《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

專家點評

陳軍

研究員

北京電影學(xué)院智能影像工程學(xué)院院長

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?！禠ED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踐指導(dǎo)價值。該研究緊跟新技術(shù)發(fā)展演進趨勢，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)有機融合，實現(xiàn)虛實聯(lián)動和智能控制，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)，并對關(guān)鍵模塊如虛擬畫面生成、AI智能控制、硬件接口等進行了功能設(shè)計，輔以流程圖與場景化應(yīng)用說明，構(gòu)建了一套較為完整且具有可實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“虛實融合、智能驅(qū)動”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。

作者簡介

李瑞海

八一電影制片廠副廠長，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隊長，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，為影視煙火特效控制領(lǐng)域帶來了前所未有的機遇。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)，是對傳統(tǒng)影視煙火工藝的革命性升級，具有廣泛的發(fā)展與應(yīng)用價值。

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)動力與顯著特征在于從依賴后期合成的傳統(tǒng)藍幕/綠幕攝制流程，轉(zhuǎn)向以 LED屏幕為物理載體、以實時渲染引擎為處理核心的現(xiàn)場制作模式[1]。其中實時渲染引擎已從輔助性的可視化工具躍升為整個創(chuàng)作流程的核心[2]，其不僅是驅(qū)動LED屏幕呈現(xiàn)逼真動態(tài)場景的圖像生成器，更能通過同步攝影機追蹤數(shù)據(jù)，實時計算并渲染符合透視關(guān)系的正確畫面，從而實現(xiàn)攝影機內(nèi)視效[3]。

在電影攝制這一范式革新進程中，傳統(tǒng)煙火特效的物理實體屬性存在明顯局限性與挑戰(zhàn)，其不僅存在安全風(fēng)險，“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、推動煙火特效革新提供了新契機，成為具有重要應(yīng)用價值的研究方向。

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拍中解放[5]，導(dǎo)演能在拍攝現(xiàn)場通過直觀語義指令實時調(diào)整相應(yīng)的爆炸規(guī)模、形態(tài)與風(fēng)格，實現(xiàn)從虛擬預(yù)演（PreViz）到現(xiàn)場即興創(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)險實爆、燃燒等人為操作風(fēng)險與場地限制，將高危拍攝通過LED屏幕內(nèi)可控的視覺信號轉(zhuǎn)換為安全的無害化制作[6]；制作效率層面，AI驅(qū)動的實時生成顛覆了傳統(tǒng)耗時的離線模擬與后期合成的流程，實現(xiàn)效果的瞬時迭代與“所見即所得”的最終畫面呈現(xiàn)，顯著壓縮制作周期、降低高昂試錯成本。

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LED虛擬攝制與AI背景下影視煙火特效的發(fā)展趨勢

在影視煙火特效虛擬攝制領(lǐng)域，實時渲染與物理模擬技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展呈現(xiàn)出差異化路徑。國內(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）計算和藝術(shù)化著色器（Style Shader）技術(shù)，實現(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，我國煙火特效行業(yè)仍依賴進口技術(shù)，自主研發(fā)能力有待加強。國際上則呈現(xiàn)應(yīng)用與研發(fā)雙軌并進格局：物理精確的實時煙霧、火焰仿真與實時渲染引擎[8,9]深度集成，實現(xiàn)了《曼達洛人》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。

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，但得益于影視實體煙火特效（如爆炸、煙霧、火焰）無可替代的物理真實感，如真實的光照、粒子互動和物理運動等效果，其在拍攝中仍占據(jù)重要地位。

當(dāng)前煙火領(lǐng)域研究存在一個關(guān)鍵空白，即尚未建立起將虛擬攝制實時預(yù)演、AI物理模擬與實體煙火控制系統(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，或改進實體煙火的自動化控制，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)動實體爆破設(shè)備；AI模擬的物理數(shù)據(jù)難以實時反饋至現(xiàn)場控制系統(tǒng)進行自適應(yīng)調(diào)整；實體煙火的執(zhí)行結(jié)果不能高效地通過視覺算法捕捉并反饋至實時渲染引擎，以實現(xiàn)虛實場景光影和氣氛的融合匹配。因此，構(gòu)建一個集虛擬預(yù)演、智能決策與實體執(zhí)行為一體的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)“所見即所得”的煙火特效全流程管理，已成為推動影視煙火工業(yè)化升級的迫切需求。

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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個主要類別。

（1）爆炸效果，可在極短時間內(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，可借用火箭推進原理，利用黑火藥等推進劑燃燒時急速產(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，專門用于增強聽覺沖擊力。

