CN109993829B - 一种模块化虚拟舞台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化虚拟舞台，包括舞台建模单元，三维仿真单元，舞台数据提取输出单元，数据协同单元，其中舞台建模单元用于将舞台设计人员设计的舞台分解成舞台模块，设置舞台模块的参数，实现舞台建模；三维仿真单元用于对舞台模型进行三维渲染，生成舞台随时间变化的动画；舞台数据提取输出单元用于根据舞台动画，提取出每个舞台模块的时间相关运动数据，并对数据进行格式转换，输出到实际舞台机械的控制系统；数据协同单元用于定义各个单元之间的接口和数据交换标准格式，并实现各个单元之间的同步。本发明提出虚拟舞台可以简化舞台建模过程，有利于舞台模块的重用，辅助实现实际舞台的自动化控制。

Description

一种模块化虚拟舞台

技术领域

本发明涉及一种舞台，特别涉及一种模块化虚拟舞台。

背景技术

舞台为表演提供空间。一场文艺表演是否能够达到预期的效果，舞台是基础。现代化舞台，特别是多媒体动态舞台，将多媒体技术、机械控制技术、计算机科学和仿真技术集成到舞台的设计和制作中。由于实物舞台搭建需要耗费大量人力物力，在舞台搭建之前，对于舞台设计的创意进行预览和评估，是舞台设计人员的迫切需求。

现代舞台设计人员已经开始利用计算机仿真技术辅助舞台创意，通过在虚拟世界中建立舞台模型，为舞台舞美设计的整个流程提供一整套预演和辅助工具。舞美设计人员在制作过程中，可随时根据预演反馈来修改创意方案，对舞台创意设计人员提供了极大的支持；虚拟舞台源于虚拟世界，在设计出最终方案之前不需要建立实物舞台，节约了大量的人力、物力和财力。

现有技术中的虚拟舞台，通常是对舞台的整体造型提供仿真。这样需要对每个舞台台型进行建模和渲染，而且无法实现模型的重用。随着舞台技术的发展和升降台技术的使用，舞台的变化越来越复杂，往往每个节目都有一个专门设计的舞台，虚拟舞台需要进行大量的舞台建模和渲染工作。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种模块化虚拟舞台，通过构建虚拟舞台模块，以组件化的方式像搭积木一样实现虚拟舞台造型，而且能够从舞台动画中提取舞台机械控制数据，辅助实现实际舞台的自动化控制。

为实现以上目的，本发明提供了一种模块化虚拟舞台，包括舞台建模单元，三维仿真单元，舞台数据提取输出单元，数据协同单元，其中

舞台建模单元用于将舞台设计人员设计的舞台分解成舞台模块，设置舞台模块的参数，并通过舞台模块实现舞台建模；

三维仿真单元用于对舞台模型进行三维渲染，并根据舞台设计人员的创意生成舞台随时间变化的动画；

舞台数据提取输出单元用于根据舞台动画，提取出每个舞台模块的时间相关运动数据，并根据实际舞台机械控制系统的要求对数据进行格式转换，输出到实际舞台机械的控制系统；

数据协同单元用于定义各个单元之间的接口和数据交换标准格式，并实现各个单元之间的同步。

优选地，所述通过舞台模块实现舞台建模是通过组件化的方式实现的，每个舞台模块初始化为一个组件，组件内部封装本模块的三维渲染数据，负责实现本模块的三维场景绘制，虚拟舞台通过加载、卸载组件以及在组件间切换的方式实现对舞台模块的管理，通过消息分发的方式通知选中的舞台模块实现三维场景绘制。

优选地，所述舞台建模单元将使用舞台模块生成虚拟舞台的过程映射为对舞台模块进行加载、卸载、切换的操作序列，根据操作序列进行自动化舞台建模。

优选地，所述舞台数据提取输出单元从舞台动画中提取出关键位置点，即舞台模块运动状态改变的点所对应的时间以及每个舞台模块的速度和位置数据，并输出到舞台机械控制系统。

优选地，所述舞台数据提取输出单元还包括数据处理子单元，用于对舞台模块的运动数据进行误差控制。

优选地，所述虚拟舞台还包括舞台监测与评估单元，用于接收实际舞台的运动状态数据，并对舞台进行安全评估。

优选地，所述虚拟舞台还包括视频解析单元，用于将设计人员设计的需要在舞台模块表面显示的视频转换为舞台模块的动态纹理；视频解析单元包括视频切割转换子单元和视频映射子单元；其中视频切割转换子单元将原始视频每一帧按照舞台模块的大小进行切割，并按照舞台模块的分辨率要求进行转换；视频映射子单元根据舞台模块和视频块的对应关系，生成与舞台模块排列相适应的目标视频帧，作为纹理输出。

