決策-物理執(zhí)行”的影視煙火智能控制閉環(huán)系統(tǒng)，是對(duì)傳統(tǒng)影視煙火工藝的革命性升級(jí)，具有廣泛的發(fā)展與應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞

LED虛擬攝制；人工智能；影視煙火特效；物理特效；數(shù)字特效

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引言

LED虛擬攝制技術(shù)的興起，標(biāo)志著影視制作范式的一次深刻革命，其核心驅(qū)動(dòng)力與顯著特征在于從依賴后期合成的傳統(tǒng)藍(lán)幕/綠幕攝制流程，轉(zhuǎn)向以 LED屏幕為物理載體、以實(shí)時(shí)渲染引擎為處理核心的現(xiàn)場(chǎng)制作模式[1]。其中實(shí)時(shí)渲染引擎已從輔助性的可視化工具躍升為整個(gè)創(chuàng)作流程的核心[2]，其不僅是驅(qū)動(dòng)LED屏幕呈現(xiàn)逼真動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的圖像生成器，更能通過同步攝影機(jī)追蹤數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算并渲染符合透視關(guān)系的正確畫面，從而實(shí)現(xiàn)攝影機(jī)內(nèi)視效[3]。

在電影攝制這一范式革新進(jìn)程中，傳統(tǒng)煙火特效的物理實(shí)體屬性存在明顯局限性與挑戰(zhàn)，其不僅存在安全風(fēng)險(xiǎn)，“一次成型”的特性還造成了高昂的邊際成本與極低的迭代靈活性；融合LED虛擬攝制與人工智能（AI）技術(shù)[4]則為解決上述問題、推動(dòng)煙火特效革新提供了新契機(jī)，成為具有重要應(yīng)用價(jià)值的研究方向。

本研究旨在系統(tǒng)性探討新技術(shù)融合為煙火特效帶來的范式革新，其重要影響具體體現(xiàn)在創(chuàng)作生產(chǎn)自由度、安全性及制作效率的全面提升：創(chuàng)作生產(chǎn)上，AI將煙火從昂貴且不可逆的物理實(shí)拍中解放[5]，導(dǎo)演能在拍攝現(xiàn)場(chǎng)通過直觀語義指令實(shí)時(shí)調(diào)整相應(yīng)的爆炸規(guī)模、形態(tài)與風(fēng)格，實(shí)現(xiàn)從虛擬預(yù)演（PreViz）到現(xiàn)場(chǎng)即興創(chuàng)作的飛躍，極大釋放藝術(shù)想象力；安全性上，融合技術(shù)方案降低了高風(fēng)險(xiǎn)實(shí)爆、燃燒等人為操作風(fēng)險(xiǎn)與場(chǎng)地限制，將高危拍攝通過LED屏幕內(nèi)可控的視覺信號(hào)轉(zhuǎn)換為安全的無害化制作[6]；制作效率層面，AI驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)生成顛覆了傳統(tǒng)耗時(shí)的離線模擬與后期合成的流程，實(shí)現(xiàn)效果的瞬時(shí)迭代與“所見即所得”的最終畫面呈現(xiàn)，顯著壓縮制作周期、降低高昂試錯(cuò)成本。

2

LED虛擬攝制與AI背景下影視煙火特效的發(fā)展趨勢(shì)

在影視煙火特效虛擬攝制領(lǐng)域，實(shí)時(shí)渲染與物理模擬技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展呈現(xiàn)出差異化路徑。國(guó)內(nèi)技術(shù)發(fā)展以工程應(yīng)用為導(dǎo)向，普遍采用基于粒子系統(tǒng)的解決方案，通過高度優(yōu)化的圖形處理器（GPU）計(jì)算和藝術(shù)化著色器（Style Shader）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)視覺可信的煙火效果，并已成功應(yīng)用于多部影視作品的虛擬預(yù)演和LED虛擬攝制場(chǎng)景[7]。然而，在高端物理引擎、體素流體仿真等核心技術(shù)層面，我國(guó)煙火特效行業(yè)仍依賴進(jìn)口技術(shù)，自主研發(fā)能力有待加強(qiáng)。國(guó)際上則呈現(xiàn)應(yīng)用與研發(fā)雙軌并進(jìn)格局：物理精確的實(shí)時(shí)煙霧、火焰仿真與實(shí)時(shí)渲染引擎[8,9]深度集成，實(shí)現(xiàn)了《曼達(dá)洛人》等劇集作品中的高保真虛擬煙火效果[10]；學(xué)術(shù)界與相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域持續(xù)探索深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Deep Neural Network, DNN）加速物理計(jì)算、生成式人工智能（GAI）特效生成等前沿方向，在基礎(chǔ)算法層面保持領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

總體而言，當(dāng)前全球影視制作中的煙火特效控制系統(tǒng)正處于從程序化自動(dòng)化向初步智能化過渡的階段[11]。盡管虛擬攝制在處理數(shù)字環(huán)境方面表現(xiàn)出色，但得益于影視實(shí)體煙火特效（如爆炸、煙霧、火焰）無可替代的物理真實(shí)感，如真實(shí)的光照、粒子互動(dòng)和物理運(yùn)動(dòng)等效果，其在拍攝中仍占據(jù)重要地位。

