豐其云+嚴(yán)華鋒

【摘 要】 從常規(guī)舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備入手，分析其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而分析復(fù)合運(yùn)動(dòng)及引入演出元素的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探究智能控制設(shè) 計(jì)輸入條件以及演出運(yùn)動(dòng)分析方法。

【關(guān)鍵詞】 舞臺(tái)機(jī)械；運(yùn)動(dòng)分析；軌跡；復(fù)合運(yùn)動(dòng)；演出元素

文章編號(hào)： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.08.008

Motion Analysis of Stage Machinery

FENG Qi-yun， YAN Hua-feng

（Zhejiang Dafeng Industrial Co.， Ltd.， Yuyao Zhejiang 315400， China）

【Abstract】From the perspective of conventional stage machinery， its motion rules were analyzed； and then the compound motion and motion rules led into performance elements were further analyzed； the intelligent control design input conditions and motion analysis method of more complex performance were explored in this paper.

【Key Words】stage machinery； motion analysis； trajectory； compound motion； performance elements

1 概述

舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的智能化控制主要針對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)與狀態(tài)，如設(shè)備的啟動(dòng)、加速、運(yùn)行、減速、停止、正向、反向、同步、安全連鎖、安全觸發(fā)、緊急停機(jī)等過程。目前，智能控制系統(tǒng)主要處理這些過程的動(dòng)作時(shí)機(jī)、動(dòng)作順序、速度信號(hào)、位置信號(hào)、各種安全傳感信號(hào)、各種開關(guān)信號(hào)、設(shè)備運(yùn)行軌跡、運(yùn)行速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參量。其中，大部分是開關(guān)量，甚至載荷傳感信號(hào)在智能控制系統(tǒng)中也作為開關(guān)量識(shí)別（當(dāng)然，隨著技術(shù)的需求與發(fā)展，智能控制系統(tǒng)也將會(huì)引入模糊控制的模擬量）。智能控制系統(tǒng)基本不涉及動(dòng)力載荷與力的大小，這些參量用于在強(qiáng)電回路設(shè)計(jì)中選擇不同規(guī)格的設(shè)備部件，而對(duì)于智能控制系統(tǒng)來說，功率大的電機(jī)和功率相對(duì)小的電機(jī)，其控制邏輯都是相同的。因此，舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備智能化控制的輸入條件必須是詳盡準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)分析，進(jìn)而根據(jù)運(yùn)動(dòng)分析的圖譜進(jìn)行智能控制的邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)及編程。

舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備具有起重機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械甚至重型機(jī)械、輕工機(jī)械等通用機(jī)械設(shè)備的很多屬性，但又有其特有的屬性。其特有屬性是為演出藝術(shù)服務(wù)，與演出藝術(shù)活動(dòng)相關(guān)。而演出藝術(shù)是肢體形體與聲音以及光影色相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)藝術(shù)。由此，舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的發(fā)展研究及其運(yùn)動(dòng)分析須結(jié)合對(duì)演出活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)分析。當(dāng)然，對(duì)于舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)研究與分析并不限于本文所敘述的內(nèi)容，本文只是初步的探究。

首先，運(yùn)動(dòng)在哲學(xué)上的含義是物質(zhì)的存在形式及其固有屬性，它包括宇宙間所發(fā)生的一切變化和過程，從簡(jiǎn)單的位置變化到復(fù)雜的人類思維。物質(zhì)的任何一種形態(tài)都處于運(yùn)動(dòng)中。運(yùn)動(dòng)具有守恒性，既不能被創(chuàng)造又不能被消滅，其具體形式則是多樣的并且互相轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化中運(yùn)動(dòng)總量不變。這是科學(xué)的概念，最常用于工程技術(shù)中描述與理解物體的變化和過程。

天地萬物、銀河星云，大到宇宙天體小到微觀粒子都在不停的運(yùn)動(dòng)中，處在運(yùn)動(dòng)中分析運(yùn)動(dòng)需要科學(xué)的抽象和假設(shè)。運(yùn)動(dòng)有多種形式，這里主要針對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，即一個(gè)物體相對(duì)于另一物體位置的變化。運(yùn)動(dòng)學(xué)是從幾何的角度來研究物體的運(yùn)動(dòng)；也就是研究物體運(yùn)動(dòng)的幾何性質(zhì)，而不涉及改變運(yùn)動(dòng)的原因，即不考慮“力”和“質(zhì)量”這些物理因素，把物體視為幾何點(diǎn)或不變形的幾何物體（剛體）。考察這些幾何物體在任何時(shí)刻占有空間的位置，這就需要建立參照系，即建立參考坐標(biāo)系。

