雷国静
（中国科学技术馆，中国北京100012）
【摘要】“科幻剧场”展项意在激发人类对未来的科学幻想，该项目是与企业共同联合研发的创新展项。介绍了该展项在方案设计、初步设计、深化设计、制作阶段、安装和调试阶段、现场运行阶段等各个环节完成的工作内容和工作进度。任何展项的设计都需要经历这些必要的环节，每个环节周密考虑，才能保证展项的持续生命力。分析了展项的不足，给予我们展项设计的启示，展项需要经过运行才能看到是否稳定，是否受观众欢迎。
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关键词 科学幻想；创新展项；各个环节；持续生命力
科幻剧场展项位于中国科技馆新馆四层“挑战与未来”主题展厅B厅“走向未来”展区内。“走向未来”展区的设计是伴随着整个四层“面临挑战——解决问题——美好未来”的展示思路和展示脉络中产生的,而其实我们究竟要给观众展示一个怎样美好的未来,一直是我们思索和讨论的主题。未来是什么样子呢,我们无法给观众一个确切的答案。除了展示基于信息化的未来之外,我们仍然想给观众思考和幻想的空间,因为“想象力比知识更重要”。很多科技发明或发现都是基于人类的幻想才得以实现和成真。“科幻剧场”项目立项意在激发人类对未来的科学幻想。该项目是与企业共同联合研发的创新和独立展项。
1方案设计环节
在最初的方案设计环节,项目组对科幻剧场展项展示内容和互动方式等方面的整体定位做了细致的分析和讨论,最后一致认为:
（1）科幻剧场中的科幻内容反映的是硬科幻的内容,要具有扎实的科学原理和科学基础。科幻通常分为软科幻和硬科幻,软科幻是指情节和题材集中于哲学、心理学、政治学或社会学等内容，而硬科幻指以对科技进步的幻想本身作为故事的主线内容，是以物理学、化学、生物学、天文学等自然科学为基础的、以描写新技术新发明给人类社会带来影响的科幻作品。简言之,软科幻就是以关注人文为重点的科幻作品,硬科幻是以科学技术为重点的科幻作品。而我们希望展示的是硬科幻的作品和内容,不能脱离科学原理和科学基础。而且剧场的内容根据情况可以进行不断地更新和调整。
（2）这个剧场要具有互动性,与其他注重视频播放的剧场有一定区别。即观众在感受和体验整个故事情节的同时,能够参与到情节中,并且根据剧情发展产生互动。当项目组成员在方案设计环节有机会接触和了解超声波定位技术和三维扫描技术之后,决定将定位技术作为观众参与互动的一种基础和方式。即通过远程沉浸式科幻剧场，观众在进行三维人脸扫描之后,头戴具有定位装置的头盔,参与到相应科幻剧的演出当中，而自己就是其中的角色之一。观众在舞台上的位移触发屏幕上相应的角色一起参与互动。通过这样的参与方式观众不仅可以领略高新信息技术的应用，也可以随着剧情发展展开自己的想象。同时通过这个项目建立科技馆间的联动机制,在中国科技馆参观的观众可以和异地科技馆参观的观众一起参与到剧场的互动剧情中,体验科学的乐趣。
２初步设计环节
在这个阶段项目组成员与中标单位共同确定了观众具体的参与方式和完成了展项基础资料的准备工作:
2.1本地和异地观众的参与方式
本地观众首先进入一个数字采集区，立刻看到自己的三维立体数字影像，接着利用特征提取技术将观众的形象变成卡通风格。观众到达卡通形象调整区,对自己的卡通形象进行调整。如果观众愿意进入主场地表演，先要在现场工作人员的协助下选取相应的表演道具，然后到主场地参与表演。观众可以看到大屏幕上他扮演的角色的头像是自己的卡通形象，通过角色扮演参与整个剧情的表演，并推动剧情的发展。
科幻剧场除支持本地观众参与外，同时也支持异地观众的即时交互和参与。在异地终端装置前参与的观众可远程实时参与科幻剧的互动内容。
