雷國靜

（中國科學技術館，中國 北京100012）

科幻劇場展項位于中國科技館新館四層“挑戰(zhàn)與未來”主題展廳B廳“走向未來”展區(qū)內。“走向未來”展區(qū)的設計是伴隨著整個四層“面臨挑戰(zhàn)——解決問題——美好未來”的展示思路和展示脈絡中產(chǎn)生的,而其實我們究竟要給觀眾展示一個怎樣美好的未來,一直是我們思索和討論的主題。未來是什么樣子呢,我們無法給觀眾一個確切的答案。除了展示基于信息化的未來之外,我們仍然想給觀眾思考和幻想的空間,因為“想象力比知識更重要”。很多科技發(fā)明或發(fā)現(xiàn)都是基于人類的幻想才得以實現(xiàn)和成真?！翱苹脛觥表椖苛㈨椧庠诩ぐl(fā)人類對未來的科學幻想。該項目是與企業(yè)共同聯(lián)合研發(fā)的創(chuàng)新和獨立展項。

1 方案設計環(huán)節(jié)

在最初的方案設計環(huán)節(jié),項目組對科幻劇場展項展示內容和互動方式等方面的整體定位做了細致的分析和討論,最后一致認為:

（1）科幻劇場中的科幻內容反映的是硬科幻的內容,要具有扎實的科學原理和科學基礎?？苹猛ǔ７譃檐浛苹煤陀部苹?軟科幻是指情節(jié)和題材集中于哲學、心理學、政治學或社會學等內容，而硬科幻指以對科技進步的幻想本身作為故事的主線內容，是以物理學、化學、生物學、天文學等自然科學為基礎的、以描寫新技術新發(fā)明給人類社會帶來影響的科幻作品。簡言之,軟科幻就是以關注人文為重點的科幻作品,硬科幻是以科學技術為重點的科幻作品。而我們希望展示的是硬科幻的作品和內容,不能脫離科學原理和科學基礎。而且劇場的內容根據(jù)情況可以進行不斷地更新和調整。

（2）這個劇場要具有互動性,與其他注重視頻播放的劇場有一定區(qū)別。即觀眾在感受和體驗整個故事情節(jié)的同時,能夠參與到情節(jié)中,并且根據(jù)劇情發(fā)展產(chǎn)生互動。當項目組成員在方案設計環(huán)節(jié)有機會接觸和了解超聲波定位技術和三維掃描技術之后,決定將定位技術作為觀眾參與互動的一種基礎和方式。即通過遠程沉浸式科幻劇場，觀眾在進行三維人臉掃描之后,頭戴具有定位裝置的頭盔,參與到相應科幻劇的演出當中，而自己就是其中的角色之一。觀眾在舞臺上的位移觸發(fā)屏幕上相應的角色一起參與互動。 通過這樣的參與方式觀眾不僅可以領略高新信息技術的應用，也可以隨著劇情發(fā)展展開自己的想象。同時通過這個項目建立科技館間的聯(lián)動機制,在中國科技館參觀的觀眾可以和異地科技館參觀的觀眾一起參與到劇場的互動劇情中,體驗科學的樂趣。

2 初步設計環(huán)節(jié)

在這個階段項目組成員與中標單位共同確定了觀眾具體的參與方式和完成了展項基礎資料的準備工作:

2.1 本地和異地觀眾的參與方式

本地觀眾首先進入一個數(shù)字采集區(qū)，立刻看到自己的三維立體數(shù)字影像，接著利用特征提取技術將觀眾的形象變成卡通風格。觀眾到達卡通形象調整區(qū),對自己的卡通形象進行調整。如果觀眾愿意進入主場地表演，先要在現(xiàn)場工作人員的協(xié)助下選取相應的表演道具，然后到主場地參與表演。觀眾可以看到大屏幕上他扮演的角色的頭像是自己的卡通形象，通過角色扮演參與整個劇情的表演，并推動劇情的發(fā)展。