當(dāng)前煙火領(lǐng)域研究存在一個(gè)關(guān)鍵空白，即尚未建立起將虛擬攝制實(shí)時(shí)預(yù)演、AI物理模擬與實(shí)體煙火控制系統(tǒng)深度集成的完整技術(shù)框架[12]。當(dāng)前技術(shù)方案多集中于單一技術(shù)領(lǐng)域：或?qū)Ｗ⒂谔摂M攝制環(huán)境的視覺渲染，或探索AI的離線特效模擬，或改進(jìn)實(shí)體煙火的自動(dòng)化控制，而缺乏將三者打通的系統(tǒng)性方案。這一空白導(dǎo)致創(chuàng)作流程出現(xiàn)斷裂：導(dǎo)演在虛擬攝制環(huán)境中看到的虛擬煙火效果無法直接、精準(zhǔn)地驅(qū)動(dòng)實(shí)體爆破設(shè)備；AI模擬的物理數(shù)據(jù)難以實(shí)時(shí)反饋至現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整；實(shí)體煙火的執(zhí)行結(jié)果不能高效地通過視覺算法捕捉并反饋至實(shí)時(shí)渲染引擎，以實(shí)現(xiàn)虛實(shí)場(chǎng)景光影和氣氛的融合匹配。因此，構(gòu)建一個(gè)集虛擬預(yù)演、智能決策與實(shí)體執(zhí)行為一體的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“所見即所得”的煙火特效全流程管理，已成為推動(dòng)影視煙火工業(yè)化升級(jí)的迫切需求。

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煙火特效與影視后期特效及LED虛擬攝制的結(jié)合

3.1 傳統(tǒng)煙火特效的原理及效果類型

從地動(dòng)山搖的爆炸到寫意的一縷青煙，傳統(tǒng)煙火特效產(chǎn)生的視覺效果源于不同化學(xué)物質(zhì)配方的受控燃燒或爆轟，所產(chǎn)生的效果大致可分為以下4個(gè)主要類別。

（1）爆炸效果，可在極短時(shí)間內(nèi)釋放大量熱量和氣體，是最具沖擊力的一類[13]，通常是基于季戊四醇四硝酸酯或黑索今等高能炸藥引發(fā)的劇烈爆轟反應(yīng)。通過控制裝藥量和封裝方式，可模擬從微型槍彈炸點(diǎn)到毀滅性沖擊波的不同當(dāng)量效果，其本質(zhì)是能量超音速釋放，產(chǎn)生破壞性的沖擊波和火球。此外，可借用火箭推進(jìn)原理，利用黑火藥等推進(jìn)劑燃燒時(shí)急速產(chǎn)生的大量氣體，將假血、泥土或其他物體拋射出去，用以模擬中彈、彈著點(diǎn)或火箭噴射。

（2）燃燒與火焰效果，多用于模擬持續(xù)的火災(zāi)場(chǎng)景，其化學(xué)基礎(chǔ)是燃料的持續(xù)氧化反應(yīng)，例如使用汽油、凝膠或特制金屬燃燒劑產(chǎn)生不同溫度和顏色的火焰，其中鎂粉燃燒能產(chǎn)生極其刺眼的白色光芒，常用于拍攝爆炸中心或白磷彈效果。

（3）煙霧效果，其化學(xué)機(jī)理是通過燃燒發(fā)煙劑產(chǎn)生大量氣溶膠，煙霧的顏色和質(zhì)地完全取決于配方——含糖物質(zhì)的不完全燃燒產(chǎn)生白色濃煙，蒽、萘等有機(jī)物產(chǎn)生黑色油煙，而特定染料加熱升華則可生成彩色的信號(hào)煙[14]。

（4）閃光、聲響和火花等輔助效果，閃光粉一般由氯酸鉀與鎂/鋁粉混合，能在瞬間釋放極致白光；而爆響藥則通過極速燃燒產(chǎn)生震耳的爆鳴聲而非沖擊波，專門用于增強(qiáng)聽覺沖擊力。

總而言之，傳統(tǒng)煙火特效就是一個(gè)微縮的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，煙火師通過精心設(shè)計(jì)化學(xué)配方和觸發(fā)時(shí)序，將枯燥的化學(xué)方程式轉(zhuǎn)化為銀幕上令人屏息的視覺奇觀，但這一切都必須建立在絕對(duì)安全的基礎(chǔ)之上。

3.2 數(shù)字特效發(fā)展以來傳統(tǒng)煙火特效的演進(jìn)改良

20世紀(jì)90年代中后期數(shù)字特效發(fā)展以來，傳統(tǒng)煙火與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（CG）方法相結(jié)合，助推了影視畫面效果的提升，不少影視作品都采用了這一方式，影片《王牌特工：特工學(xué)院》教堂場(chǎng)景是其中一個(gè)典型案例。影片劇組先在一個(gè)安全封閉的環(huán)境里，使用大量炸點(diǎn)和煙霧裝置，多機(jī)位拍攝整個(gè)爆炸序列，但沒有演員；隨后，演員科林·費(fèi)爾斯在綠幕前憑想象單獨(dú)表演打斗動(dòng)作；最后，后期團(tuán)隊(duì)花費(fèi)巨大精力，將演員摳像后合成到爆炸鏡頭中，并手動(dòng)繪制光影以匹配現(xiàn)場(chǎng)。這一方法相對(duì)安全，但流程割裂，演員表演缺乏沉浸感，后期工作量大，且成本高昂。

