交互式舞臺運動模塊虛實排演研究

杜 錦，陳 洋，張 睿，閆 爍，關 正

（1．中央歌劇院 北京 100020；2．北京理工大學 數字表演與仿真技術北京市重點實驗室，北京 100081）

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交互式舞臺運動模塊虛實排演研究

杜 錦1，陳 洋1，張 睿2，閆 爍2，關 正2

（1．中央歌劇院 北京 100020；2．北京理工大學 數字表演與仿真技術北京市重點實驗室，北京 100081）

【摘 要】針對傳統數字舞臺運動創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，研究并設計了一種交互式舞臺運動排演系統，通過構建三維舞臺動態仿真模型，實現舞臺表演創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。

【關鍵詞】數字表演；舞臺仿真；數字舞臺；排演系統

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

傳統舞臺運動編排主要依賴于創意人員自身的專業知識，靜態的設計方案與動態的演出過程之間難免存在偏差，使得舞臺表演創意設計、評估、實施的效率低下耗費巨大。而近些年開發和應用的舞臺仿真系統，大都是用簡單的幾何結構來模擬數字舞臺的運動過程，也難以完全真實地呈現實際演出效果。

本文提出一種交互式舞臺運動排演系統，主要實現在舞臺表演創意、排演過程中進行交互式的舞臺運動編排功能。本系統主要目的是對預置的動態舞臺進行動態仿真排演，通過交互式控制，使舞美設計人員能夠根據需求，對舞臺上的所有部件進行控制，調整其位置、運動狀態、運動時間等舞臺模塊運動要素。本系統還可以直接將設計好的舞臺運動方案，包括舞臺模塊運動全要素，導入到系統中進行時序復現。最終滿足數字舞臺運動方案的快速設計，實時預覽，安全評估及實施輔助等需求。

一、技術方案

（一）總體技術路線

本研究以構建模塊化、智能化的交互式舞臺運動排演系統為目標，以多功能舞臺、多維背景空間、多維表演空間、協同控制、智能創作等研究為基礎，解決當前模塊化舞臺缺乏智能化控制技術、內容創作及多維表現等問題，開發出支持快速智能編排、協同控制的模塊化舞臺集成工具，在此基礎上提出全套技術方案。

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

1.支持數字舞臺數據驅動的開放圖形引擎技術

本項工作主要解決的是支持體感數據驅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據的規范及接口問題。隨著數字舞臺相關硬件技術的快速更新，多傳感方式的體感設備逐漸被實際應用于交互式排演當中，現有的商業圖形引擎不能完全滿足體感設備輸入的需要，特別是在數字創作領域，因此研究支持體感體驗的開放圖形引擎是亟待解決的關鍵技術之一。圍繞這一技術問題主要研究圖形引擎的體感數據驅動方法，建立統一的驅動數據規范和通用數據接口，能夠支持異構的基于光學、電磁、慣性的各種傳感技術和設備，充分體現該引擎在支持體感設備方面的開放性、多樣性和融合性。

2.面向數字舞臺的模塊化工具設計與集成方法

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

3.體感輸入終端集成與交互技術

體感輸入設備利用體感技術作為計算機的控制方式從而代替傳統鍵盤鼠標輸入控制方式，這樣不但能夠將用戶的手從設備中解放出來，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作，能夠最大程度的解放創作人員的手指，并提高創意效果和創作效率。這一方面將通過研究幾種典型的體感輸入終端接口技術和交互手段，包括商業的Kinect、DataGlove以及自研的慣性傳感器等，來開發體感輸入終端集成方法與交互技術。

4.支持模塊化的舞美實時創意和控制技術

此方向以支持模塊化的舞美實時創意工具開發和控制系統研究為主，其目的是能夠將舞臺進行模塊化劃分，為設計人員提供一個能夠實時對舞臺進行創意設計，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置的仿真環境。

二、舞臺運動

（一）數據處理與存儲

舞臺運動數據處理是指在真實的舞臺模型上制作運動方案，得到動態的三維舞臺模型，可以獲取舞臺的初始狀態數據和運動狀態數據，通過舞臺運動數據提取、數據檢測與處理、舞臺數據輸出三個功能模塊，形成舞臺數據文件，繼而進行存儲、傳輸等工作。