總而言之，傳統(tǒng)煙火特效就是一個微縮的化學(xué)實驗室，煙火師通過精心設(shè)計化學(xué)配方和觸發(fā)時序，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)煙火與計算機圖形學(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》教堂場景是其中一個典型案例。影片劇組先在一個安全封閉的環(huán)境里，使用大量炸點和煙霧裝置，多機位拍攝整個爆炸序列，但沒有演員；隨后，演員科林·費爾斯在綠幕前憑想象單獨表演打斗動作；最后，后期團隊花費巨大精力，將演員摳像后合成到爆炸鏡頭中，并手動繪制光影以匹配現(xiàn)場。這一方法相對安全，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》中太空場景的大量爆炸和撞擊效果則完全由計算機生成，演員在搭設(shè)的實體飛船場景或綠幕前表演。這一方法安全系數(shù)高，修改便捷，但缺乏實拍煙火的物理交互感，對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 實時渲染引擎與技術(shù)流程

在LED虛擬攝制技術(shù)體系中，實時渲染引擎與技術(shù)流程構(gòu)成了相輔相成的核心技術(shù)閉環(huán)。實時渲染引擎作為底層技術(shù)支柱，通過動態(tài)全局光照、虛擬化幾何和物理渲染等突破性技術(shù)，實現(xiàn)了影視級畫質(zhì)的實時計算與輸出，為虛擬場景的光影真實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景與拍攝現(xiàn)場的視覺統(tǒng)一，更通過模塊化場景構(gòu)建、實時參數(shù)調(diào)整和現(xiàn)場問題快速響應(yīng)機制，形成了“創(chuàng)作-驗證-執(zhí)行”的高效閉環(huán)流程。通過精密的數(shù)據(jù)流（圖1），LED虛擬攝制實現(xiàn)了從“后期合成”向“前期實時合成”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現(xiàn)方法

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

表1　傳統(tǒng)藍幕/綠幕與LED虛擬攝制應(yīng)用對比

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》中企鵝人座駕場景。劇組在企鵝人座駕尾部安裝了真實的火箭噴射器（燃氣燃燒）。拍攝時，真實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光影優(yōu)勢，但其控制仍是相對傳統(tǒng)的手動或預(yù)編程方式，未能實現(xiàn)智能聯(lián)動。

3.4 當(dāng)前煙火技術(shù)難點和存在的問題

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)險藝術(shù)，其首要難點在于如何在確保絕對安全的前提下，實現(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，這對控制系統(tǒng)可靠性（如電子引爆時序）和人員判斷力提出了極限要求。藥量計算的微小偏差、爆破點安裝的角度誤差或起爆時序的毫秒級失誤，都可能將藝術(shù)創(chuàng)作瞬間演變?yōu)榘踩鹿?。因此，煙火師必須在物理?guī)律的剛性約束下精準(zhǔn)操作，尤其在復(fù)雜的實景拍攝中（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，實拍煙火需與數(shù)字?jǐn)U展內(nèi)容無縫融合[18]。然而，實現(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，任何細微的色彩、強度或角度偏差都會破壞沉浸感。這要求前期拍攝時就必須精確記錄環(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

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)在三個層面。首先，AI模型通過學(xué)習(xí)海量真實爆炸的影像數(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，實現(xiàn)想法的即時可視化。其次，AI賦能的高效控制使動態(tài)模擬更加智能，可通過強化學(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)測復(fù)雜場景中煙火與虛擬環(huán)境（如建筑、植被）的交互結(jié)果，自動生成逼真的遮擋、反射等次級效果。在需要多鏡頭呈現(xiàn)的爆炸場景中，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)，基于生成式對抗網(wǎng)絡(luò)（Generative Adversarial Network, GAN）的渲染器可智能匹配實拍素材的光照與色調(diào)，使煙火與實景演員的光影互動天衣無縫。盡管當(dāng)前AI尚難完全替代藝術(shù)家對爆炸的審美判斷，但其作為強大的協(xié)同工具，正將人力從重復(fù)性勞動中解放，聚焦于更高層級的藝術(shù)創(chuàng)造，從而在安全、效率與真實性之間建立起新的平衡。