影片 《流浪地球》中太空?qǐng)鼍暗拇罅勘ê妥矒粜Ч麆t完全由計(jì)算機(jī)生成，演員在搭設(shè)的實(shí)體飛船場(chǎng)景或綠幕前表演。這一方法安全系數(shù)高，修改便捷，但缺乏實(shí)拍煙火的物理交互感，對(duì)光影模擬能力要求極高，且最終成本也非常驚人[15]。

3.3 LED虛擬攝制核心技術(shù)體系

3.3.1 實(shí)時(shí)渲染引擎與技術(shù)流程

在LED虛擬攝制技術(shù)體系中，實(shí)時(shí)渲染引擎與技術(shù)流程構(gòu)成了相輔相成的核心技術(shù)閉環(huán)。實(shí)時(shí)渲染引擎作為底層技術(shù)支柱，通過動(dòng)態(tài)全局光照、虛擬化幾何和物理渲染等突破性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了影視級(jí)畫質(zhì)的實(shí)時(shí)計(jì)算與輸出，為虛擬場(chǎng)景的光影真實(shí)性和視覺沉浸感提供基礎(chǔ)保障。而技術(shù)流程則作為連接藝術(shù)創(chuàng)作與技術(shù)實(shí)現(xiàn)的橋梁，通過標(biāo)準(zhǔn)化資產(chǎn)規(guī)范、性能優(yōu)化方案和可視化編程工具，將導(dǎo)演的創(chuàng)意意圖轉(zhuǎn)化為引擎可高效處理的數(shù)字化指令。二者的深度協(xié)同不僅確保了虛擬場(chǎng)景與拍攝現(xiàn)場(chǎng)的視覺統(tǒng)一，更通過模塊化場(chǎng)景構(gòu)建、實(shí)時(shí)參數(shù)調(diào)整和現(xiàn)場(chǎng)問題快速響應(yīng)機(jī)制，形成了“創(chuàng)作-驗(yàn)證-執(zhí)行”的高效閉環(huán)流程。通過精密的數(shù)據(jù)流（圖1），LED虛擬攝制實(shí)現(xiàn)了從“后期合成”向“前期實(shí)時(shí)合成”的范式轉(zhuǎn)移，從根本上改變了影視制作的傳統(tǒng)流程。

圖1　LED虛擬攝制流程圖

3.3.2 LED虛擬攝制煙火特效的實(shí)現(xiàn)方法

在影視制作中，煙火特效是實(shí)現(xiàn)震撼視覺沖擊的關(guān)鍵手段。傳統(tǒng)藍(lán)幕/綠幕與LED虛擬攝制[16,17]在實(shí)現(xiàn)煙火特效時(shí)呈現(xiàn)出截然不同的技術(shù)路徑與效果（表1）。

表1　傳統(tǒng)藍(lán)幕/綠幕與LED虛擬攝制應(yīng)用對(duì)比

當(dāng)前電影行業(yè)已有將LED虛擬攝制技術(shù)及虛擬煙火特效與傳統(tǒng)煙火特效結(jié)合的案例，如《蝙蝠俠》中企鵝人座駕場(chǎng)景。劇組在企鵝人座駕尾部安裝了真實(shí)的火箭噴射器（燃?xì)馊紵Ｅ臄z時(shí)，真實(shí)的火焰光照亮了演員和周圍環(huán)境，并與LED屏幕中顯示的哥譚市背景光自然交融，完美體現(xiàn)了虛擬攝制融合物理特效的真實(shí)光影優(yōu)勢(shì)，但其控制仍是相對(duì)傳統(tǒng)的手動(dòng)或預(yù)編程方式，未能實(shí)現(xiàn)智能聯(lián)動(dòng)。

3.4 當(dāng)前煙火技術(shù)難點(diǎn)和存在的問題

3.4.1 安全、精度與效果難以兼顧的核心矛盾

煙火特效的本質(zhì)是受控的風(fēng)險(xiǎn)藝術(shù)，其首要難點(diǎn)在于如何在確保絕對(duì)安全的前提下，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)演所要求的視覺震撼效果。高能炸藥的使用是雙刃劍，每一次引爆都是一次性且不可逆的，這對(duì)控制系統(tǒng)可靠性（如電子引爆時(shí)序）和人員判斷力提出了極限要求。藥量計(jì)算的微小偏差、爆破點(diǎn)安裝的角度誤差或起爆時(shí)序的毫秒級(jí)失誤，都可能將藝術(shù)創(chuàng)作瞬間演變?yōu)榘踩鹿省Ｒ虼耍瑹熁饚煴仨氃谖锢硪?guī)律的剛性約束下精準(zhǔn)操作，尤其在復(fù)雜的實(shí)景拍攝中（如狹窄空間、歷史建筑或森林附近），可控性與安全性間的平衡變得更為微妙。