优选地，所述视频映射子单元根据舞台模块和视频块的对应关系，生成舞台模块的每个面和内存中切割转换后的视频块的索引表，并根据索引表将对应的视频块作为纹理输出。

优选地，所述虚拟舞台还包括摄像机仿真单元，用于在虚拟舞台不同位置增加摄像机，编辑摄像机参数，预览摄像机输出结果。

优选地，所述虚拟舞台还包括增强现实单元，用于模拟增强现实设备的输出效果，并将增强现实设备的输出与虚拟舞台三维场景进行融合。

有益效果

本发明提出的模块化虚拟舞台，通过构建虚拟舞台模块，以组件化的方式像搭积木一样实现虚拟舞台造型，可以极大的简化舞台建模过程，有利于舞台模块的重用，而且能够从舞台动画中提取舞台机械控制数据，辅助实现实际舞台的自动化控制。

附图说明

图1为实施例1实现的模块化虚拟舞台的单元结构图；

图2为实施例1实现的虚拟舞台的建模示意图。

图3为通过直线和抛物线对舞台模块的升降运动进行拟合的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，具体说明本发明的优选实施方式。

本发明实施例1提供了一种模块化虚拟舞台，包括舞台建模单元，三维仿真单元，舞台数据提取输出单元，数据协同单元，其中

舞台建模单元用于将舞台设计人员设计的舞台分解成舞台模块，设置舞台模块的参数，并通过舞台模块实现舞台建模；

三维仿真单元用于对舞台模型进行三维渲染，并根据舞台设计人员的创意生成舞台随时间变化的动画；

舞台数据提取输出单元用于根据舞台动画，提取出每个舞台模块的时间相关运动数据，并根据实际舞台机械控制系统的要求对数据进行格式转换，输出到实际舞台机械的控制系统；

数据协同单元用于定义各个单元之间的接口和数据交换标准格式，并实现各个单元之间的同步。

实施例1提供的模块化虚拟舞台，是使用模块化的思想，对舞台设计人员设计的台型进行分析、分解，将舞台台型分解为舞台模块的组合。如图2所示，一个舞台台型被分解为几种不同规格的舞台模块的组合。

需要注意的是，虚拟舞台和真实舞台是一一对应的，即虚拟舞台的结构会在建立真实舞台的时候作为设计图纸来建立真实的舞台。因此，使用模块化的思想建立虚拟舞台，也就意味着真实舞台可以通过实际的舞台模块以类似搭积木的方式实现。因此，需要考虑到舞台模块的实际机械控制方式，例如舞台模块可以在哪几个维度移动，舞台模块运动的速度限制等。由于实际舞台模块的运动是靠机械滑轨控制的，舞台模块设计得太小将极大的增加实际舞台控制机构的复杂度；而舞台模块设计得太大又不利于不同台型的舞台模块重用，所以设计舞台模块大小规格的时候，也要在舞台模块的可重用性以及控制机械的复杂程度间进行平衡。用户通过舞台建模单元设置所生成舞台模块的大小规格、运动方向、速度限制等舞台模块参数。

定义好舞台模块之后，用户就可以使用舞台模块生成实际舞台的台型，也就是实现舞台的建模。

优选地，实施例1实现舞台建模是通过组件化的方式实现的。每个舞台模块初始化为一个组件，组件内部封装本模块的三维渲染数据，负责实现本模块的三维场景绘制。虚拟舞台通过加载、卸载组件以及在组件间切换的方式实现对舞台模块的管理，通过消息分发的方式通知选中的舞台模块实现三维场景绘制。

通过组件化的方式，舞台模块集中封装了本模块的三维渲染数据以及具体的三维场景绘制功能，极大的简化了虚拟舞台的整体系统设计。虚拟舞台通过加载组件并在加载时指定舞台模块的位置参数，就可以在虚拟舞台的对应位置添加舞台模块；通过卸载组件删除舞台模块；通过在组件间切换选择具体需要渲染的舞台模块，从而实现对舞台模块的管理。虚拟舞台通过消息分发的方式通知选中的舞台模块实现三维场景绘制。对虚拟舞台系统来说，不需要关心具体绘制的实现，只需要提供三维渲染的基本上下文环境，并负责消息分发即可。而具体渲染功能的实现则由舞台模块具体实现。

使用组件化的方式还可以带来一个好处，就是可以将舞台建模过程进行简化。仿真领域的技术人员都知道，建模是一件非常复杂的工作，针对舞台变化的每一个台型进行建模意味着庞大的工作量。通过组件化的方式，用户可以将使用舞台模块生成虚拟舞台的过程映射为对多个舞台模块进行加载、卸载、切换的操作序列，根据操作序列进行自动化舞台建模。对舞台模块建模的工作只需要做一次就可以了，使用舞台模块搭建舞台的时候只需要定义相应的操作序列，就可以自动化的完成舞台建模工作。用户可以将操作序列保存在文件中，修改舞台台型的时候只要修改文件中的操作序列就可以了，极大的简化了用户的建模工作。