异地观众也需要采集自己的三维图像，并进行卡通形象调整,之后即可参与到互动环节。当异地观众对双方联动发出申请时，此时异地观众可在现场工作人员的指导和帮助下手持二维码卡片，用手在桌面上推动二维码卡片，以此代表角色参与和互动。异地桌面系统前方的小屏幕显示的内容与本地大屏幕上的内容一致和同步。
参与人数和工作人员的确定:首先本地和异地观众在未发生联动申请时，均可独立完成整个游戏项目，此时本地观众为四名，如果少于四名，系统将自动进行接管，而异地观众为一名，其余三名系统自动接管；当本地和异地发生联动申请时，本地观众为三名，异地观众为一名进行参与，不足指定人数系统会自动进行接管。同时此项目需要本地和异地工作人员各一名。
2.2展项的基础资料
在这个阶段完成了科幻剧场展项相关的一些基础资料的准备，包括展项的平面图、立面图、剖面图以及彩色三维效果图,展项所需的各种设备和材料的清单进行了详细梳理,该展项对用电的需求、对投影机的吊挂需求,以及基本的舞台灯光设备、网络要求具备六类网络接线和无线宽带接入环境，能够达到2M的互联网接入带宽，这些需求都需要工程建筑方、展厅布展设计方以及信息化方面等给与支持和配合。
2.3展项主要采用的技术
本项目中涉及多种交叉学科的关键技术，其中包含数字图像处理技术、模式识别技术、生物特征识别技术、人脸三维重建技术、虚拟现实技术、基于二维条码定位的互动技术以及双向射频通讯技术，应用了动画制作、舞台游戏引擎等多媒体手段，跨越计算机科学和舞台艺术两大领域。
2.4多媒体脚本大纲
经过讨论确立了以太空探索为故事背景，故事情节分为六个幕的设计，每一个幕向下一幕发展时，可以选择多个剧情的其中之一。观众来到这里看到的故事情节并不是固定不变的，会随着情节的发展故事发生变化，而且在这六个幕中，有动画和互动环节,动画部分主要是作为故事的介绍和情节的发展，互动环节中观众能够通过在舞台上的位移，共同完成指定的任务,参与到故事情节的发展中。
３深化设计环节
这个阶段中标单位对展项的实现进行了技术保证和相关技术资料的准备,项目组成员和监理方对每一个环节进行了技术把关。
３．１基础资料的落实工作
这个阶段，根据展项自身特点和特殊需求，完成了有关展项的所有图纸总成图、平面图、舞台天花平面图、舞台定位识别控制器安装大样图、电气插座平面布置图、网络通讯平面布置图、二维条码桌面舞台装置部件图、固定式三维扫描仪装置部件图、卡通形象调整器装置部件图、电气原理图、AV系统图、灯光系统图、网络接线图、通讯接线图。在这个阶段项目组成员配合监理方对所有技术图纸进行了详细的审核。
在这个阶段很重要的一项工作就是项目组成员、该项目的中标单位方以及四层整体布展方一起再次确认整个展项的外观和造型，以及整体环境设计。中标单位方与布展之间针对整个展项的布线问题、特殊的悬挂问题、定位装置的现场基础架构等等内容进行工作界面划分和落实。
３．２整个项目的技术的保障和具体实施，涉及到的几个主要功能模块同时进行开发
3.2.1三维人脸扫描技术
实现三维扫描首先需要建立一个数据库,强大的数据库是人脸识别的基础和保证。这个数据大概集合了十万左右不同国家和地区人脸的信息。当观众站在三维人脸扫描机柜前,启动扫描按钮,系统将瞬间提取观众人脸的特征点，并在观众人脸上自动标记出需要的特征点，例如外眼点、内眼点、眉间点、鼻下点、颌下点、嘴角点等等。观众在参与时,操作界面会通过各种图例提示观众哪些表情和动作对扫描效果是无效的。之后系统将自动采用一定的算法与数据库中的人脸进行匹配,从而选择最适合观众人脸的图像。当三维人脸扫描获取之后,观众可以立即获取一个自己三维卡通形象的编号。
当观众在三维扫描仪前输入自己的编号后,可以对自己的卡通形象进行调整。系统自动将调整后的人脸信息和匹配的号码发送到服务器中,实现三维人脸扫描图像映射到动画故事情节中,以便后续工作人员根据编号对观众扮演的角色和对应的头盔进行分配。