3.5.2 實時預(yù)渲染技術(shù)與物理特效的結(jié)合

實時預(yù)渲染技術(shù)與物理特效的結(jié)合正向高度智能化演進，其核心趨勢是從可視化工具升級為具有預(yù)測與決策能力的協(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，通過算法預(yù)測爆炸的物理行為，例如自動計算不同當(dāng)量炸藥產(chǎn)生的沖擊波對周圍虛擬道具的破壞路徑，或模擬真實風(fēng)速對煙霧擴散形態(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)在虛實聯(lián)動的閉環(huán)控制上：在虛擬攝制現(xiàn)場，LED屏幕渲染的爆炸光影可實時觸發(fā)實體機械裝置釋放同步的物理煙霧，而傳感器捕捉的真實氣流數(shù)據(jù)又可驅(qū)動數(shù)字煙霧的動態(tài)演變，形成虛實交融的動態(tài)交互。以2022年北京冬奧會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聯(lián)動的閉環(huán)控制。在創(chuàng)意階段，團隊通過數(shù)字孿生（Digital Twin）技術(shù)模擬每一組煙火在特定時間碼下的空間坐標(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、燃燒時長等數(shù)據(jù)都已在前期經(jīng)過精細建模；預(yù)演階段，這些數(shù)據(jù)無縫對接至現(xiàn)場煙火控制系統(tǒng)，實體煙火裝置依據(jù)數(shù)字模型完成機械調(diào)試與程序預(yù)設(shè)；實際燃放時，傳感器實時捕捉現(xiàn)場風(fēng)向、風(fēng)速等空氣流動數(shù)據(jù)，驅(qū)動數(shù)字煙霧的動態(tài)演變，讓虛擬預(yù)演中的煙火軌跡與實際燃放因環(huán)境變量產(chǎn)生的細微偏差被即時修正，實現(xiàn)數(shù)字世界與物理世界的實時交互。這種智能化協(xié)同使物理特效從孤立的現(xiàn)場執(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時間碼、空間坐標(biāo)與物理參數(shù)，都可無縫對接至現(xiàn)場引爆控制系統(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，最終在保障絕對安全的前提下，實現(xiàn)物理真實感與藝術(shù)表現(xiàn)力的極致統(tǒng)一。2022年北京冬奧會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)計分毫不差，又因?qū)崟r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，成為虛實智能協(xié)同在大型活動煙火特效領(lǐng)域的經(jīng)典案例。

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融合LED虛擬攝制與AI技術(shù)的智能煙火控制框架設(shè)計

4.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)采用分層解耦的設(shè)計理念，提出一個由呈現(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)層部署于高性能實時渲染引擎中。其主要任務(wù)包括2個：

（1）構(gòu)建高保真度的虛擬演出場景，包括舞臺、人物、環(huán)境等。根據(jù)劇本邏輯或?qū)а輰崟r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、強度、持續(xù)時間、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：

（1）運行先進的AI模型（如深度學(xué)習(xí)、強化學(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）進行時序預(yù)測與動態(tài)優(yōu)化，確保多個煙火點之間的協(xié)同與視覺最佳匹配；

（3）實時監(jiān)控安全數(shù)據(jù)，在潛在風(fēng)險發(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。

4.1.3 物理執(zhí)行層 （硬件層）

該層負責(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；

（2）驅(qū)動實體煙火裝置（如電子點火器、冷煙花機、爆炸裝置、噴火器、噴煙裝置）執(zhí)行相應(yīng)動作，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)，在實時渲染引擎中構(gòu)建與物理屬性（如火藥量、風(fēng)速、濕度）聯(lián)動的煙火動力學(xué)模型，實現(xiàn)對真實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）時空同步機制：建立統(tǒng)一的全局時鐘源，確保虛擬預(yù)演與物理執(zhí)行嚴(yán)格同步。

（3）空間同步：虛擬場景中的煙火發(fā)射點位置與拍攝點上的裝置位置進行一對一標(biāo)定與映射。

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

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）時序預(yù)測與優(yōu)化子模塊

本模塊利用時序預(yù)測模型，預(yù)測當(dāng)前指令下的視覺狀態(tài)?；陬A(yù)測結(jié)果，采用優(yōu)化算法動態(tài)微調(diào)不同裝置的點火時序和持續(xù)時長，以補償環(huán)境干擾（如風(fēng)）或裝置響應(yīng)延遲，實現(xiàn)多爆炸點間的完美協(xié)同，達到特效導(dǎo)演預(yù)期的最佳視覺匹配效果。

（3）安全監(jiān)控子模塊

該模塊是一個實時運行的輕量化AI模型（如異常檢測算法）。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能實時判斷系統(tǒng)是否處于安全運行狀態(tài)，預(yù)測潛在風(fēng)險，并立即采取預(yù)定義策略（如暫停執(zhí)行、啟動消防預(yù)案、通知技術(shù)人員）進行規(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”，負責(zé)協(xié)議的轉(zhuǎn)換與信號的可靠傳輸。

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)），其核心是一個協(xié)議轉(zhuǎn)換器或信號網(wǎng)關(guān)。同時，該模塊也負責(zé)接收硬件層傳感器上傳的數(shù)據(jù)，進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、兼容性和擴展性良好的優(yōu)點，可支持多種煙火裝置。

