浅谈舞台场景布置的三维模型库的建立和检索

【摘 要】目前，舞台场景布置的设计工作多采用平面图形的方式，视觉效果不足，立体感较差，而制作逼真的三维场景设计需要耗费大量的时间成本和人力资源成本。本文提出了舞台场景布置三维模型库的建立步骤，并就三维模型库检索方法进行了讨论。

【关键词】舞台场景布置 三维模型库 分词 三维模型检索

舞台场景布置将绘画艺术、造型艺术、色彩艺术、视觉艺术、空间艺术融绘在一起。它是节目主题思想的最直接的表现，也是与观众进行交流的第一印象。舞台场景的布置因为主题不同，艺术思想不同，呈现出缤纷多彩的特点。但是纵观所有的舞台场景布置，也会寻找出其中的规律性和共性的特点。如何充分利用这些共性和特点，是一个需要思考的问题。

与此同时，不管是大型电视台还是小型文艺表演，舞台场景的设计大都是平面图形的构想，再进行高仿真度三维建模。平面图形不便于用户进行设计和想象，可扩展性差；三维建模又需要耗费大量的时间和人力资源，这样无形中提高了舞台场景的设计成本。

建立一个三维模型库，对于提高模型和场景的的重复利用率，加快检索速度，缩短设计周期，都会产生不可估量的重要作用。

一、三维模型库概述

三维模型库对灯光，音响，显示屏等舞台设备进行三维模拟，根据用户给出的场地尺寸情况，再结合用户通过语言描述的关键词进行检索，得出相匹配的场景模型。用户可以对场景模型中的设备进行替换和修改，最后形成可执行的舞台场景布置方案。通过三维模型库的筛选，搭配和修改，对于舞台场景布置进行事前控制，事中调整，事后存档，提供完整的解决方案，节能减耗，经济适用。

一个完整的三维模型库系统主要包括三个方面：人机交互界面，三维模型库和检索算法。

（一）人机交互界面为用户提供了一个可以查询，使用，修改三维模型库的界面操作。好的人机交互界面不仅，实现了软件的功能性，还兼具了较高的可用性、审美性、容错性、学习性等等。

（二）三维模型库有两种存储类型。

一种是单个的用于舞台场景布置的对象，如：聚光灯，背景墙，红毯，台阶，泡泡机，音响，话筒，钢琴等。

另一种是对于某一些常用的舞台布置进行分类总结，形成可重用的模式，供用户进行筛选和复用。

（三）三维模型库的检索算法提供了对于三维模型库的快速查找功能。

二、三维模型库的建立步骤

解析后的三维数据对应的就不再是背景墙、灯光、音响、泡泡机、电子显示屏等对象的文字描述和图片描述，而是三维模型。一般来说，三维模型以ftp方式存入存储服务器，这样用户可实现模型的增删改查。三维模型的建立需要经过关键字描述，预渲染，分布式渲染，创意描述等步骤。

（一）格式转换

对于现成的三维模型，需要用专有软件对由各种三维模型生成软件产生的三维模型文件进行转换，用同一种格式存储在三维模型库中。

（二）三维绘图

本三维模型库可以嵌入已有三维绘图软件的绘图功能，经过预渲染，渲染等步骤，实现人工三维绘图，并以同样格式存储在三维模型库中。

（三）二维图片

预渲染后用户提交正负X轴、正负Y轴和正负Z轴六个方向的截图（人工），然后渲染缩略图存入三维模型库，将三维的模型转化为二维的图片，这样可以利用傅里叶变换，然后实现基于投影的三维模型的检索。

（四）关键字描述

每一个三维模型根据几何形状，拓扑结构，材质，纹理，颜色，明暗效果，作者，存储路径，文件格式，模型坐标系等等都会呈现出差异性。在保存这些三维模型的时候手动将这些关键字形成的关键字表单保存到三维模型库中。这里，可以对常用的关键字进行归类，方便用户进行关键字快捷设定。

