杜錦　陳洋　張?！￠Z爍　關(guān)正

【摘 要】針對傳統(tǒng)數(shù)字舞臺運動創(chuàng)意及排演過程中存在的排演效率不高、難以直觀展示等問題，研究并設(shè)計了一種交互式舞臺運動排演系統(tǒng)，通過構(gòu)建三維舞臺動態(tài)仿真模型，實現(xiàn)舞臺表演創(chuàng)意端與排演端的高效實時交互，極大地提高了舞臺運動的排演效率和演出效果。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字表演；舞臺仿真；數(shù)字舞臺；排演系統(tǒng)

中圖分類號：J714 文獻標志碼：A 文章編號：1007-0125（2016）01-0042-02

近年來，隨著動態(tài)舞臺的廣泛應(yīng)用，三維舞臺仿真技術(shù)已經(jīng)成為舞臺表演創(chuàng)意過程中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。針對三維動態(tài)舞臺仿真建模的研究成為當前的熱點，尤其是舞美、布景、道具模型庫的創(chuàng)建、檢索、管理及應(yīng)用的研究則具有創(chuàng)新意義和實用價值。

傳統(tǒng)舞臺運動編排主要依賴于創(chuàng)意人員自身的專業(yè)知識，靜態(tài)的設(shè)計方案與動態(tài)的演出過程之間難免存在偏差，使得舞臺表演創(chuàng)意設(shè)計、評估、實施的效率低下耗費巨大。而近些年開發(fā)和應(yīng)用的舞臺仿真系統(tǒng)，大都是用簡單的幾何結(jié)構(gòu)來模擬數(shù)字舞臺的運動過程，也難以完全真實地呈現(xiàn)實際演出效果。

本文提出一種交互式舞臺運動排演系統(tǒng)，主要實現(xiàn)在舞臺表演創(chuàng)意、排演過程中進行交互式的舞臺運動編排功能。本系統(tǒng)主要目的是對預(yù)置的動態(tài)舞臺進行動態(tài)仿真排演，通過交互式控制，使舞美設(shè)計人員能夠根據(jù)需求，對舞臺上的所有部件進行控制，調(diào)整其位置、運動狀態(tài)、運動時間等舞臺模塊運動要素。本系統(tǒng)還可以直接將設(shè)計好的舞臺運動方案，包括舞臺模塊運動全要素，導(dǎo)入到系統(tǒng)中進行時序復(fù)現(xiàn)。最終滿足數(shù)字舞臺運動方案的快速設(shè)計，實時預(yù)覽，安全評估及實施輔助等需求。

一、技術(shù)方案

（一）總體技術(shù)路線

本研究以構(gòu)建模塊化、智能化的交互式舞臺運動排演系統(tǒng)為目標，以多功能舞臺、多維背景空間、多維表演空間、協(xié)同控制、智能創(chuàng)作等研究為基礎(chǔ)，解決當前模塊化舞臺缺乏智能化控制技術(shù)、內(nèi)容創(chuàng)作及多維表現(xiàn)等問題，開發(fā)出支持快速智能編排、協(xié)同控制的模塊化舞臺集成工具，在此基礎(chǔ)上提出全套技術(shù)方案。

交互式舞臺運動排演技術(shù)方案主要包括四個方面的關(guān)鍵技術(shù)：開放圖形引擎技術(shù)，模塊化工具設(shè)計與集成方法，體感輸入終端集成與交互技術(shù)，舞美實時創(chuàng)意工具和控制技術(shù)。

1.支持數(shù)字舞臺數(shù)據(jù)驅(qū)動的開放圖形引擎技術(shù)

本項工作主要解決的是支持體感數(shù)據(jù)驅(qū)動的開放圖形引擎問題。包括實時三維圖形引擎研究及傳感數(shù)據(jù)的規(guī)范及接口問題。隨著數(shù)字舞臺相關(guān)硬件技術(shù)的快速更新，多傳感方式的體感設(shè)備逐漸被實際應(yīng)用于交互式排演當中，現(xiàn)有的商業(yè)圖形引擎不能完全滿足體感設(shè)備輸入的需要，特別是在數(shù)字創(chuàng)作領(lǐng)域，因此研究支持體感體驗的開放圖形引擎是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。圍繞這一技術(shù)問題主要研究圖形引擎的體感數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，建立統(tǒng)一的驅(qū)動數(shù)據(jù)規(guī)范和通用數(shù)據(jù)接口，能夠支持異構(gòu)的基于光學(xué)、電磁、慣性的各種傳感技術(shù)和設(shè)備，充分體現(xiàn)該引擎在支持體感設(shè)備方面的開放性、多樣性和融合性。

2.面向數(shù)字舞臺的模塊化工具設(shè)計與集成方法

傳統(tǒng)的數(shù)字舞臺表演創(chuàng)意效率低、不直觀，而目前還沒有一款面向數(shù)字舞臺的模塊化、集成化、可視化快速創(chuàng)意工具，因此，研究面向數(shù)字舞臺的快速創(chuàng)意可視化工具設(shè)計與集成方法，能夠在很大程度上提高創(chuàng)意和編排效率。這一方面主要針對以下三個分系統(tǒng)進行設(shè)計和集成方法的開發(fā)，具體包括二維智能創(chuàng)作系統(tǒng)、全景式三維虛擬展示系統(tǒng)、數(shù)字工具與素材庫框架。

