交互式舞台运动模块虚实排演研究
杜锦 陈洋 张睿 闫烁 关正
【摘 要】针对传统数字舞台运动创意及排演过程中存在的排演效率不高、难以直观展示等问题，研究并设计了一种交互式舞台运动排演系统，通过构建三维舞台动态仿真模型，实现舞台表演创意端与排演端的高效实时交互，极大地提高了舞台运动的排演效率和演出效果。
【关键词】数字表演；舞台仿真；数字舞台；排演系统
中图分类号：J714 文献标志码：A 文章编号：1007-0125（2016）01-0042-02
近年来，随着动态舞台的广泛应用，三维舞台仿真技术已经成为舞台表演创意过程中不可或缺的关键技术。针对三维动态舞台仿真建模的研究成为当前的热点，尤其是舞美、布景、道具模型库的创建、检索、管理及应用的研究则具有创新意义和实用价值。
传统舞台运动编排主要依赖于创意人员自身的专业知识，静态的设计方案与动态的演出过程之间难免存在偏差，使得舞台表演创意设计、评估、实施的效率低下耗费巨大。而近些年开发和应用的舞台仿真系统，大都是用简单的几何结构来模拟数字舞台的运动过程，也难以完全真实地呈现实际演出效果。
本文提出一种交互式舞台运动排演系统，主要实现在舞台表演创意、排演过程中进行交互式的舞台运动编排功能。本系统主要目的是对预置的动态舞台进行动态仿真排演，通过交互式控制，使舞美设计人员能够根据需求，对舞台上的所有部件进行控制，调整其位置、运动状态、运动时间等舞台模块运动要素。本系统还可以直接将设计好的舞台运动方案，包括舞台模块运动全要素，导入到系统中进行时序复现。最终满足数字舞台运动方案的快速设计，实时预览，安全评估及实施辅助等需求。
一、技术方案
（一）总体技术路线
本研究以构建模块化、智能化的交互式舞台运动排演系统为目标，以多功能舞台、多维背景空间、多维表演空间、协同控制、智能创作等研究为基础，解决当前模块化舞台缺乏智能化控制技术、内容创作及多维表现等问题，开发出支持快速智能编排、协同控制的模块化舞台集成工具，在此基础上提出全套技术方案。
交互式舞台运动排演技术方案主要包括四个方面的关键技术：开放图形引擎技术，模块化工具设计与集成方法，体感输入终端集成与交互技术，舞美实时创意工具和控制技术。
1.支持数字舞台数据驱动的开放图形引擎技术
本项工作主要解决的是支持体感数据驱动的开放图形引擎问题。包括实时三维图形引擎研究及传感数据的规范及接口问题。随着数字舞台相关硬件技术的快速更新，多传感方式的体感设备逐渐被实际应用于交互式排演当中，现有的商业图形引擎不能完全满足体感设备输入的需要，特别是在数字创作领域，因此研究支持体感体验的开放图形引擎是亟待解决的关键技术之一。围绕这一技术问题主要研究图形引擎的体感数据驱动方法，建立统一的驱动数据规范和通用数据接口，能够支持异构的基于光学、电磁、惯性的各种传感技术和设备，充分体现该引擎在支持体感设备方面的开放性、多样性和融合性。
2.面向数字舞台的模块化工具设计与集成方法
传统的数字舞台表演创意效率低、不直观，而目前还没有一款面向数字舞台的模块化、集成化、可视化快速创意工具，因此，研究面向数字舞台的快速创意可视化工具设计与集成方法，能够在很大程度上提高创意和编排效率。这一方面主要针对以下三个分系统进行设计和集成方法的开发，具体包括二维智能创作系统、全景式三维虚拟展示系统、数字工具与素材库框架。
3.体感输入终端集成与交互技术
体感输入设备利用体感技术作为计算机的控制方式从而代替传统键盘鼠标输入控制方式，这样不但能够将用户的手从设备中解放出来，还能够通过丰富的其他感官语言与计算机下达命令和进行交互。使用体感输入终端特别是低成本的体感输入终端进行创作，能够最大程度的解放创作人员的手指，并提高创意效果和创作效率。这一方面将通过研究几种典型的体感输入终端接口技术和交互手段，包括商业的Kinect、DataGlove以及自研的惯性传感器等，来开发体感输入终端集成方法与交互技术。
4.支持模块化的舞美实时创意和控制技术
此方向以支持模块化的舞美实时创意工具开发和控制系统研究为主，其目的是能够将舞台进行模块化划分，为设计人员提供一个能够实时对舞台进行创意设计，能够“所见即所得”地对舞台模块和布景道具的运动进行控制设置的仿真环境。
二、舞台运动
（一）数据处理与存储
舞台运动数据处理是指在真实的舞台模型上制作运动方案，得到动态的三维舞台模型，可以获取舞台的初始状态数据和运动状态数据，通过舞台运动数据提取、数据检测与处理、舞台数据输出三个功能模块，形成舞台数据文件，继而进行存储、传输等工作。
对于每一个舞台部件的运动，最直观的记录方式是记录其每一帧的位置。但是，这样会导致记录数据量大、占用存储空间和运算空间等一系列问题。故而本系统采用记录关键帧的方法来对舞台运动数据进行处理。利用舞台运动状态改变的关键帧将数据分段，运用线性拟合的方法来表示运动过程，以分段运动状态的开始时间，运动速度和终止位置的数据格式，即可全整地表示舞台运动情况。
