花火の計算方法：スペースニードルの壮大な新年ショーを支える技術
花火は人間が想像し設置するものですが、シアトルのスペースニードルで行われる新年の花火大会の設計と実行は、その大部分がコンピューター内で行われます。
新年のショーを間近に控え、毎年恒例の ニードル花火 ショーを設計するアルベルト・ナヴァロ氏は、最新の花火技術のモデルを用いて、コンピューターで表現されたエフェクトのライブラリーを充実させています。9月頃、彼はラジオ局KEXP-FMから次回のスペースニードルショーの音楽プレイリストを受け取ります。
ワシントン州ベルビューにあるインフィニティ・ビジョンズのオーナー兼リードデザイナーであるナヴァロ氏は、ショーのサウンドトラックの提案を受けた後、KEXPチームと少し交渉したが、すぐにセットリストが決定した。これは非常に重要だった。なぜなら、曲に込められたビート、リフ、そして感情が、流れ、リズム、そして句読点を左右し、本来は単なるプレイリストを視覚的に壮大なスペクタクルへと変貌させるからだ。ナヴァロ氏は音楽を聴き始めるとすぐに、ボールロケット、ブリンカー、彗星、パチパチと音を立てるクロスセット、カムロ、そしてスパイラルなどを頭の中で描き始めた。
ナヴァロがショーの企画を始めた頃、彼は視覚障害を抱えていました。頭の中で想像していたものが、実際にショーが始まるまで目に見えなかったのです。1995年には、スペースニードルの実物大模型を使い、膨大な情報をメモしたり、スプレッドシートに入力したりしました。そして1997年には、.WAVファイルに保存された音楽とイベント表（「どこで、何を、どの角度で、何人、何時に、など」）を同期させる振付ソフトウェア「Show Director」を開発しました。
それからナヴァロは大きなインスピレーションを得た。「2001年に、花火用3Dリアルタイムシミュレーションソフトウェア『Visual Show Director』を開発しました」と彼は説明する。「レーザーや光のシミュレーションに加え、オブジェクトのアニメーションも行えます。これにより、自分のやっていることを視覚化できるようになり、ショーに変化が起こり始めました。」
Visual Show Director はパーティクル シミュレーターでもあります。つまり、発射物がどのように飛んでどこで爆発するかだけでなく、燃焼した化学物質が形状やパターンに変化する様子もシミュレートする高度な物理エンジンが搭載されています。
もうナヴァロは目を閉じ、プレイリストを聴きながら、あらゆる効果や発射、タイミングを記憶し、想像する必要はなくなった。コンピューターがすべてを記憶している。黒色火薬、塩素酸カリウム、過塩素酸カリウム、硫黄、アルミニウム、木炭、デキストリン、赤土、鉄、ナトリウム、銅、炭酸ストロンチウム、硝酸バリウム、塩素酸バリウムが点火し、美しい渦巻き、花、滝のように燃え上がる様子を、シアトルセンターの空に浮かび上がらせ、風が吹く黒く澄んだ空を背景に、究極の視覚表現で表示するのだ。
シミュレーション ソフトウェアを使用すると、ショーを段階的に作成し、シミュレーターでさまざまな部分をテストして改良することができます。
「このソフトウェアのおかげで、クリエイティブなプロセスが豊かになりました」と彼は言います。「番組制作を合理化できます。必要以上のものは作らないようにできます。もちろん、少ない方が常に多いわけではなく、多い方が良い場合もありますが、ソフトウェアのおかげで経済的に、ただエフェクトに頼るのではなく、必要な設定や作業を把握できます。」
空を描くように
Navarroは、モデル内で参照できる花火の種類をあらかじめ設定したライブラリに依存しています。これらはすべて、持続時間、色、さまざまな動作などのシミュレーション特性を含むオブジェクトです。
「ショーは100%シミュレーションです」と彼は言った。「ソフトウェアのおかげで『見た通りのものが出来上がり』ます。花火は必ずしも正確とは限りません。しかし、ソフトウェアを使えば絵画のように、筆遣い一つ一つ、前の筆遣いとの相性、そしてどのように混ざり合うかまで確認できます。以前は、効果音と合わせて表示される効果の一覧しか見ることができませんでした。今では、その一覧をハイライト表示して、例えばキーアリーナ、ダウンタウン、サイエンスセンターなどから様々な効果がどのように見えるかを確認できます。ヘリコプターからの眺めさえも。視覚化を使わないと、まるで目が見えなくなってしまうんです。」
ナヴァロ氏は、「これはミュージカルショーです。音楽なしでショーだけを見ても、同じではありません。花火の振り付けを理解するために、少なくともラジオを持っていくことをお勧めします」と語ります。