（五）场景创意描述

由上述三维数据可以组合形成一个个常用的具有代表性的舞台布置场景模型，在三维模型系统中还需要对这样的三维模型进行场景创意描述，方便后期进行文本相似性检索。

下面举两个例子。第一个是灯光模型。该场景用于舞台布景，利用不同类型光源和光束，色彩斑斓，烘托气氛，变幻无穷，适用于晚会，舞会，音乐会和庆典等场景。第二个是台阶模型，该场景用于舞台布景，用不同高度和样式的台阶丰富舞台，层次分明，富有空间感，有透气感、距离感。现场气氛庄重典雅，利于展示，适用于合唱，表演，比赛等情景。

经过上述步骤的完善，舞台场景布置的三维模型库的标准化建设就完成了。

三、三维模型库检索技术重点

本文提供的三维模型的检索部分从检索方式上可以分为四类：关键字检索，创意关键字检索，三维模型六张缩略图预览检索，三维模型直接查看筛选。在检索的特征提取、相似性匹配、索引结构和查询接口等环节中，运用到了很多技术原理。下面就简要介绍其中两点：

（一）基于文本的三维模型检索

在三维模型的标准化建设中，在三维模型和对应关键词之间存在对应关系，同理，在三维模型场景和创意描述关键字之间也存在对应关系。在三维模型库建立索引和查询的过程中，都是以基本的语素项为单位的。每一个关键字描述都对应一类语素项的组合。利用相同的分词系统，把短语或者句子切分成相同的结果，才能保证检索过程顺利进行。

现有的分词算法可分为三大类：基于字符串匹配的分词方法、基于理解的分词方法和基于统计的分词方法。按照是否与词性标注过程相结合，又可以分为单纯分词方法和分词与标注相结合的一体化方法。目前有一些较为成熟的分词系统如Lucene分词、MMSeg4J、CJKAnalyzer、Paoding Analysis等。本三维模型库系统的分词器需要具备三大特点：首先是组件代码开源，最好可以提供lucene和solr 接口。其次，需要完全的面向对象涉及，最后还需要高效率，在PIII 1G内存个人机器上，1秒至少可准确分词 50万，综上所述，本模型检索系统采用Paoding Analysis。

例如：瀑布外形为柱形，瀑布般飞流直下、气势磅礴、场面壮观。经过分词系统分析，显示为：瀑布/n外形/n为/v 柱/n 形/n ，/w瀑布/n 般/u飞/v 流/v 直/d 下/f 、/w 气势磅礴/v 、/w 场面/n 壮观/a 。/w

（二）基于映射的三维模型检索

基于内容的三维模型检索步骤是：标准化预处理，特征量采集，特征量相似度比较，得出检索结果。因为同一三维模型在具有不同位置、不同方向、不同旋转角度等不同细节时所呈现的样子会有不定量的变化，所以在三维模型中手工建立三维坐标系时，需要将所有三维模型变换至一个标准坐标系的范围内，保证其表示方式具有唯一性（二维相似性）。

基于映射的三维模型检索是基于内容的三维模型检索的一个方向。基于映射的三维模型检索基本思想是将三维模型检索投射成二维图像的检索。

第一步建立三维坐标系，x轴为三维模型距离最长的两个点确定，y轴为垂直X轴的距离最短的两个点确定，z轴与x轴和y轴两两垂直。如图一所示

第二步得到三维模型在立方体空间的六个面上的投影平面，建立二维投影图片的缩略图。

第三步经过投影得到的六个面经过霍夫曼变换可以实现向三维模型的转换。

在上述可逆过程中，将三维模型的投影图片作为中间的介质，进行检索。

四、总结和展望

尽管本文提出了舞台场景布置三维模型库的建立方案，但是由于技术局限性，还有许多问题有待更深入的研究：

第一、由各种三维模型生成软件产生的三维模型文件有.obj .max ，.fbx和.maya等各种不同的格式，给三维模型库的建立带来巨大的困难。

第二、由于三维模型的复杂性和每个人对于三维模型理解的不一致，造成三维模型的仿真度和实用性受到了影响。

第三、对于用户的个性化需求和兴趣研究还有待提高。

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