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，這樣會導致記錄數據量大、占用存儲空間和運算空間等一系列問題。故而本系統采用記錄關鍵幀的方法來對舞臺運動數據進行處理。利用舞臺運動狀態改變的關鍵幀將數據分段，運用線性擬合的方法來表示運動過程，以分段運動狀態的開始時間，運動速度和終止位置的數據格式，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據的提取，使用三維建模軟件的接口，利用腳本語言進行數據提取。提出的數據可以作為數據檢測與處理模塊和舞臺數據輸出模塊的依據。舞臺數據提取模塊封裝了三維建模軟件有關數據的接口。利用封裝后的函數，提取每一幀輸出元素列表中所有元素的位置數據和運動數據。

根據舞臺運動的關鍵幀（即舞臺運動狀態改變點）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，舞臺元素運動數據計算。例如常見的升降臺存在靜止、上升、下降三種運動狀態，排列組合成六種運動狀態改變的關鍵幀。舞臺初始狀態數據和運動狀態數據經過提取、檢驗和處理后輸出。

對于數據量極大，對同步要求不高的數據，可以采用離線數據同步的方式進行數據交換，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據，采用SOCKET傳輸的方式進行數據同步。

（二）舞臺數據標準化協議

由于本系統需要與半實物仿真平臺進行聯動，因此，本系統需要與其他系統進行數據的交換，并且這個交換是雙向進行的。

動態舞臺的運動通過抽象的數據處理雙向連接本系統和半實物仿真系統，能夠使得無論是哪一方的修改都能在另一方的系統上的到相應的反饋。這就需要一個統一的數據格式，即標準化舞臺數據協議。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。

本系統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據有如表1所示：本系統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據。

三、系統總體架構

本系統主要分成兩個模塊，一是交互式舞臺運動設計模塊，二是舞臺數據存儲與傳輸模塊。交互式舞臺運動設計模塊的主要功能數字舞臺運動方案的設計，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置，并且實時預覽排演效果。舞臺數據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，用戶能夠將設計好的舞臺運動數據存儲成完整方案，通過文件傳輸或網絡傳輸，隨時隨地進行演出方案的時序復現，甚至可以直接輸出到真實舞臺控制系統中，為最終演出舞臺呈現提供支持。

四、系統實現與應用

（一）系統界面

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、預覽等功能。軟件界面左側是系統菜單欄，包括新建、打開、保存、導入、導出、設置等功能。軟件界面中間部分是三維場景交互區。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、姿態等屬性。軟件界面下方是時間軸，用戶可以使用關鍵幀，針對關鍵幀，用戶可更改道具模型的位置、姿態屬性。兩個關鍵幀之間的運動過程由系統通過插值計算得到。通過拖移可以進行動畫的預覽。

（二）交互式舞臺運動設計過程

舞臺表演一般可以分為不同的幕次。對于某一個幕次，首先需要用戶創建一個新的場景，并為其命名。此時，系統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，調用系統的模型庫，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，選中相應的舞臺模塊或者布景道具，在時間軸上建立關鍵幀，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、姿態等。系統會記錄下相應的關鍵點，包括所有的運動狀態數據。接下來，系統能夠使用相應的插值算法，自動計算出在此關鍵點和上一個關鍵點之間的運動動畫過程。

對于一個已經按照設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，然后通過導出的數據文件作為一個新的場景導入到系統中。接下來用戶可以繼續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）應用案例

本系統多次應用于中央電視臺春節聯歡晚會等舞臺表演項目的創意排演過程中。2013年春節聯歡晚會《萬物生》節目的舞臺。自2013年春晚開始，已經實現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，通過前期創意排演過程中的多次交互式排演，獲得最優舞臺運動流程和布景變化，提升了節目整體的表現力。

五、結論

本文探討了交互式舞臺運動排演系統的總體框架與技術方案。該系統經過多個舞臺表演項目的應用實踐，證明其能夠滿足數字舞臺運動方案的快速設計，實時預覽，安全評估及實施輔助等需求，具有良好的實用性。

參考文獻：

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[3]王凱旋，丁剛毅．基于數據的動態舞臺機械運動設計與仿真[J]．計算機仿真2015,(02):275-279．

中圖分類號：J714

文獻標志碼：A

文章編號：1007-0125(2016)01-0042-02