科幻劇場除支持本地觀眾參與外，同時也支持異地觀眾的即時交互和參與。在異地終端裝置前參與的觀眾可遠程實時參與科幻劇的互動內容。

異地觀眾也需要采集自己的三維圖像，并進行卡通形象調整,之后即可參與到互動環(huán)節(jié)。當異地觀眾對雙方聯(lián)動發(fā)出申請時，此時異地觀眾可在現(xiàn)場工作人員的指導和幫助下手持二維碼卡片，用手在桌面上推動二維碼卡片，以此代表角色參與和互動。異地桌面系統(tǒng)前方的小屏幕顯示的內容與本地大屏幕上的內容一致和同步。

參與人數(shù)和工作人員的確定:首先本地和異地觀眾在未發(fā)生聯(lián)動申請時，均可獨立完成整個游戲項目，此時本地觀眾為四名，如果少于四名，系統(tǒng)將自動進行接管，而異地觀眾為一名，其余三名系統(tǒng)自動接管；當本地和異地發(fā)生聯(lián)動申請時，本地觀眾為三名，異地觀眾為一名進行參與，不足指定人數(shù)系統(tǒng)會自動進行接管。 同時此項目需要本地和異地工作人員各一名。

2.2 展項的基礎資料

在這個階段完成了科幻劇場展項相關的一些基礎資料的準備，包括展項的平面圖、立面圖、剖面圖以及彩色三維效果圖,展項所需的各種設備和材料的清單進行了詳細梳理,該展項對用電的需求、對投影機的吊掛需求,以及基本的舞臺燈光設備、網(wǎng)絡要求具備六類網(wǎng)絡接線和無線寬帶接入環(huán)境，能夠達到2M的互聯(lián)網(wǎng)接入帶寬，這些需求都需要工程建筑方、展廳布展設計方以及信息化方面等給與支持和配合。

2.3 展項主要采用的技術

本項目中涉及多種交叉學科的關鍵技術，其中包含數(shù)字圖像處理技術、模式識別技術、生物特征識別技術、人臉三維重建技術、虛擬現(xiàn)實技術、基于二維條碼定位的互動技術以及雙向射頻通訊技術，應用了動畫制作、舞臺游戲引擎等多媒體手段，跨越計算機科學和舞臺藝術兩大領域。

2.4 多媒體腳本大綱

經(jīng)過討論確立了以太空探索為故事背景，故事情節(jié)分為六個幕的設計，每一個幕向下一幕發(fā)展時，可以選擇多個劇情的其中之一。 觀眾來到這里看到的故事情節(jié)并不是固定不變的，會隨著情節(jié)的發(fā)展故事發(fā)生變化，而且在這六個幕中，有動畫和互動環(huán)節(jié),動畫部分主要是作為故事的介紹和情節(jié)的發(fā)展，互動環(huán)節(jié)中觀眾能夠通過在舞臺上的位移，共同完成指定的任務,參與到故事情節(jié)的發(fā)展中。

3 深化設計環(huán)節(jié)

這個階段中標單位對展項的實現(xiàn)進行了技術保證和相關技術資料的準備,項目組成員和監(jiān)理方對每一個環(huán)節(jié)進行了技術把關。

3.1 基礎資料的落實工作

這個階段，根據(jù)展項自身特點和特殊需求，完成了有關展項的所有圖紙總成圖、平面圖、舞臺天花平面圖、舞臺定位識別控制器安裝大樣圖、電氣插座平面布置圖、網(wǎng)絡通訊平面布置圖、二維條碼桌面舞臺裝置部件圖、固定式三維掃描儀裝置部件圖、卡通形象調整器裝置部件圖、電氣原理圖、AV系統(tǒng)圖、燈光系統(tǒng)圖、網(wǎng)絡接線圖、通訊接線圖。在這個階段項目組成員配合監(jiān)理方對所有技術圖紙進行了詳細的審核。