3.體感輸入終端集成與交互技術(shù)

體感輸入設(shè)備利用體感技術(shù)作為計算機的控制方式從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)鍵盤鼠標輸入控制方式，這樣不但能夠?qū)⒂脩舻氖謴脑O(shè)備中解放出來，還能夠通過豐富的其他感官語言與計算機下達命令和進行交互。使用體感輸入終端特別是低成本的體感輸入終端進行創(chuàng)作，能夠最大程度的解放創(chuàng)作人員的手指，并提高創(chuàng)意效果和創(chuàng)作效率。這一方面將通過研究幾種典型的體感輸入終端接口技術(shù)和交互手段，包括商業(yè)的Kinect、DataGlove以及自研的慣性傳感器等，來開發(fā)體感輸入終端集成方法與交互技術(shù)。

4.支持模塊化的舞美實時創(chuàng)意和控制技術(shù)

此方向以支持模塊化的舞美實時創(chuàng)意工具開發(fā)和控制系統(tǒng)研究為主，其目的是能夠?qū)⑽枧_進行模塊化劃分，為設(shè)計人員提供一個能夠?qū)崟r對舞臺進行創(chuàng)意設(shè)計，能夠“所見即所得”地對舞臺模塊和布景道具的運動進行控制設(shè)置的仿真環(huán)境。

二、舞臺運動

（一）數(shù)據(jù)處理與存儲

舞臺運動數(shù)據(jù)處理是指在真實的舞臺模型上制作運動方案，得到動態(tài)的三維舞臺模型，可以獲取舞臺的初始狀態(tài)數(shù)據(jù)和運動狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過舞臺運動數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)檢測與處理、舞臺數(shù)據(jù)輸出三個功能模塊，形成舞臺數(shù)據(jù)文件，繼而進行存儲、傳輸?shù)裙ぷ鳌?/p>

對于每一個舞臺部件的運動，最直觀的記錄方式是記錄其每一幀的位置。但是，這樣會導(dǎo)致記錄數(shù)據(jù)量大、占用存儲空間和運算空間等一系列問題。故而本系統(tǒng)采用記錄關(guān)鍵幀的方法來對舞臺運動數(shù)據(jù)進行處理。利用舞臺運動狀態(tài)改變的關(guān)鍵幀將數(shù)據(jù)分段，運用線性擬合的方法來表示運動過程，以分段運動狀態(tài)的開始時間，運動速度和終止位置的數(shù)據(jù)格式，即可全整地表示舞臺運動情況。

這些舞臺或布景道具運動數(shù)據(jù)的提取，使用三維建模軟件的接口，利用腳本語言進行數(shù)據(jù)提取。提出的數(shù)據(jù)可以作為數(shù)據(jù)檢測與處理模塊和舞臺數(shù)據(jù)輸出模塊的依據(jù)。舞臺數(shù)據(jù)提取模塊封裝了三維建模軟件有關(guān)數(shù)據(jù)的接口。利用封裝后的函數(shù)，提取每一幀輸出元素列表中所有元素的位置數(shù)據(jù)和運動數(shù)據(jù)。

根據(jù)舞臺運動的關(guān)鍵幀（即舞臺運動狀態(tài)改變點）來進行舞臺元素前期檢測與處理，舞臺元素高度檢測與處理，舞臺元素運動速度檢測與處理，舞臺元素運動數(shù)據(jù)計算。例如常見的升降臺存在靜止、上升、下降三種運動狀態(tài)，排列組合成六種運動狀態(tài)改變的關(guān)鍵幀。舞臺初始狀態(tài)數(shù)據(jù)和運動狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過提取、檢驗和處理后輸出。

對于數(shù)據(jù)量極大，對同步要求不高的數(shù)據(jù)，可以采用離線數(shù)據(jù)同步的方式進行數(shù)據(jù)交換，即通過本地文件保存，再通過拷貝進行交換；而對于需要實時更新的數(shù)據(jù)，采用SOCKET傳輸?shù)姆绞竭M行數(shù)據(jù)同步。

（二）舞臺數(shù)據(jù)標準化協(xié)議

由于本系統(tǒng)需要與半實物仿真平臺進行聯(lián)動，因此，本系統(tǒng)需要與其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的交換，并且這個交換是雙向進行的。

動態(tài)舞臺的運動通過抽象的數(shù)據(jù)處理雙向連接本系統(tǒng)和半實物仿真系統(tǒng)，能夠使得無論是哪一方的修改都能在另一方的系統(tǒng)上的到相應(yīng)的反饋。這就需要一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，即標準化舞臺數(shù)據(jù)協(xié)議。這個格式不僅能夠反映出各個部門對于仿真舞臺運動方案做出的修改，而且能夠兼容各個不同的流程和系統(tǒng)。

