交互式舞臺運(yùn)動模塊虛實(shí)排演研究

杜 錦，陳 洋，張 睿，閆 爍，關(guān) 正

（1．中央歌劇院 北京 100020；2．北京理工大學(xué) 數(shù)字表演與仿真技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

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交互式舞臺運(yùn)動模塊虛實(shí)排演研究

杜 錦1，陳 洋1，張 睿2，閆 爍2，關(guān) 正2

（1．中央歌劇院 北京 100020；2．北京理工大學(xué) 數(shù)字表演與仿真技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

【摘 要】針對傳統(tǒng)數(shù)字舞臺運(yùn)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(jì)了一種交互式舞臺運(yùn)動排演系統(tǒng)，通過構(gòu)建三維舞臺動態(tài)仿真模型，實(shí)現(xiàn)舞臺表演創(chuàng)意端與排演端的高效實(shí)時交互，極大地提高了舞臺運(yùn)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)

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(dāng)前的熱點(diǎn)，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(shí)用價值。

傳統(tǒng)舞臺運(yùn)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(jì)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(jì)、評估、實(shí)施的效率低下耗費(fèi)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(yùn)動過程，也難以完全真實(shí)地呈現(xiàn)實(shí)際演出效果。

本文提出一種交互式舞臺運(yùn)動排演系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)在舞臺表演創(chuàng)意、排演過程中進(jìn)行交互式的舞臺運(yùn)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(jìn)行動態(tài)仿真排演，通過交互式控制，使舞美設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)需求，對舞臺上的所有部件進(jìn)行控制，調(diào)整其位置、運(yùn)動狀態(tài)、運(yùn)動時間等舞臺模塊運(yùn)動要素。本系統(tǒng)還可以直接將設(shè)計(jì)好的舞臺運(yùn)動方案，包括舞臺模塊運(yùn)動全要素，導(dǎo)入到系統(tǒng)中進(jìn)行時序復(fù)現(xiàn)。最終滿足數(shù)字舞臺運(yùn)動方案的快速設(shè)計(jì)，實(shí)時預(yù)覽，安全評估及實(shí)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(yùn)動排演系統(tǒng)為目標(biāo)，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(dāng)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(yùn)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(jì)與集成方法，體感輸入終端集成與交互技術(shù)，舞美實(shí)時創(chuàng)意工具和控制技術(shù)。

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

本項(xiàng)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(shí)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(shí)際應(yīng)用于交互式排演當(dāng)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(yàn)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(jì)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(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)的控制方式從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)鍵盤鼠標(biāo)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(jì)算機(jī)下達(dá)命令和進(jìn)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(jìn)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(shí)時創(chuàng)意和控制技術(shù)

此方向以支持模塊化的舞美實(shí)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(jìn)行模塊化劃分，為設(shè)計(jì)人員提供一個能夠?qū)崟r對舞臺進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)，能夠“所見即所得”地對舞臺模塊和布景道具的運(yùn)動進(jìn)行控制設(shè)置的仿真環(huán)境。

二、舞臺運(yùn)動

（一）數(shù)據(jù)處理與存儲

舞臺運(yùn)動數(shù)據(jù)處理是指在真實(shí)的舞臺模型上制作運(yùn)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(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過舞臺運(yùn)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(jìn)行存儲、傳輸?shù)裙ぷ鳌?/p>

對于每一個舞臺部件的運(yùn)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(yùn)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(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。利用舞臺運(yùn)動狀態(tài)改變的關(guān)鍵幀將數(shù)據(jù)分段，運(yùn)用線性擬合的方法來表示運(yùn)動過程，以分段運(yùn)動狀態(tài)的開始時間，運(yùn)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(yùn)動情況。

這些舞臺或布景道具運(yùn)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(jìn)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(yùn)動數(shù)據(jù)。

根據(jù)舞臺運(yùn)動的關(guān)鍵幀（即舞臺運(yùn)動狀態(tài)改變點(diǎn)）來進(jìn)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(yùn)動速度檢測與處理，舞臺元素運(yùn)動數(shù)據(jù)計(jì)算。例如常見的升降臺存在靜止、上升、下降三種運(yùn)動狀態(tài)，排列組合成六種運(yùn)動狀態(tài)改變的關(guān)鍵幀。舞臺初始狀態(tài)數(shù)據(jù)和運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過提取、檢驗(yàn)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換，即通過本地文件保存，再通過拷貝進(jìn)行交換；而對于需要實(shí)時更新的數(shù)據(jù)，采用SOCKET傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)同步。

（二）舞臺數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議

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

動態(tài)舞臺的運(yùn)動通過抽象的數(shù)據(jù)處理雙向連接本系統(tǒng)和半實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(yùn)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(yùn)動，所要進(jìn)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(yùn)動的三維向量來確定舞臺的運(yùn)動的變化，通過舞臺部件開始運(yùn)動的時間、運(yùn)動速度和運(yùn)動目標(biāo)位置來表示舞臺的運(yùn)動方式。協(xié)議定義了舞臺運(yùn)動的空間運(yùn)動方式，用空間運(yùn)動向量表示，并定義了運(yùn)動的開始時間、運(yùn)動速度、運(yùn)動目標(biāo)位置和理論運(yùn)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(yùn)動設(shè)計(jì)模塊，二是舞臺數(shù)據(jù)存儲與傳輸模塊。交互式舞臺運(yùn)動設(shè)計(jì)模塊的主要功能數(shù)字舞臺運(yùn)動方案的設(shè)計(jì)，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(yùn)動進(jìn)行設(shè)置，并且實(shí)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(yùn)動方案的存儲、傳輸、實(shí)施等，用戶能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)好的舞臺運(yùn)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(jìn)行演出方案的時序復(fù)現(xiàn)，甚至可以直接輸出到真實(shí)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(shí)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(jìn)、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(biāo)點(diǎn)擊場景中的任何道具模型進(jìn)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(yùn)動過程由系統(tǒng)通過插值計(jì)算得到。通過拖移可以進(jìn)行動畫的預(yù)覽。

（二）交互式舞臺運(yùn)動設(shè)計(jì)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(jìn)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(diǎn)，包括所有的運(yùn)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(jì)算出在此關(guān)鍵點(diǎn)和上一個關(guān)鍵點(diǎn)之間的運(yùn)動動畫過程。

對于一個已經(jīng)按照設(shè)計(jì)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(jìn)行建模，在Maya中對舞臺進(jìn)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(biāo)點(diǎn)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(jìn)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)了在晚會排演之前進(jìn)行全流程三維場景的仿真，共計(jì)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(yùn)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(yùn)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(xiàng)目的應(yīng)用實(shí)踐，證明其能夠滿足數(shù)字舞臺運(yùn)動方案的快速設(shè)計(jì)，實(shí)時預(yù)覽，安全評估及實(shí)施輔助等需求，具有良好的實(shí)用性。

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中圖分類號：J714

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-0125(2016)01-0042-02