設計が完成すると、ナヴァロ氏は続ける。「ソフトウェアが脚本とプランを作成し、それを組み立てます。あとはショーのパフォーマンスです。これは本当に素晴らしいです。」
ここでPyro Spectacularsのチームが引き継ぎます。彼らはShow Directorスプレッドシートを受け取り、余分な情報をすべて削除します。「必要なのは時間とアドレス、つまり回路だけです」とPyroのジョン・バーソンは言います。彼らは、それぞれ16個の回路を持つ一連のトリガーボックスを中心に計画を立てます。最初の2桁はボックス番号で、その後に16進数のアドレスが続きます。
コントローラーは、ステージマイクなどで見られるようなXLRケーブルを使用した24ボルト3線式セットアップですべての機器を駆動します。発射は、正確にタイミング調整された電圧差によって行われます。
バーソン氏は、「これはかなりローエンドな技術です。基本的なマイクロプロセッサがアクションリストを実行し、適切なタイミングで適切なモジュールのゲートを開いてイベントを開始するだけです」と語る。Pyrodigitalのハードウェアは、開回路などの不具合を特定するショー前の品質管理を含め、ショーの円滑な進行を支える。
バーソンと彼のチームにとって、物理的な側面こそが真の課題です。「個々の小道具を製作し、積み込まなければなりません。ショーの複雑さにもよりますが、彼（ナヴァロ）はかなり複雑なデザインのデザイナーなので、360度の空間も考慮しなければなりません。小道具はどうしても複雑になりがちです。」
スケジュールがタイトなため（バーソン氏と彼のチームは11月中旬に製作を開始し、12月18日に完成）、彼らも作業を視覚化し、効率化するためにソフトウェアを活用しています。バーソン氏はMicrosoft Visioを「私たちがやろうとしていることの基本的なレンダリングを作成する」ためによく使います。ショーの設置には約3日かかります。スペースニードルには185個の小道具が取り付けられており、中には30個から40個のデバイスが組み込まれているものもあります。
バーソン氏は説明する。「360度の空間です。どの部品もティルト角45度、パン角330度になります。もしかしたら、そのような部品は他にないかもしれません。ですから、他の機器の邪魔にならないように、プロペラのどこに配置できるかを考えなければなりません。私にとって、スペースプランニングは、必要な部品を、持ち上げられるデバイスに確実に収め、ハッチを通し、実際にトラックに積み込めるようにするためのものです。こうしたロジスティクスと運用上の懸念事項がすべてです。」
3DモデリングソフトウェアのSketchUpも役立ちます。バーソン氏は、「オブジェクトのモデルを検索してインポートできます。Google Earthとも連携しているので、3Dレンダリングやオブジェクトを開いて詳細を確認できます。ズームインして、上の屋根に手すりがいくつあるか見てみましょう。ああ、12セグメントですね。なるほど。」と言います。
スペースニードルの3Dモデルが仮想空間に登場し、発射物やその他のエフェクトのための様々なアタッチメントポイントも完備しています。これらは、Pyro Spectacularsのチームが最終的にラペリングで花火を降下して設置する場所です。今のところは、ナヴァロ氏が長年かけて構築してきたライブラリから様々な花火の仮想バージョンを設置するための作業スペースとなっています。
スペースニードルは、花火デザイナーにとって独特の課題を提示します。多くの花火ショーが平面のプラットフォームで始まり、終わるか、限られた平面で展開されるのとは異なり、「スペースニードルは立体的な構造とショーなので、自由に遊ばなければなりません」とナヴァロ氏は言います。「360度どこからでも見ることができます。これは非常にユニークな点です。どこからでも花火を見ることができますが、それでも一種の正面があるように表示されます。スペースニードルでは、あらゆる角度から見る人々のことを考えなければなりません。」
3Dモデルが現実になる
ナヴァロ氏は現状に満足していません。3Dプリントは、新しいアイデアを現実のものにするための技術の一つだと考えています。彼は4年前から3Dプリンターを所有しており、例えばマウントを視覚化し、設計し、プロトタイプとして印刷することができます。最終的なユニットは、Pyro Spectaculars社や他のパートナーのチームがプロトタイプを量産ユニットへと変換する必要がありますが、3Dプリンターによって設計プロセスにおける推測作業が大幅に軽減されます。
「ショーをより良いものにし続け、前年との差別化を図らなければなりません」とナヴァロは語る。「常に新しい小道具のアイデアがあり、そこから新しいパターンやグラフィックが生まれます。CNC加工によるサポートがあれば、新しいパターン、異なる視覚言語を使った、全く異なるショーを制作できるのです。」