本系統(tǒng)中涉及了舞臺布景各個部件的運動，所要進行記錄和交換的數(shù)據(jù)有如表1所示：本系統(tǒng)通過空間運動的三維向量來確定舞臺的運動的變化，通過舞臺部件開始運動的時間、運動速度和運動目標位置來表示舞臺的運動方式。協(xié)議定義了舞臺運動的空間運動方式，用空間運動向量表示，并定義了運動的開始時間、運動速度、運動目標位置和理論運動時間等基本數(shù)據(jù)。

三、系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)主要分成兩個模塊，一是交互式舞臺運動設(shè)計模塊，二是舞臺數(shù)據(jù)存儲與傳輸模塊。交互式舞臺運動設(shè)計模塊的主要功能數(shù)字舞臺運動方案的設(shè)計，用戶能夠按照自己的需求直觀地對舞臺和舞臺布景道具的運動進行設(shè)置，并且實時預(yù)覽排演效果。舞臺數(shù)據(jù)的存儲與傳輸模塊的主要功能是舞臺運動方案的存儲、傳輸、實施等，用戶能夠?qū)⒃O(shè)計好的舞臺運動數(shù)據(jù)存儲成完整方案，通過文件傳輸或網(wǎng)絡(luò)傳輸，隨時隨地進行演出方案的時序復(fù)現(xiàn)，甚至可以直接輸出到真實舞臺控制系統(tǒng)中，為最終演出舞臺呈現(xiàn)提供支持。

四、系統(tǒng)實現(xiàn)與應(yīng)用

（一）系統(tǒng)界面

軟件界面上方是功能欄，包括保存、播放時序場景、暫停、停止、錄制、快進、快退、預(yù)覽等功能。軟件界面左側(cè)是系統(tǒng)菜單欄，包括新建、打開、保存、導(dǎo)入、導(dǎo)出、設(shè)置等功能。軟件界面中間部分是三維場景交互區(qū)。用戶可以用鼠標點擊場景中的任何道具模型進行交互操作，改變其位置、姿態(tài)等屬性。軟件界面下方是時間軸，用戶可以使用關(guān)鍵幀，針對關(guān)鍵幀，用戶可更改道具模型的位置、姿態(tài)屬性。兩個關(guān)鍵幀之間的運動過程由系統(tǒng)通過插值計算得到。通過拖移可以進行動畫的預(yù)覽。

（二）交互式舞臺運動設(shè)計過程

舞臺表演一般可以分為不同的幕次。對于某一個幕次，首先需要用戶創(chuàng)建一個新的場景，并為其命名。此時，系統(tǒng)會自動分配給此場景一個ID。下一步，用戶需要通過UI菜單的交互功能，調(diào)用系統(tǒng)的模型庫，從模型庫中選取道具部件，按照排演方案將其一一拖動到舞臺上。與Maya等三維編輯軟件相似，選中相應(yīng)的舞臺模塊或者布景道具，在時間軸上建立關(guān)鍵幀，通過鍵盤的方向鍵對其進行位置更改，將其移動到合適的位置，并更改角度、姿態(tài)等。系統(tǒng)會記錄下相應(yīng)的關(guān)鍵點，包括所有的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)。接下來，系統(tǒng)能夠使用相應(yīng)的插值算法，自動計算出在此關(guān)鍵點和上一個關(guān)鍵點之間的運動動畫過程。

對于一個已經(jīng)按照設(shè)計人員的需求布置好的舞臺，其上擺放的每一個布景道具也都由模型庫提供。用戶可以使用Maya軟件對舞臺進行建模，在Maya中對舞臺進行動畫的編輯，然后通過導(dǎo)出的數(shù)據(jù)文件作為一個新的場景導(dǎo)入到系統(tǒng)中。接下來用戶可以繼續(xù)通過鼠標點擊選取舞臺上的每一個道具部件，通過鍵盤的方向鍵對其進行位置更改，時間更改、動畫編輯等。

（三）應(yīng)用案例

本系統(tǒng)多次應(yīng)用于中央電視臺春節(jié)聯(lián)歡晚會等舞臺表演項目的創(chuàng)意排演過程中。2013年春節(jié)聯(lián)歡晚會《萬物生》節(jié)目的舞臺。自2013年春晚開始，已經(jīng)實現(xiàn)了在晚會排演之前進行全流程三維場景的仿真，共計304個舞臺升降模塊與升降臺上的1520塊LED屏幕相輔相成，通過前期創(chuàng)意排演過程中的多次交互式排演，獲得最優(yōu)舞臺運動流程和布景變化，提升了節(jié)目整體的表現(xiàn)力。

五、結(jié)論

本文探討了交互式舞臺運動排演系統(tǒng)的總體框架與技術(shù)方案。該系統(tǒng)經(jīng)過多個舞臺表演項目的應(yīng)用實踐，證明其能夠滿足數(shù)字舞臺運動方案的快速設(shè)計，實時預(yù)覽，安全評估及實施輔助等需求，具有良好的實用性。

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