这些舞台或布景道具运动数据的提取，使用三维建模软件的接口，利用脚本语言进行数据提取。提出的数据可以作为数据检测与处理模块和舞台数据输出模块的依据。舞台数据提取模块封装了三维建模软件有关数据的接口。利用封装后的函数，提取每一帧输出元素列表中所有元素的位置数据和运动数据。
根据舞台运动的关键帧（即舞台运动状态改变点）来进行舞台元素前期检测与处理，舞台元素高度检测与处理，舞台元素运动速度检测与处理，舞台元素运动数据计算。例如常见的升降台存在静止、上升、下降三种运动状态，排列组合成六种运动状态改变的关键帧。舞台初始状态数据和运动状态数据经过提取、检验和处理后输出。
对于数据量极大，对同步要求不高的数据，可以采用离线数据同步的方式进行数据交换，即通过本地文件保存，再通过拷贝进行交换；而对于需要实时更新的数据，采用SOCKET传输的方式进行数据同步。
（二）舞台数据标准化协议
由于本系统需要与半实物仿真平台进行联动，因此，本系统需要与其他系统进行数据的交换，并且这个交换是双向进行的。
动态舞台的运动通过抽象的数据处理双向连接本系统和半实物仿真系统，能够使得无论是哪一方的修改都能在另一方的系统上的到相应的反馈。这就需要一个统一的数据格式，即标准化舞台数据协议。这个格式不仅能够反映出各个部门对于仿真舞台运动方案做出的修改，而且能够兼容各个不同的流程和系统。
本系统中涉及了舞台布景各个部件的运动，所要进行记录和交换的数据有如表1所示：本系统通过空间运动的三维向量来确定舞台的运动的变化，通过舞台部件开始运动的时间、运动速度和运动目标位置来表示舞台的运动方式。协议定义了舞台运动的空间运动方式，用空间运动向量表示，并定义了运动的开始时间、运动速度、运动目标位置和理论运动时间等基本数据。
三、系统总体架构
本系统主要分成两个模块，一是交互式舞台运动设计模块，二是舞台数据存储与传输模块。交互式舞台运动设计模块的主要功能数字舞台运动方案的设计，用户能够按照自己的需求直观地对舞台和舞台布景道具的运动进行设置，并且实时预览排演效果。舞台数据的存储与传输模块的主要功能是舞台运动方案的存储、传输、实施等，用户能够将设计好的舞台运动数据存储成完整方案，通过文件传输或网络传输，随时随地进行演出方案的时序复现，甚至可以直接输出到真实舞台控制系统中，为最终演出舞台呈现提供支持。
四、系统实现与应用
（一）系统界面
软件界面上方是功能栏，包括保存、播放时序场景、暂停、停止、录制、快进、快退、预览等功能。软件界面左侧是系统菜单栏，包括新建、打开、保存、导入、导出、设置等功能。软件界面中间部分是三维场景交互区。用户可以用鼠标点击场景中的任何道具模型进行交互操作，改变其位置、姿态等属性。软件界面下方是时间轴，用户可以使用关键帧，针对关键帧，用户可更改道具模型的位置、姿态属性。两个关键帧之间的运动过程由系统通过插值计算得到。通过拖移可以进行动画的预览。
（二）交互式舞台运动设计过程
舞台表演一般可以分为不同的幕次。对于某一个幕次，首先需要用户创建一个新的场景，并为其命名。此时，系统会自动分配给此场景一个ID。下一步，用户需要通过UI菜单的交互功能，调用系统的模型库，从模型库中选取道具部件，按照排演方案将其一一拖动到舞台上。与Maya等三维编辑软件相似，选中相应的舞台模块或者布景道具，在时间轴上建立关键帧，通过键盘的方向键对其进行位置更改，将其移动到合适的位置，并更改角度、姿态等。系统会记录下相应的关键点，包括所有的运动状态数据。接下来，系统能够使用相应的插值算法，自动计算出在此关键点和上一个关键点之间的运动动画过程。
对于一个已经按照设计人员的需求布置好的舞台，其上摆放的每一个布景道具也都由模型库提供。用户可以使用Maya软件对舞台进行建模，在Maya中对舞台进行动画的编辑，然后通过导出的数据文件作为一个新的场景导入到系统中。接下来用户可以继续通过鼠标点击选取舞台上的每一个道具部件，通过键盘的方向键对其进行位置更改，时间更改、动画编辑等。
（三）应用案例
本系统多次应用于中央电视台春节联欢晚会等舞台表演项目的创意排演过程中。2013年春节联欢晚会《万物生》节目的舞台。自2013年春晚开始，已经实现了在晚会排演之前进行全流程三维场景的仿真，共计304个舞台升降模块与升降台上的1520块LED屏幕相辅相成，通过前期创意排演过程中的多次交互式排演，获得最优舞台运动流程和布景变化，提升了节目整体的表现力。
五、结论
本文探讨了交互式舞台运动排演系统的总体框架与技术方案。该系统经过多个舞台表演项目的应用实践，证明其能够满足数字舞台运动方案的快速设计，实时预览，安全评估及实施辅助等需求，具有良好的实用性。
参考文献：
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