3.4.2 與數(shù)字技術(shù)融合的“最后一公里”難題

在CG逐漸成為主流的今天，實(shí)拍煙火需與數(shù)字?jǐn)U展內(nèi)容無縫融合[18]。然而，實(shí)現(xiàn)物理世界與數(shù)字像素的光影統(tǒng)一極具挑戰(zhàn)，即實(shí)拍爆炸產(chǎn)生的光線、陰影和反射，必須與后期添加元素（如更大的火球、數(shù)字建筑崩塌）在物理屬性上完全匹配，任何細(xì)微的色彩、強(qiáng)度或角度偏差都會(huì)破壞沉浸感。這要求前期拍攝時(shí)就必須精確記錄環(huán)境光照信息，并為后期制作預(yù)留足夠的整合空間，對(duì)跨部門的前期規(guī)劃與協(xié)作提出了極高要求。

3.5 數(shù)字特效相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.5.1 AI在特效模擬中的應(yīng)用

AI技術(shù)的探索應(yīng)用正深度重塑煙火特效模擬的創(chuàng)作范式，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式將這一過程從“手工雕刻”推向“智能控制”，讓電影生產(chǎn)流程不斷創(chuàng)新優(yōu)化。其核心應(yīng)用體現(xiàn)在三個(gè)層面。首先，AI模型通過學(xué)習(xí)海量真實(shí)爆炸的影像數(shù)據(jù)，快速生成具有物理合理性的基礎(chǔ)火焰、煙霧形態(tài)，極大降低了特效藝術(shù)家的初始制作門檻，實(shí)現(xiàn)想法的即時(shí)可視化。其次，AI賦能的高效控制使動(dòng)態(tài)模擬更加智能，可通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)（Reinforcement Learning, RL）自主優(yōu)化粒子系統(tǒng)的參數(shù)組合并自動(dòng)匹配導(dǎo)演所需的藝術(shù)風(fēng)格，之后通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)復(fù)雜場(chǎng)景中煙火與虛擬環(huán)境（如建筑、植被）的交互結(jié)果，自動(dòng)生成逼真的遮擋、反射等次級(jí)效果。在需要多鏡頭呈現(xiàn)的爆炸場(chǎng)景中，AI能分析首鏡的物理參數(shù)（如風(fēng)速、炸藥量），并據(jù)此自動(dòng)生成后續(xù)鏡頭中保持物理邏輯一致的煙火演變，避免出現(xiàn)違背規(guī)律的穿幫。此外，在最終合成環(huán)節(jié)，基于生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（Generative Adversarial Network, GAN）的渲染器可智能匹配實(shí)拍素材的光照與色調(diào)，使煙火與實(shí)景演員的光影互動(dòng)天衣無縫。盡管當(dāng)前AI尚難完全替代藝術(shù)家對(duì)爆炸的審美判斷，但其作為強(qiáng)大的協(xié)同工具，正將人力從重復(fù)性勞動(dòng)中解放，聚焦于更高層級(jí)的藝術(shù)創(chuàng)造，從而在安全、效率與真實(shí)性之間建立起新的平衡。

3.5.2 實(shí)時(shí)預(yù)渲染技術(shù)與物理特效的結(jié)合

實(shí)時(shí)預(yù)渲染技術(shù)與物理特效的結(jié)合正向高度智能化演進(jìn)，其核心趨勢(shì)是從可視化工具升級(jí)為具有預(yù)測(cè)與決策能力的協(xié)同創(chuàng)制系統(tǒng)。借助AI與物理引擎的深度融合，煙火系統(tǒng)可在呈現(xiàn)爆炸效果外觀的同時(shí)，通過算法預(yù)測(cè)爆炸的物理行為，例如自動(dòng)計(jì)算不同當(dāng)量炸藥產(chǎn)生的沖擊波對(duì)周圍虛擬道具的破壞路徑，或模擬真實(shí)風(fēng)速對(duì)煙霧擴(kuò)散形態(tài)的影響，從而為特效師提供最優(yōu)的爆破參數(shù)與安全邊界建議。AI的介入則進(jìn)一步降低了創(chuàng)意門檻，允許導(dǎo)演通過自然語言描述快速生成多種預(yù)演方案，如“需要一場(chǎng)帶有暗紅色火星的二次爆炸”，大幅加速創(chuàng)作迭代。