5

LED虛擬攝制背景下煙火技術(shù)的應(yīng)用

5.1 應(yīng)用場景設(shè)計

為說明LED虛擬攝制背景下煙火技術(shù)的實際應(yīng)用，本文設(shè)置了3個場景，并對場景的煙火進行定制化設(shè)計。

（1）場景1：實時同步爆炸

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；一架虛擬敵機俯沖而下，投下一枚虛擬炸彈。系統(tǒng)設(shè)計后的流程如圖3所示。

圖3　實時同步爆炸流程圖

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

（2）場景2：復(fù)雜煙火序列

情景：拍攝一場虛擬世界的盛大慶典，需要一場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)編排工作自動化，實現(xiàn)了人類較難實現(xiàn)的精準(zhǔn)與復(fù)雜工序。

（3）場景3：安全增強應(yīng)用

情景：拍攝一場室內(nèi)火災(zāi)戲，演員需從燃氣火架旁跑過。流程如圖5。

圖5　安全增強應(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、被動的“圍欄”，升級為動態(tài)、主動的“力場”，極大拓展了拍攝的可能性，提升了拍攝安全性。

5.2 效能評估與分析

5.2.1 藝術(shù)效果評估

新方法實現(xiàn)了虛擬效果與物理效果的像素級時空同步，解決了傳統(tǒng)后期合成中最顯著的“穿幫”問題。AI預(yù)測和匹配能力確保了實體效果最大限度地逼近藝術(shù)意圖。同時，演員在真實光影和物理刺激下的表演，其真實感遠超藍幕/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 效率與成本評估

拍攝前的籌備期，導(dǎo)演可在虛擬場景中進行無限次、零成本的排練，精確調(diào)試效果，極大減少了實拍試錯次數(shù)；在實拍過程中，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，主要集中于潤色而非復(fù)雜合成，有效縮短了項目周期。

5.2.3 安全性評估

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。

6

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)實存在差距

煙火物理模擬雖已取得長足進步，但與真實世界的物理現(xiàn)象仍存在“最后一公里”的差距。基于煙霧湍流、爆炸碎片隨機運動的高保真流體動力學(xué)模擬計算成本極高，難以在保證實時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微偏差，影響導(dǎo)演決策的絕對可靠性。縮小這一差距依賴于算力的進一步提升和更高效的近似算法。

6.1.2 系統(tǒng)延遲與實時性要求

該系統(tǒng)對延遲極其敏感，必須滿足嚴(yán)格的實時性要求。從導(dǎo)演指令發(fā)出，到AI計算并輸出控制信號，最終至煙火硬件執(zhí)行，整個鏈路的延遲必須穩(wěn)定在一定的時間內(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)和實時操作系統(tǒng)是應(yīng)對此挑戰(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序預(yù)測模型）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，進一步增加了溝通周期和經(jīng)濟成本。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，實時渲染引擎與AI平臺間的數(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)可能會是一個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[21]。通過生成式AI和強化學(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)動或動作捕捉的虛擬角色的技能可實時、精準(zhǔn)地觸發(fā)實體煙火效果；攝影機的運動軌跡可被AI用于計算爆炸碎片的最佳噴射方向，以實現(xiàn)最具沖擊力的構(gòu)圖[22]。

6.2.3 賦能前期設(shè)計與現(xiàn)場執(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，這些預(yù)先訓(xùn)練好的模型能確保設(shè)計意圖被最精準(zhǔn)、最震撼地執(zhí)行出來，實現(xiàn)從預(yù)演到實拍的精準(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可對實拍煙火畫面進行圖像超分辨率（Image Super Resolution）處理、細節(jié)增強或與計算機生成元素的光影融合，從而實現(xiàn)效果的增強；可根據(jù)前期數(shù)據(jù)，快速生成匹配的煙火元素以補充實拍效果的不足。這將極大減輕后期團隊的工作負擔(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、框架與價值，研究表明，構(gòu)建一個“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，盡管在實時性、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，是對傳統(tǒng)影視煙火工藝的一次革命性升級。

該融合模式對現(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)驗積累的手工作坊模式，邁向以實時數(shù)據(jù)流為驅(qū)動、智能化決策為核心、虛實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)的演進將聚焦于三個層面目標(biāo)：在技術(shù)層面，應(yīng)持續(xù)攻堅，致力于縮小模擬與現(xiàn)實的差距、攻克實時性瓶頸、構(gòu)建高質(zhì)量行業(yè)數(shù)據(jù)集，并推動建立開放、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)動的智能化影視煙火控制不僅是一個技術(shù)解決方案，更是推動影視煙火乃至整個影視工業(yè)向更安全、更高效、更有創(chuàng)意方向前進的重要引擎之一，其發(fā)展必將為觀眾帶來前所未有的沉浸式觀影體驗，并重新定義影視煙火創(chuàng)作的邊界。

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