在這個階段很重要的一項工作就是項目組成員、該項目的中標單位方以及四層整體布展方一起再次確認整個展項的外觀和造型，以及整體環(huán)境設計。中標單位方與布展之間針對整個展項的布線問題、特殊的懸掛問題、定位裝置的現(xiàn)場基礎架構等等內容進行工作界面劃分和落實。

3.2 整個項目的技術的保障和具體實施，涉及到的幾個主要功能模塊同時進行開發(fā)

3.2.1 三維人臉掃描技術

實現(xiàn)三維掃描首先需要建立一個數(shù)據(jù)庫,強大的數(shù)據(jù)庫是人臉識別的基礎和保證。這個數(shù)據(jù)大概集合了十萬左右不同國家和地區(qū)人臉的信息。當觀眾站在三維人臉掃描機柜前,啟動掃描按鈕,系統(tǒng)將瞬間提取觀眾人臉的特征點，并在觀眾人臉上自動標記出需要的特征點，例如外眼點、內眼點、眉間點、鼻下點、頜下點、嘴角點等等。觀眾在參與時,操作界面會通過各種圖例提示觀眾哪些表情和動作對掃描效果是無效的。之后系統(tǒng)將自動采用一定的算法與數(shù)據(jù)庫中的人臉進行匹配,從而選擇最適合觀眾人臉的圖像。當三維人臉掃描獲取之后,觀眾可以立即獲取一個自己三維卡通形象的編號。

當觀眾在三維掃描儀前輸入自己的編號后,可以對自己的卡通形象進行調整。系統(tǒng)自動將調整后的人臉信息和匹配的號碼發(fā)送到服務器中,實現(xiàn)三維人臉掃描圖像映射到動畫故事情節(jié)中,以便后續(xù)工作人員根據(jù)編號對觀眾扮演的角色和對應的頭盔進行分配。其研發(fā)之所以能夠成功主要原因在于該中標單位過去多年在三維人臉掃描技術方面的積累。這個環(huán)節(jié)研發(fā)的難度在于這些技術都是實驗室的效果，沒有對大量觀眾的參與和體驗進行過測試。所以需要進行不斷測試保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2.2 定位技術

展項涉及到的所有技術問題中標單位技術人員均在實驗室內進行了技術測試和試驗。

本地采用的超聲波和ZIBGEE定位技術:在實驗室內搭建一個和新館差不多的環(huán)境，包對定位裝置進行技術測試。沉浸式互動智能舞臺是劇場的表演區(qū)，天花板上和觀眾佩戴的頭盔芯片中均安裝有ZigBee超聲波定位裝置，這些感應器呈蜂窩狀分布，能夠偵測到表演觀眾所佩戴的互動裝置的位移變化和操作指令，將舞臺上的表演映射到虛擬現(xiàn)實場景中。虛擬場景中包括背景和漫畫卡通人物形象，由投影顯示到在旁邊墻壁上的熒幕里。演員可以看到銀幕中自己的虛擬形象隨著自己走動，虛擬形象根據(jù)演員動作所代表的指令，可以執(zhí)行相應的任務。

異地采用的二維碼定位技術：二維碼是一組信息壓縮到圖象里，再通過設備掃描讀取信息的一種方式，二維碼是一種全新的自動識別和信息載體技術。異地的觀眾手持裝有二維碼的卡片,通過卡片的移動實現(xiàn)定位從而完成故事情節(jié)的發(fā)展。系統(tǒng)自動通過攝像頭掃描卡片中二維條碼的變化，實現(xiàn)與智能舞臺相仿的交互機制，使得異地觀眾只需很小的空間也能夠方便地與中國科技館的觀眾進行劇場的同步互動參與。

3.3 故事腳本的確立和互動環(huán)節(jié)的設計

在深化設計環(huán)節(jié)，將故事腳本集中在一個故事的設計中，并且故事要求以科學知識為基礎，不能脫離科學知識，故事梗概如下，共分為六幕:

第一幕 接受任務

【主劇情】迎接光榮使命

【互動游戲】試裝宇航服（設計游戲進行時間為1分鐘左右）

第二幕 深空插曲

2a【分劇情】登陸中子星

【互動游戲】太空慢步，組裝中子星探測器（設計游戲進行時間2分鐘左右）

2b 【分劇情】登陸白矮星

【互動游戲】太空慢步，組裝白矮星探測器（設計游戲進行時間2分鐘左右）

第三幕 進入新宇宙

3a【分劇情】共振時空隧道從共振時空隧道進入新宇宙。

【互動游戲】定點諧波共振調節(jié)，調配數(shù)位諧波（設計游戲進行間為2分鐘左右）

3b 【分劇情】通過黑洞到新宇宙

【互動游戲】大家合作定位發(fā)射反物質炸彈，轟擊打開蟲洞（設游戲進行時間為2分鐘左右）

第四幕 發(fā)現(xiàn)新大陸

4a【分劇情】類地球（曾有過生物）

【互動游戲】地下礦石樣本采集（競爭類）（設計游戲進行時間為半分鐘左右）

4b 【分劇情】不能改造的星球

【互動游戲】星球探索科學知識搶答第五幕 回歸

5a【分劇情】從白洞返回

【互動游戲】大家合作定位發(fā)射反物質炸彈，轟擊打開蟲洞（設游戲進行時間為2分鐘左右）

5b 【分劇情】從共振時空隧道返回

【互動游戲】移動調節(jié)諧波共振計算進入共振時空的諧波頻率第六幕 回歸時遇到險情

【主劇情】排除小行星，誤入史前時代（開放式結尾）

其中二至五幕中的分劇情可以進行相互匹配和切換,也就是說故事總體脈絡是一定的,但其中的過程有所不同，觀眾每次參與都會有不同的感受和體驗。經(jīng)過專家精心撰寫，形成了幾萬字的故事腳本內容,其中有很多科學知識在其中,比如中子星、白矮星、黑洞、白洞以及共振時空等等，都是科學家正在探索的充滿神秘色彩，而且被很多科學家基予深厚的基礎知識進行大膽猜想的外太空科學知識。故事是以“星空探秘”為背景的科幻故事，故事以太空城收到一個特殊的信息作為開端，這個信息似乎是對1974年11月16日13時30分波多黎各阿雷西博天文臺人類向太空深處發(fā)出的第一個電報的回復，于是太空城教授派四名隊員前去探索信號的來源。在探索過程中，遇到了種種困難和艱辛，四名隊員共同協(xié)作完成各種任務。途中他們到達了曾有過生物的星球,結果發(fā)現(xiàn)生命不能存在的最大原因就是二氧化碳含量過高。四名隊員決心一定好好保護我們人類的地球家園，絕不讓他如此荒涼。整個故事波瀾起伏，帶領觀眾進入了一個非常奇妙的科幻世界。

3.4 基于故事腳本的動畫制作

動畫的制作是在腳本編寫的基礎上完成的,哪些內容可以通過畫面表現(xiàn),哪些內容通過人物語言的溝通來進行展示,對話的內容等等都進行討論和交流。最后形成了六個分幕的設計,動畫制作環(huán)節(jié)中在有限的片長內既要講述盡量多的宇宙科學知識，又要激發(fā)小朋友對于宇宙探索的興趣，不能枯燥。這是內容安排上的難點。由于我們自身以及展項制作公司對于宇宙科學知識了解的不夠深入細致，但這個項目對于知識點的詮釋又必須準確無誤，不能過分夸張失實，給設計造成較大困難。在這一點專家給了我們很大幫助。在較短的時間內完成了二維和三維動畫風格的結合和整體游戲的設計。