此外更深層的智能化體現(xiàn)在虛實(shí)聯(lián)動(dòng)的閉環(huán)控制上：在虛擬攝制現(xiàn)場(chǎng)，LED屏幕渲染的爆炸光影可實(shí)時(shí)觸發(fā)實(shí)體機(jī)械裝置釋放同步的物理煙霧，而傳感器捕捉的真實(shí)氣流數(shù)據(jù)又可驅(qū)動(dòng)數(shù)字煙霧的動(dòng)態(tài)演變，形成虛實(shí)交融的動(dòng)態(tài)交互。以2022年北京冬奧會(huì)開幕式的煙火表演為例[19]，其智能化協(xié)同較好詮釋了這種虛實(shí)聯(lián)動(dòng)的閉環(huán)控制。在創(chuàng)意階段，團(tuán)隊(duì)通過數(shù)字孿生（Digital Twin）技術(shù)模擬每一組煙火在特定時(shí)間碼下的空間坐標(biāo)、色彩層次與物理燃燒參數(shù)，比如象征“一起向未來”的煙火簇在第 90 秒以精準(zhǔn)仰角綻放，其顆粒密度、燃燒時(shí)長(zhǎng)等數(shù)據(jù)都已在前期經(jīng)過精細(xì)建模；預(yù)演階段，這些數(shù)據(jù)無縫對(duì)接至現(xiàn)場(chǎng)煙火控制系統(tǒng)，實(shí)體煙火裝置依據(jù)數(shù)字模型完成機(jī)械調(diào)試與程序預(yù)設(shè)；實(shí)際燃放時(shí)，傳感器實(shí)時(shí)捕捉現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)向、風(fēng)速等空氣流動(dòng)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)數(shù)字煙霧的動(dòng)態(tài)演變，讓虛擬預(yù)演中的煙火軌跡與實(shí)際燃放因環(huán)境變量產(chǎn)生的細(xì)微偏差被即時(shí)修正，實(shí)現(xiàn)數(shù)字世界與物理世界的實(shí)時(shí)交互。這種智能化協(xié)同使物理特效從孤立的現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行轉(zhuǎn)變?yōu)槿鞒虜?shù)據(jù)貫通的精準(zhǔn)操作，預(yù)演階段確定的每一個(gè)時(shí)間碼、空間坐標(biāo)與物理參數(shù)，都可無縫對(duì)接至現(xiàn)場(chǎng)引爆控制系統(tǒng)與后期合成環(huán)節(jié)，構(gòu)建出從創(chuàng)意到成片的數(shù)字孿生工作流，最終在保障絕對(duì)安全的前提下，實(shí)現(xiàn)物理真實(shí)感與藝術(shù)表現(xiàn)力的極致統(tǒng)一。2022年北京冬奧會(huì)開幕式煙火表演借助這一模式，既確保了每一次綻放都與創(chuàng)意設(shè)計(jì)分毫不差，又因?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)交互讓煙火在冬奧夜空呈現(xiàn)出渾然天成的藝術(shù)效果，成為虛實(shí)智能協(xié)同在大型活動(dòng)煙火特效領(lǐng)域的經(jīng)典案例。

4

融合LED虛擬攝制與AI技術(shù)的智能煙火控制框架設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用分層解耦的設(shè)計(jì)理念，提出一個(gè)由呈現(xiàn)層、智能決策層（AI層）和物理執(zhí)行層（硬件層） 構(gòu)成的三層架構(gòu)（圖2）。該架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了藝術(shù)創(chuàng)意從虛擬構(gòu)想至物理執(zhí)行端的智能化閉環(huán)控制，兼顧了創(chuàng)作的靈活性、效果的精準(zhǔn)性以及運(yùn)行的安全性[20]。

圖2　系統(tǒng)三層架構(gòu)圖

4.1.1 呈現(xiàn)層

作為特效導(dǎo)演與該系統(tǒng)的交互門戶，呈現(xiàn)層部署于高性能實(shí)時(shí)渲染引擎中。其主要任務(wù)包括2個(gè)：

（1）構(gòu)建高保真度的虛擬演出場(chǎng)景，包括舞臺(tái)、人物、環(huán)境等。根據(jù)劇本邏輯或?qū)а輰?shí)時(shí)指令，預(yù)演和呈現(xiàn)逼真的數(shù)字化煙火特效模擬。

（2）生成并向智能決策層（AI層）發(fā)送包含目標(biāo)煙火效果描述的控制指令（引擎事件），如類型、強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、空間位置。

4.1.2 智能決策層 （AI層）

智能決策層為本系統(tǒng)的核心大腦，其接收來自呈現(xiàn)層的抽象指令，并賦予其智能和安全性，主要職責(zé)包括4項(xiàng)：

（1）運(yùn)行先進(jìn)的AI模型（如深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型），將藝術(shù)效果描述、解析并匹配為具體的可執(zhí)行的煙火參數(shù)；

（2）進(jìn)行時(shí)序預(yù)測(cè)與動(dòng)態(tài)優(yōu)化，確保多個(gè)煙火點(diǎn)之間的協(xié)同與視覺最佳匹配；

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)控安全數(shù)據(jù)，在潛在風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生前介入決策，確保系統(tǒng)安全；

（4）最終生成可靠的、低延遲的數(shù)字控制信號(hào)。

4.1.3 物理執(zhí)行層 （硬件層）

該層負(fù)責(zé)將數(shù)字世界的指令轉(zhuǎn)化為物理世界的現(xiàn)象，具體而言：

（1）通過標(biāo)準(zhǔn)接口或?qū)Ｓ媒涌诳煽拷邮諄碜訟I層的控制信號(hào)；

（2）驅(qū)動(dòng)實(shí)體煙火裝置（如電子點(diǎn)火器、冷煙花機(jī)、爆炸裝置、噴火器、噴煙裝置）執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，精確產(chǎn)生預(yù)期的煙火效果。

4.2 關(guān)鍵模塊詳解

4.2.1 虛擬畫面生成模塊

本模塊是呈現(xiàn)層的核心，旨在解決傳統(tǒng)煙火編排中“所見并非所得”的難題，主要完成4項(xiàng)功能。

（1）高保真視覺預(yù)演： 基于物理的渲染技術(shù)和高精度粒子系統(tǒng)，在實(shí)時(shí)渲染引擎中構(gòu)建與物理屬性（如火藥量、風(fēng)速、濕度）聯(lián)動(dòng)的煙火動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)煙火效果的高度逼真模擬，為導(dǎo)演提供準(zhǔn)確的視覺參考。