其研发之所以能够成功主要原因在于该中标单位过去多年在三维人脸扫描技术方面的积累。这个环节研发的难度在于这些技术都是实验室的效果，没有对大量观众的参与和体验进行过测试。所以需要进行不断测试保持系统的稳定性。
３．２．２定位技术
展项涉及到的所有技术问题中标单位技术人员均在实验室内进行了技术测试和试验。
本地采用的超声波和ZIBGEE定位技术:在实验室内搭建一个和新馆差不多的环境，包对定位装置进行技术测试。沉浸式互动智能舞台是剧场的表演区，天花板上和观众佩戴的头盔芯片中均安装有ZigBee超声波定位装置，这些感应器呈蜂窝状分布，能够侦测到表演观众所佩戴的互动装置的位移变化和操作指令，将舞台上的表演映射到虚拟现实场景中。虚拟场景中包括背景和漫画卡通人物形象，由投影显示到在旁边墙壁上的荧幕里。演员可以看到银幕中自己的虚拟形象随着自己走动，虚拟形象根据演员动作所代表的指令，可以执行相应的任务。
异地采用的二维码定位技术：二维码是一组信息压缩到图象里，再通过设备扫描读取信息的一种方式，二维码是一种全新的自动识别和信息载体技术。异地的观众手持装有二维码的卡片,通过卡片的移动实现定位从而完成故事情节的发展。系统自动通过摄像头扫描卡片中二维条码的变化，实现与智能舞台相仿的交互机制，使得异地观众只需很小的空间也能够方便地与中国科技馆的观众进行剧场的同步互动参与。
３．３故事脚本的确立和互动环节的设计
在深化设计环节，将故事脚本集中在一个故事的设计中，并且故事要求以科学知识为基础，不能脱离科学知识，故事梗概如下，共分为六幕:
第一幕接受任务
【主剧情】迎接光荣使命
【互动游戏】试装宇航服（设计游戏进行时间为1分钟左右）
第二幕深空插曲
2a【分剧情】登陆中子星
【互动游戏】太空慢步，组装中子星探测器（设计游戏进行时间
2分钟左右）
2b【分剧情】登陆白矮星
【互动游戏】太空慢步，组装白矮星探测器（设计游戏进行时间
2分钟左右）
第三幕进入新宇宙
3a【分剧情】共振时空隧道从共振时空隧道进入新宇宙。
【互动游戏】定点谐波共振调节，调配数位谐波（设计游戏进行
间为2分钟左右）
3b【分剧情】通过黑洞到新宇宙
【互动游戏】大家合作定位发射反物质炸弹，轰击打开虫洞（设
游戏进行时间为2分钟左右）
第四幕发现新大陆
4a【分剧情】类地球（曾有过生物）
【互动游戏】地下矿石样本采集（竞争类）（设计游戏进行时间为
半分钟左右）
4b【分剧情】不能改造的星球
【互动游戏】星球探索科学知识抢答
第五幕回归
5a【分剧情】从白洞返回
【互动游戏】大家合作定位发射反物质炸弹，轰击打开虫洞（设
游戏进行时间为2分钟左右）
5b【分剧情】从共振时空隧道返回
【互动游戏】移动调节谐波共振计算进入共振时空的谐波频率
第六幕回归时遇到险情
【主剧情】排除小行星，误入史前时代（开放式结尾）
其中二至五幕中的分剧情可以进行相互匹配和切换,也就是说故事总体脉络是一定的,但其中的过程有所不同，观众每次参与都会有不同的感受和体验。经过专家精心撰写，形成了几万字的故事脚本内容,其中有很多科学知识在其中,比如中子星、白矮星、黑洞、白洞以及共振时空等等，都是科学家正在探索的充满神秘色彩，而且被很多科学家基予深厚的基础知识进行大胆猜想的外太空科学知识。故事是以“星空探秘”为背景的科幻故事，故事以太空城收到一个特殊的信息作为开端，这个信息似乎是对1974年11月16日13时30分波多黎各阿雷西博天文台人类向太空深处发出的第一个电报的回复，于是太空城教授派四名队员前去探索信号的来源。在探索过程中，遇到了种种困难和艰辛，四名队员共同协作完成各种任务。途中他们到达了曾有过生物的星球,结果发现生命不能存在的最大原因就是二氧化碳含量过高。四名队员决心一定好好保护我们人类的地球家园，绝不让他如此荒凉。整个故事波澜起伏，带领观众进入了一个非常奇妙的科幻世界。