虚拟舞台和真实舞台是一一对应的，虚拟舞台中的每一个舞台模块在生成实际舞台的时候也会对应生成一个实际的舞台模块，舞台模块的前后左右上下运动是通过机械滑轨来控制的。每个舞台台型都会对应大量舞台模块，传统的用人工控制方式实现对舞台运动控制对模块化虚拟舞台已经不再适用，需要虚拟舞台能够生成实际舞台的机械控制数据，虚拟舞台的三维仿真单元根据舞台设计人员的创意生成舞台随时间变化的动画；舞台数据提取输出单元则根据舞台动画，提取出每个舞台模块的时间相关运动数据，并根据实际舞台机械控制系统的要求对数据进行格式转换，输出到实际舞台机械的控制系统。也就是虚拟舞台可以通过舞台的动画帧序列，提取出每一帧对应的时间点、每一帧中每个舞台模块的位置、运动速度等数据，并将数据输出到舞台机械控制系统，用于实际舞台模块的控制。

优选地，所述舞台数据提取输出单元从舞台动画中提取出关键位置点，即舞台模块运动状态改变的点所对应的时间以及每个舞台模块的速度和位置数据，并输出到舞台机械控制系统，例如从静止到运动，或者从运动到静止的点。如果只提取关键位置点，将会极大的减少处理的数据量。中间位置点的数据可以通过关键位置点的数据计算得到。

优选地，所述舞台数据提取输出单元还包括数据处理子单元，用于对舞台模块的运动数据进行误差控制。一般，计算中间位置点的数据都是通过简化的方法，以匀速运动的方式进行模拟。例如，得到两个关键帧的时间点以及舞台模块的位置数据后，将关键帧之间的运动模拟为匀速运动。但是，在舞台机械运动状态改变点的邻域内，机械并非呈匀速运动的状态，而是在综合力的作用下呈变速运动的状态。图3所示为通过直线和抛物线对舞台模块的升降运动进行拟合的示意图，其中横坐标表示时间，纵坐标表示舞台模块的高度。使用直线可以简单的对匀速运动进行拟合，但是会由于加速阶段和减速阶段的变速运动而产生误差。这种误差在非连续的，在次数较少的运动状态改变中可以忽略，但是在连续运动中，特别是在连续的反向运动过程中，这种由于加速减速而产生的延迟会有一定的累积，导致舞台模块的实际运行与设计不符。所以，本实施例在舞台机械运动状态改变点的邻域内，使用抛物线对舞台模块的变速运动进行拟合，可以减小舞台模块的运动误差。

优选地，所述虚拟舞台还包括舞台监测与评估单元，用于接收实际舞台的运动状态数据，按照实际运动状态数据模拟舞台变化，并对舞台进行安全评估，例如检测舞台模块是否会发生碰撞。

随着技术的发展，舞台模块表面可以嵌入显示屏，从外部接收视频信号，从而可以在每个舞台模块表面显示和节目内容相关的视频。虚拟舞台通过虚拟仿真技术实现，无法在模型表面显示视频，只能在模型表面添加纹理。优选地，实施例1实现的虚拟舞台还包括视频解析单元，用于将设计人员设计的需要在舞台模块表面显示的视频转换为舞台模块的动态纹理；视频解析单元包括视频切割转换子单元和视频映射子单元；其中视频切割转换子单元将原始视频每一帧按照舞台模块的大小进行切割，并按照舞台模块的分辨率要求进行转换；视频映射子单元根据舞台模块和视频块的对应关系，生成与舞台模块排列相适应的目标视频帧，作为纹理输出。

舞台模块的大小和分辨率与原始视频并不匹配，所以需要视频切割转换子单元将原始视频每一帧按照舞台模块的大小进行帧内切割与分辨率转换。为了布线方便，以及由于舞台模块的动态运动，舞台模块与输出视频帧的位置关系并非是一一对应的，例如位于右上角的舞台模块对应的可能并不是视频帧中右上角的视频块。视频映射子单元根据舞台模块和视频块的对应关系，生成与舞台模块排列相适应的目标视频帧，作为纹理输出。

原始视频帧和目标视频帧在内存中会占用大量内存空间。而且，大量内存读写操作也会降低系统运行速度。优选地，所述视频映射子单元只在内存中保存切割转换后的原始视频块，根据舞台模块和视频块的对应关系，生成舞台模块的每个面和内存中切割转换后的视频块的索引表，并根据索引表到内存中对应位置直接读取相应的视频块，并作为纹理输出。这样，在内存中就不需要生成、保存目标视频，可以加快处理速度，节省内存空间。