（2）時(shí)空同步機(jī)制：建立統(tǒng)一的全局時(shí)鐘源，確保虛擬預(yù)演與物理執(zhí)行嚴(yán)格同步。

（3）空間同步：虛擬場(chǎng)景中的煙火發(fā)射點(diǎn)位置與拍攝點(diǎn)上的裝置位置進(jìn)行一對(duì)一標(biāo)定與映射。

（4）時(shí)間同步： AI層在發(fā)出執(zhí)行指令的同時(shí)，向呈現(xiàn)層發(fā)送一個(gè)時(shí)間戳信號(hào)，觸發(fā)實(shí)時(shí)渲染引擎中的特效播放，確保視聽效果的“聲畫同步”和“虛實(shí)同步”。

4.2.2 AI智能控制核心模塊

（1）效果匹配AI子模塊

該子模塊是經(jīng)過訓(xùn)練的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。其通過學(xué)習(xí)海量的歷史煙火數(shù)據(jù)（視頻與對(duì)應(yīng)控制參數(shù)數(shù)據(jù)集），建立起從“藝術(shù)效果描述”或“參考視頻片段”到“精確控制參數(shù)序列”的映射關(guān)系。導(dǎo)演可通過文本描述或選擇預(yù)設(shè)效果包來驅(qū)動(dòng)此模塊，之后由AI推薦或直接生成最優(yōu)的裝置控制參數(shù)。

（2）時(shí)序預(yù)測(cè)與優(yōu)化子模塊

本模塊利用時(shí)序預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)當(dāng)前指令下的視覺狀態(tài)。基于預(yù)測(cè)結(jié)果，采用優(yōu)化算法動(dòng)態(tài)微調(diào)不同裝置的點(diǎn)火時(shí)序和持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，以補(bǔ)償環(huán)境干擾（如風(fēng)）或裝置響應(yīng)延遲，實(shí)現(xiàn)多爆炸點(diǎn)間的完美協(xié)同，達(dá)到特效導(dǎo)演預(yù)期的最佳視覺匹配效果。

（3）安全監(jiān)控子模塊

該模塊是一個(gè)實(shí)時(shí)運(yùn)行的輕量化AI模型（如異常檢測(cè)算法）。其可持續(xù)接收來自硬件層的傳感器反饋數(shù)據(jù)。通過分析這些數(shù)據(jù)流，AI能實(shí)時(shí)判斷系統(tǒng)是否處于安全運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)潛在風(fēng)險(xiǎn)，并立即采取預(yù)定義策略（如暫停執(zhí)行、啟動(dòng)消防預(yù)案、通知技術(shù)人員）進(jìn)行規(guī)避，構(gòu)成系統(tǒng)不可或缺的安全冗余。

4.2.3 硬件接口與通信模塊

本模塊是連接數(shù)字世界與物理世界的“橋梁”，負(fù)責(zé)協(xié)議的轉(zhuǎn)換與信號(hào)的可靠傳輸。

該模塊接收AI智能控制核心生成的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字指令（通常是內(nèi)部數(shù)據(jù)），其核心是一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器或信號(hào)網(wǎng)關(guān)。同時(shí)，該模塊也負(fù)責(zé)接收硬件層傳感器上傳的數(shù)據(jù)，進(jìn)行初步解析和格式化后，提供給安全監(jiān)控子模塊使用。

該模塊有高可靠性、低傳輸延遲、兼容性和擴(kuò)展性良好的優(yōu)點(diǎn)，可支持多種煙火裝置。

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LED虛擬攝制背景下煙火技術(shù)的應(yīng)用

5.1 應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)

為說明LED虛擬攝制背景下煙火技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，本文設(shè)置了3個(gè)場(chǎng)景，并對(duì)場(chǎng)景的煙火進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。

（1）場(chǎng)景1：實(shí)時(shí)同步爆炸

情景：演員在LED虛擬影棚中表演，背景是虛擬的戰(zhàn)壕和戰(zhàn)場(chǎng)；一架虛擬敵機(jī)俯沖而下，投下一枚虛擬炸彈。系統(tǒng)設(shè)計(jì)后的流程如圖3所示。

圖3　實(shí)時(shí)同步爆炸流程圖

使用智能煙火控制框架后，攝制過程無需后期合成，可實(shí)現(xiàn)“所見即所得”，演員表演更真實(shí)，效率更高。

（2）場(chǎng)景2：復(fù)雜煙火序列

情景：拍攝一場(chǎng)虛擬世界的盛大慶典，需要一場(chǎng)與交響樂同步的煙花秀。系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4　復(fù)雜煙火序列流程圖

使用智能煙火控制系統(tǒng)后，可將復(fù)雜的藝術(shù)編排工作自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)了人類較難實(shí)現(xiàn)的精準(zhǔn)與復(fù)雜工序。