3Dプリントは「特殊な弾道特性を持つ発射体と弾薬」にとって非常に重要になるでしょう、と彼は説明する。「特に、今後登場する新しいパターン技術には重要です。特に、ドバイのようなリソースが豊富な場所でのショーでは重要です。それから、小道具も。私は小道具を3Dプリントして、すべての穴の方向を示しました。」
バーソン氏は他にも変化があると見ている。「化学は常に進化しており、材料は安価になってきています。業界として、煙の発生が少ない装置の開発に取り組んでいます。」こうした変化は、屋内や近距離での花火ショーをより安全に実現することに役立ち、将来的には花火をより頻繁に見られるようになるかもしれない。
3-2-1…
もし科学にあまり興味がないお子さんがいらっしゃるなら、花火大会は科学と楽しくて現実的なものを結びつけるきっかけになるかもしれません。花火大会には幾何学、化学、物理学、工学といった知識が必要であり、その花火大会はソフトウェアの中に存在します。つまり、設計、計画、製造、設置まで、現実世界に存在するよりもはるかに長い期間にわたって行われるのです。しかし、Navarro氏のVisual Show Directorのようなツールを使えば、データが残っているため、花火大会を追体験したり、再現したりすることも可能です。また、コンパイルされたシミュレーション出力は動画として保存されるため、いつでも花火大会を再生できます。昨年の花火大会の様子はこちらをご覧ください。
結局のところ、花火大会は社交イベントです。ソフトウェアやシミュレーションの力はさておき、ナヴァロ氏はこう言います。「重要なのは、人々がそこに行かなければならないということです。それはパーティーです。そして、ニードル・ブリッジで実際に花火ショーを見ることに勝るものはありません。テレビでは到底及ばない。本物であり、スペースニードルという建造物の存在自体が魔法のようです。ぜひ実際に足を運んで、その姿を目にしてください。」
花火：舞台裏の化学
お気に入りの花火の背後にある科学について考えたことはありますか？その仕組みをご紹介します。
プロペラの各発射体シリンダーには導火線が取り付けられています。複数の発射体が配線で繋がれ、単一の信号で束を点火させる場合もあります。導火線はシリンダー内の少なくとも2つの導火線につながっています。1つ目の導火線は急速に燃え上がり、発射体を所定の高度まで持ち上げます。2つ目の導火線はブレークチャージと呼ばれ、発射体を爆発させ、砲弾内部に隠された模様を露わにします。この模様は「星」で表現され、観客を魅了するのは、まさにこの星々の無数の輝きです。
色は化学反応によって生み出されます。塩素酸バリウムのような化学物質は、加熱されると電子が励起されます。冷却されるとエネルギーを放出し、そのエネルギーは人間の目にも見える特定の周波数で放射されます。この場合、緑色になります。バリウムは赤いガムと混ざり合い、酸化剤と燃料の致死的な組み合わせを作り出します。デキストリンは結合剤としてこの化学物質のカクテルを完成させます。
これらの化学物質はすべて非常に細かい粉末にふるいにかけられ、混ぜ合わされ、最終的に水と混ぜ合わされて、パン生地が作られます。パンのかけらが個々の星になります。黒色火薬がすべての「星」を覆い、発火しやすくなります。この工程には金属が使用されないため、花火を作る人がうっかり火花を散らして作業場全体が爆発してしまうような事態は起こりません。
一部の花火では、ニトロセルロースを燃料として使用しています。これは、燃焼速度が速く、他の化学物質の組み合わせよりも煙が少ないためです。ニトロセルロースは、マジシャンがステージ上で本物らしく、かつ安全な火花を演出するために使用されています。
観客の注目を集める大きな爆音は、花火の爆発による副産物ではなく、それ自体が人工的に作られており、花火の輝きと同じくらい正確にタイミングが調整されています。この爆音は「サルート」と呼ばれています。爆発性の化学物質が高密度の殻に詰め込まれているため、爆発前に高い圧力がかかり、爆音が鳴ります。パチパチという音は、金属片を発射体にドリルで穴を開けることで発生します。パチパチという音は、笛のような音で、観客に花火の「ショー」を体感させるのです。
爆発の高さと直径は、すべて大きさ次第です。1インチ（約3.5cm）の砲弾は100フィート（約30m）の高さまで上がり、150メートル（約300m）の範囲に爆発します。5インチ（約13cm）の砲弾は約500フィート（約150m）の高さまで上がり、500フィート（約150m）の範囲に爆発します。しかし、スペースニードルの花火はそれよりはるかに小さく、1.5インチ（約3.8cm）から2インチ（約5cm）程度です。