优选地，所述虚拟舞台还包括摄像机仿真单元，用于在虚拟舞台不同位置增加摄像机，编辑摄像机参数，预览摄像机输出结果。摄像机需要在不同位置、不同角度为电视观众展示节目和舞台的效果。为了从各个角度展现舞台和节目，需要用到定点摄像机、摇臂摄像机、轨道摄像机和吊挂摄像机等。摄像机仿真单元可以为舞台演出转播的机位设置提供数据支持，并且可以实现摄像机的自动化控制。

优选地，所述虚拟舞台还包括增强现实单元，用于模拟增强现实设备的输出效果，并将增强现实设备的输出与虚拟舞台三维场景进行融合。现代舞台除了显示屏效果之外，还可以增加投影、全息影像等现代化的技术手段，实现增强现实的效果。虚拟舞台可以对增强现实技术手段的效果进行预览，为设计人员提供技术支持，实现摄像机的自动化控制。

优选地，所述虚拟舞台还包括灯光仿真单元，用于对舞台中使用的灯光效果进行仿真。舞台中使用的灯光包括面光、耳光、侧光、柱光、天排灯、地排灯、流动光和追光等。每一种光表现形式都不一样，实现的舞台效果也不同。灯光效果的使用往往和具体的节目相关。舞台灯光的控制当前往往采用机械控制和人工控制相结合的方式。灯光仿真单元可以舞台灯光的效果进行预览，为设计人员提供技术支持，实现灯光的自动化控制。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入本发明权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种模块化虚拟舞台，包括舞台建模单元，三维仿真单元，舞台数据提取输出单元，数据协同单元，其中

舞台建模单元用于将舞台设计人员设计的舞台分解成不同台型可重用的舞台模块，设置舞台模块的大小规格、运动方向、速度限制参数，并通过舞台模块实现舞台建模；

三维仿真单元用于对舞台模型进行三维渲染，并根据舞台设计人员的创意生成舞台随时间变化的动画；

舞台数据提取输出单元用于根据舞台动画，提取出每个舞台模块的时间相关运动数据，并根据实际舞台机械控制系统的要求对数据进行格式转换，输出到实际舞台机械的控制系统；

数据协同单元用于定义各个单元之间的接口和数据交换标准格式，并实现各个单元之间的同步。

2.根据权利要求1所述的一种模块化虚拟舞台，其特征在于，所述通过舞台模块实现舞台建模是通过组件化的方式实现的，每个舞台模块初始化为一个软件组件，组件内部封装本模块的三维渲染数据，负责实现本模块的三维场景绘制，虚拟舞台通过加载、卸载组件以及在组件间切换的方式实现对舞台模块的管理，通过消息分发的方式通知选中的舞台模块实现三维场景绘制。

3.根据权利要求2所述的一种模块化虚拟舞台，其特征在于，所述舞台建模单元将使用舞台模块生成虚拟舞台的过程映射为对舞台模块进行加载、卸载、切换的操作序列，根据操作序列进行自动化舞台建模。

4.根据权利要求1或2所述的一种模块化虚拟舞台，其特征在于，所述舞台数据提取输出单元从舞台动画中提取出关键位置点，即舞台模块运动状态改变的点所对应的时间以及每个舞台模块的速度和位置数据，并输出到舞台机械控制系统。

5.根据权利要求4所述的一种模块化虚拟舞台，其特征在于，所述舞台数据提取输出单元还包括数据处理子单元，用于对舞台模块的运动数据进行误差控制。

6.根据权利要求1或2所述的一种模块化虚拟舞台，其特征在于，还包括舞台监测与评估单元，用于接收实际舞台的运动状态数据，并对舞台进行安全评估。

7.根据权利要求1或2所述的一种模块化虚拟舞台，其特征在于，还包括视频解析单元，用于将设计人员设计的需要在舞台模块表面显示的视频转换为舞台模块的动态纹理；视频解析单元包括视频切割转换子单元和视频映射子单元；其中视频切割转换子单元将原始视频每一帧按照舞台模块的大小进行切割，并按照舞台模块的分辨率要求进行转换；视频映射子单元根据舞台模块和视频块的对应关系，生成与舞台模块排列相适应的目标视频帧，作为纹理输出。

8.根据权利要求7所述的一种模块化虚拟舞台，其特征在于，所述视频映射子单元根据舞台模块和视频块的对应关系，生成舞台模块的每个面和内存中切割转换后的视频块的索引表，并根据索引表将对应的视频块作为纹理输出。

9.根据权利要求1或2所述的一种模块化虚拟舞台，其特征在于，还包括摄像机仿真单元，用于在虚拟舞台不同位置增加摄像机，编辑摄像机参数，预览摄像机输出结果。

10.根据权利要求1或2所述的一种模块化虚拟舞台，其特征在于，还包括增强现实单元，用于模拟增强现实设备的输出效果，并将增强现实设备的输出与虚拟舞台三维场景进行融合。

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