（3）場(chǎng)景3：安全增強(qiáng)應(yīng)用

情景：拍攝一場(chǎng)室內(nèi)火災(zāi)戲，演員需從燃?xì)饣鸺芘耘苓^。流程如圖5。

圖5　安全增強(qiáng)應(yīng)用流程圖

使用智能煙火控制框架后，攝制過程可將安全控制從靜態(tài)的、被動(dòng)的“圍欄”，升級(jí)為動(dòng)態(tài)、主動(dòng)的“力場(chǎng)”，極大拓展了拍攝的可能性，提升了拍攝安全性。

5.2 效能評(píng)估與分析

5.2.1 藝術(shù)效果評(píng)估

新方法實(shí)現(xiàn)了虛擬效果與物理效果的像素級(jí)時(shí)空同步，解決了傳統(tǒng)后期合成中最顯著的“穿幫”問題。AI預(yù)測(cè)和匹配能力確保了實(shí)體效果最大限度地逼近藝術(shù)意圖。同時(shí)，演員在真實(shí)光影和物理刺激下的表演，其真實(shí)感遠(yuǎn)超藍(lán)幕/綠幕前的表演，最終提升了整部作品的藝術(shù)感染力。

5.2.2 效率與成本評(píng)估

拍攝前的籌備期，導(dǎo)演可在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行無限次、零成本的排練，精確調(diào)試效果，極大減少了實(shí)拍試錯(cuò)次數(shù)；在實(shí)拍過程中，修改方案僅需在軟件中調(diào)整參數(shù)，無需重新布置物理裝置，節(jié)省了大量時(shí)間和耗材成本；在后期制作環(huán)節(jié)，由于大部分合成已在前期完成，后期工作量大幅減少，主要集中于潤(rùn)色而非復(fù)雜合成，有效縮短了項(xiàng)目周期。

5.2.3 安全性評(píng)估

智能煙火控制框架在安全性方面可起到事故預(yù)防的作用。AI的預(yù)測(cè)性安全監(jiān)控可將絕大多數(shù)事故隱患抑制于萌芽狀態(tài)，從源頭上杜絕重大安全事故的發(fā)生。

除此之外，智能煙火控制框架可更好地進(jìn)行事故溯源和責(zé)任界定：全流程的數(shù)據(jù)記錄為事故調(diào)查提供了無可辯駁的數(shù)據(jù)依據(jù)，可清晰界定是人為操作失誤還是設(shè)備故障。

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應(yīng)用挑戰(zhàn)、局限性與未來展望

盡管智能煙火控制系統(tǒng)展現(xiàn)出巨大潛力，但其從概念驗(yàn)證走向大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，仍面臨一系列挑戰(zhàn)。

6.1 當(dāng)前面臨的技術(shù)與工程挑戰(zhàn)

6.1.1 模擬與現(xiàn)實(shí)存在差距

煙火物理模擬雖已取得長(zhǎng)足進(jìn)步，但與真實(shí)世界的物理現(xiàn)象仍存在“最后一公里”的差距。基于煙霧湍流、爆炸碎片隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的高保真流體動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算成本極高，難以在保證實(shí)時(shí)幀率的前提下完美復(fù)現(xiàn)。這種差距可能導(dǎo)致虛擬預(yù)演與最終物理效果間存在細(xì)微偏差，影響導(dǎo)演決策的絕對(duì)可靠性。縮小這一差距依賴于算力的進(jìn)一步提升和更高效的近似算法。

6.1.2 系統(tǒng)延遲與實(shí)時(shí)性要求

該系統(tǒng)對(duì)延遲極其敏感，必須滿足嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性要求。從導(dǎo)演指令發(fā)出，到AI計(jì)算并輸出控制信號(hào)，最終至煙火硬件執(zhí)行，整個(gè)鏈路的延遲必須穩(wěn)定在一定的時(shí)間內(nèi)。任何環(huán)節(jié)的延遲累積都可能導(dǎo)致虛擬畫面與物理爆炸間出現(xiàn)可察覺的不同步，從而破壞沉浸感，甚至引發(fā)安全問題。優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)、采用高性能網(wǎng)絡(luò)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是應(yīng)對(duì)此挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。

6.1.3 AI模型訓(xùn)練的數(shù)據(jù)獲取與成本

AI子模塊（尤其是效果匹配和時(shí)序預(yù)測(cè)模型）的性能高度依賴于大量高質(zhì)量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。當(dāng)前獲取此類數(shù)據(jù)的成本仍然高昂，不僅需記錄各種煙火效果在不同環(huán)境下的控制參數(shù)與執(zhí)行結(jié)果，還需配套多角度的視頻、音頻及傳感器數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)標(biāo)注還需煙火領(lǐng)域?qū)＜覅⑴c，進(jìn)一步增加了溝通周期和經(jīng)濟(jì)成本。數(shù)據(jù)集的稀缺與質(zhì)量不均是目前制約AI模型泛化能力和精度的主要瓶頸。

6.1.4 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議的缺失

目前，LED虛擬攝制、AI工具與煙火硬件設(shè)備間缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議。不同廠商的硬件使用自定義的控制協(xié)議，實(shí)時(shí)渲染引擎與AI平臺(tái)間的數(shù)據(jù)接口也各不相同。這一狀態(tài)導(dǎo)致系統(tǒng)集成工作異常艱難，需大量的定制化開發(fā)工作，阻礙了技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化推廣和互操作性，增加了部署和維護(hù)成本。