4 制作階段

在制作階段中標單位完成了以下工作,項目組成員對每項工作進行技術把關：

1）設備的購買,包括有服務器、顯示器、工業(yè)攝像頭、專業(yè)投影儀、三維掃描儀等相關設備的認可。

2）因為觀眾需要攜帶頭盔才能完成整個任務,所以需要對頭盔進行選擇,并在頭盔中安裝相關定位模塊。頭盔種定位裝置的安裝其中表演道具制作了四套,每次參與四個人,同時一個顏色分為四個不同的型號,保證及時充電滿足觀眾的需求。

3）三維掃描儀塑鋼機柜、桌面舞臺塑鋼機柜以及ZigBee定位識別控制模組、超聲波定位模組定位的加工和生產(chǎn)。并且將定位裝置封裝在一個形狀規(guī)則的盒子內,做到集成和有序管理,對每一個盒子做了編號,如果哪個發(fā)現(xiàn)問題,計算機會查詢到是哪一個定位裝置出現(xiàn)問題,便于后續(xù)的維護和管理。

5 安裝和調試階段

科幻劇場本地主要由以下八個部分組成:中心服務器、劇場舞臺定位設施、投影儀、觀眾數(shù)字重建采集設備、卡通形象調整設備、桌面舞臺設備、聲音設備。每個部分的安裝包括硬件安裝和軟件部署以及運行調試等工作內容。其中劇場舞臺定位設施主要由超聲波探測器陣列組成，超聲波定位模塊封裝在防靜電設備包裝盒中，并固定在劇場天花吊架上的卡槽內。

本地和異地相關的場景和環(huán)境條件搭建之后,開始進行整個項目正常運行和操作的調試，在網(wǎng)絡條件保障的基礎上,完成了本地和異地之間的聯(lián)動調試，在本地和異地的觀眾可以在同一時間共同參與展項的互動。

6 現(xiàn)場運行階段

運行階段主要工作是項目組成員以及現(xiàn)場工作人員協(xié)助觀眾共同參與展項的整個操作流程，對每個環(huán)節(jié)是否順暢進行觀察，并記錄相關的運行狀況，展項制作單位及時共對出現(xiàn)問題進行修正和完善。時至今日,系統(tǒng)能夠通過人臉掃描將觀眾人臉特征提取后，生成觀眾的卡通人物形象，觀眾可利用卡通形象調整器對人物形象進行調整。觀眾在工作人員的幫助下佩戴裝有位置追蹤裝置的太空帽，在舞臺上通過位置移動控制自己的虛擬形象參與劇情互動，有競爭有合作。系統(tǒng)根據(jù)觀眾的參與情況計算積分，并以此推動故事的走向。觀眾參與展項的相關環(huán)節(jié)整體順暢并且基本穩(wěn)定。

7 不足和總結

科幻劇場整個項目的研發(fā)過程，包括故事內容、動畫制作、技術應用等等都是一個全新的嘗試。其中超聲波定位技術用于測量方面較多，而這次用于游戲互動其實是一次具有探索意義的過程。在項目建設將近三年的時間里,初步設計和深化設計的中標單位都給與了我們很多技術支持和配合。監(jiān)理與我們科技館建設團隊一直共同作戰(zhàn),對整個項目的每一個環(huán)節(jié)驗收標準、工作流程、時間安排等等方面進行技術把關。筆者希望通過梳理該項目建設中每一個環(huán)節(jié)完成的工作和解決的問題,歸納和總結此展項設計的流程。這個展項是相關技術的一個結合體,文中對于技術的描述和理解仍不夠詳盡，需要繼續(xù)深入學習和不斷積累。

科幻劇場展項后續(xù)運行和管理方面的建議:此項目參與環(huán)節(jié)多，需要工作人員充分引導觀眾進行參與，并對項目進行整體管理。整個展項的外形是一個大型舞臺的設計,舞臺旁邊還設有一些休息椅,這里可以成為后續(xù)開展其他相關教育活動的平臺,與觀眾面對面進行交流。該項目目前的劇本內容新穎,但觀眾參與過程較長,需要進行內容方面的精簡、濃縮和改進。