３．４基于故事脚本的动画制作
动画的制作是在脚本编写的基础上完成的,哪些内容可以通过画面表现,哪些内容通过人物语言的沟通来进行展示,对话的内容等等都进行讨论和交流。最后形成了六个分幕的设计,动画制作环节中在有限的片长内既要讲述尽量多的宇宙科学知识，又要激发小朋友对于宇宙探索的兴趣，不能枯燥。这是内容安排上的难点。由于我们自身以及展项制作公司对于宇宙科学知识了解的不够深入细致，但这个项目对于知识点的诠释又必须准确无误，不能过分夸张失实，给设计造成较大困难。在这一点专家给了我们很大帮助。在较短的时间内完成了二维和三维动画风格的结合和整体游戏的设计。
４制作阶段
在制作阶段中标单位完成了以下工作,项目组成员对每项工作进行技术把关：
1）设备的购买,包括有服务器、显示器、工业摄像头、专业投影仪、三维扫描仪等相关设备的认可。
2）因为观众需要携带头盔才能完成整个任务,所以需要对头盔进行选择,并在头盔中安装相关定位模块。头盔种定位装置的安装其中表演道具制作了四套,每次参与四个人,同时一个颜色分为四个不同的型号,保证及时充电满足观众的需求。
3）三维扫描仪塑钢机柜、桌面舞台塑钢机柜以及ZigBee定位识别控制模组、超声波定位模组定位的加工和生产。并且将定位装置封装在一个形状规则的盒子内,做到集成和有序管理,对每一个盒子做了编号,如果哪个发现问题,计算机会查询到是哪一个定位装置出现问题,便于后续的维护和管理。
５安装和调试阶段
科幻剧场本地主要由以下八个部分组成:中心服务器、剧场舞台定位设施、投影仪、观众数字重建采集设备、卡通形象调整设备、桌面舞台设备、声音设备。每个部分的安装包括硬件安装和软件部署以及运行调试等工作内容。其中剧场舞台定位设施主要由超声波探测器阵列组成，超声波定位模块封装在防静电设备包装盒中，并固定在剧场天花吊架上的卡槽内。
本地和异地相关的场景和环境条件搭建之后,开始进行整个项目正常运行和操作的调试，在网络条件保障的基础上,完成了本地和异地之间的联动调试，在本地和异地的观众可以在同一时间共同参与展项的互动。
６现场运行阶段
运行阶段主要工作是项目组成员以及现场工作人员协助观众共同参与展项的整个操作流程，对每个环节是否顺畅进行观察，并记录相关的运行状况，展项制作单位及时共对出现问题进行修正和完善。时至今日,系统能够通过人脸扫描将观众人脸特征提取后，生成观众的卡通人物形象，观众可利用卡通形象调整器对人物形象进行调整。观众在工作人员的帮助下佩戴装有位置追踪装置的太空帽，在舞台上通过位置移动控制自己的虚拟形象参与剧情互动，有竞争有合作。系统根据观众的参与情况计算积分，并以此推动故事的走向。观众参与展项的相关环节整体顺畅并且基本稳定。
７不足和总结
科幻剧场整个项目的研发过程，包括故事内容、动画制作、技术应用等等都是一个全新的尝试。其中超声波定位技术用于测量方面较多，而这次用于游戏互动其实是一次具有探索意义的过程。在项目建设将近三年的时间里,初步设计和深化设计的中标单位都给与了我们很多技术支持和配合。监理与我们科技馆建设团队一直共同作战,对整个项目的每一个环节验收标准、工作流程、时间安排等等方面进行技术把关。笔者希望通过梳理该项目建设中每一个环节完成的工作和解决的问题,归纳和总结此展项设计的流程。这个展项是相关技术的一个结合体,文中对于技术的描述和理解仍不够详尽，需要继续深入学习和不断积累。
科幻剧场展项后续运行和管理方面的建议:此项目参与环节多，需要工作人员充分引导观众进行参与，并对项目进行整体管理。整个展项的外形是一个大型舞台的设计,舞台旁边还设有一些休息椅,这里可以成为后续开展其他相关教育活动的平台,与观众面对面进行交流。该项目目前的剧本内容新颖,但观众参与过程较长,需要进行内容方面的精简、浓缩和改进。
［责任编辑：张涛］