6.2 未來發(fā)展方向

6.2.1 AI煙火的發(fā)展前景

AI技術(shù)可能會(huì)是一個(gè)打開電影人們想象力的法寶，未來的AI將不僅限于控制已知的煙火效果，而是邁向生成式設(shè)計(jì)[21]。通過生成式AI和強(qiáng)化學(xué)習(xí)，AI可以學(xué)習(xí)藝術(shù)美學(xué)原則，自主構(gòu)思并設(shè)計(jì)出前所未有的、符合導(dǎo)演意圖的新型煙火效果序列，極大拓展藝術(shù)的表達(dá)邊界，成為真正的創(chuàng)意合作伙伴。

6.2.2 與更多制片環(huán)節(jié)的深度融合

智能煙火控制系統(tǒng)將不再是一個(gè)信息孤島，而是與LED虛擬攝制流程深度耦合的一環(huán)。例如，由AI驅(qū)動(dòng)或動(dòng)作捕捉的虛擬角色的技能可實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地觸發(fā)實(shí)體煙火效果；攝影機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡可被AI用于計(jì)算爆炸碎片的最佳噴射方向，以實(shí)現(xiàn)最具沖擊力的構(gòu)圖[22]。

6.2.3 賦能前期設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行

在前期可視化階段，AI可通過快速模擬和迭代，幫助導(dǎo)演和煙火設(shè)計(jì)師預(yù)覽不同方案的最終銀幕效果[23]，優(yōu)化節(jié)奏和畫面構(gòu)圖。在現(xiàn)場(chǎng)，這些預(yù)先訓(xùn)練好的模型能確保設(shè)計(jì)意圖被最精準(zhǔn)、最震撼地執(zhí)行出來，實(shí)現(xiàn)從預(yù)演到實(shí)拍的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。

6.2.4 革命性提升后期制作效率

在后期階段，項(xiàng)目中訓(xùn)練的AI模型和大數(shù)據(jù)將成為寶貴的資產(chǎn)。AI可對(duì)實(shí)拍煙火畫面進(jìn)行圖像超分辨率（Image Super Resolution）處理、細(xì)節(jié)增強(qiáng)或與計(jì)算機(jī)生成元素的光影融合，從而實(shí)現(xiàn)效果的增強(qiáng)；可根據(jù)前期數(shù)據(jù)，快速生成匹配的煙火元素以補(bǔ)充實(shí)拍效果的不足。這將極大減輕后期團(tuán)隊(duì)的工作負(fù)擔(dān)，提高特效鏡頭的制作效率與質(zhì)量。

7

結(jié)語

本研究系統(tǒng)探討了LED虛擬攝制與AI技術(shù)在煙火特效控制領(lǐng)域融合應(yīng)用的可行性、框架與價(jià)值，研究表明，構(gòu)建一個(gè)“虛擬預(yù)演-AI決策-物理執(zhí)行”的智能控制閉環(huán)在技術(shù)路徑上是完全可行的，盡管在實(shí)時(shí)性、模擬精度和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面仍面臨挑戰(zhàn)，但這一方向代表了影視制作技術(shù)向著更加智能化、集成化和安全化發(fā)展的必然趨勢(shì)，是對(duì)傳統(tǒng)影視煙火工藝的一次革命性升級(jí)。

該融合模式對(duì)現(xiàn)階段影視技術(shù)發(fā)展具有明確的方向性指引作用，清晰表明影視制作正從依賴單一技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累的手工作坊模式，邁向以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流為驅(qū)動(dòng)、智能化決策為核心、虛實(shí)深度融合為特征的工業(yè)化新范式。

面向未來，影視煙火技術(shù)的演進(jìn)將聚焦于三個(gè)層面目標(biāo)：在技術(shù)層面，應(yīng)持續(xù)攻堅(jiān)，致力于縮小模擬與現(xiàn)實(shí)的差距、攻克實(shí)時(shí)性瓶頸、構(gòu)建高質(zhì)量行業(yè)數(shù)據(jù)集，并推動(dòng)建立開放、統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議；在安全與倫理層面，應(yīng)建立涵蓋技術(shù)驗(yàn)證、責(zé)任界定、操作規(guī)范在內(nèi)的完整倫理與安全框架，確保技術(shù)創(chuàng)新在負(fù)責(zé)任的軌道上發(fā)展；在藝術(shù)層面，影視煙火特效的智能化最終目標(biāo)是解放創(chuàng)造力，通過智能化手段將藝術(shù)家從繁瑣的技術(shù)細(xì)節(jié)和安全擔(dān)憂中解脫出來，使其能更專注于藝術(shù)本身，最終創(chuàng)作出更具震撼力、感染力和想象力的作品。

綜上所述，LED虛擬攝制與AI驅(qū)動(dòng)的智能化影視煙火控制不僅是一個(gè)技術(shù)解決方案，更是推動(dòng)影視煙火乃至整個(gè)影視工業(yè)向更安全、更高效、更有創(chuàng)意方向前進(jìn)的重要引擎之一，其發(fā)展必將為觀眾帶來前所未有的沉浸式觀影體驗(yàn)，并重新定義影視煙火創(chuàng)作的邊界。

參考文獻(xiàn)

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