物體是否簡(jiǎn)化為點(diǎn)或是簡(jiǎn)化為剛體來分析，不取決于物體的大小，而取決于研究的性質(zhì)。對(duì)于大型的舞臺(tái)升降臺(tái)，在只需考察其運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以將升降部分看作是一個(gè)點(diǎn)；而對(duì)于小型自由運(yùn)動(dòng)車臺(tái)，當(dāng)需要考察其整體運(yùn)動(dòng)以及小臺(tái)面上不同位置的速度、加速度等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，就不能簡(jiǎn)化為點(diǎn)，而須簡(jiǎn)化為剛體來分析。剛體是由無數(shù)個(gè)點(diǎn)組成的物體，假設(shè)各個(gè)點(diǎn)之間的距離永遠(yuǎn)不變，但處于剛體上不同位置的點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)中的狀態(tài)（速度、加速度等）可能會(huì)不同。參考坐標(biāo)系的建立基于經(jīng)典力學(xué)的理論，一般將固連于地球的坐標(biāo)系作為靜坐標(biāo)系，動(dòng)坐標(biāo)系建立在必要的牽連運(yùn)動(dòng)物體上。

2 簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述

點(diǎn)的直角坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)方程、速度與加速度為：

運(yùn)動(dòng)方程：

（1）

速度：

（2）

速度大?。?/p>

（3）

方向余弦：

（4）

加速度：

（5）

加速度大?。?/p>

（6）

方向余弦：

（7）

點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程、速度與加速度亦可用矢徑法或自然法表示。

剛體平動(dòng)時(shí)，剛體內(nèi)所有各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度完全相同。由此，剛體的平動(dòng)亦可歸結(jié)為點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)問題。

剛體的平面運(yùn)動(dòng)可分解為平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，亦即平面運(yùn)動(dòng)可視為平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)。剛體的平面運(yùn)動(dòng)方程為：

（8）

定軸轉(zhuǎn)動(dòng)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)方程、角速度和角加速度為：

（9）

定軸轉(zhuǎn)動(dòng)剛體上各點(diǎn)的速度、切向加速度、法向加速度以及全加速度為：

（10）

各點(diǎn)的全加速度與轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的夾角為：endprint

（11）

與轉(zhuǎn)動(dòng)半徑無關(guān)。

常規(guī)舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的通用工藝條件及設(shè)備功能配置，都是根據(jù)大量演出劇目的實(shí)際需求統(tǒng)計(jì)歸納而來，其運(yùn)動(dòng)形式是備用候選的形式，一般不會(huì)結(jié)合演出元素的運(yùn)動(dòng)來分析，只是符合多數(shù)演出需要而設(shè)置的運(yùn)動(dòng)范圍。當(dāng)具體劇目需要與設(shè)備配合的時(shí)候，其運(yùn)動(dòng)分析就顯得非常必要。另外，越來越多的非常規(guī)演出場(chǎng)館與設(shè)備以及為劇目量身定做的設(shè)備也更加需要演出元素與設(shè)備結(jié)合的運(yùn)動(dòng)分析。畢竟，演出藝術(shù)是不斷創(chuàng)新的，演藝設(shè)備也必然要?jiǎng)?chuàng)新發(fā)展，因此，結(jié)合演出元素的設(shè)備運(yùn)動(dòng)分析以及相關(guān)的智能控制成為進(jìn)一步探究的必要課題。

3 常規(guī)舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)分析

近年來，多樣化的舞臺(tái)工藝配置應(yīng)運(yùn)而生，國內(nèi)劇場(chǎng)基本采用品字型舞臺(tái)的常規(guī)工藝配置過多重復(fù)建設(shè)。但是，作為基礎(chǔ)工程研究，品字型舞臺(tái)仍然具有典型性，因?yàn)樗袆?chuàng)新的多樣舞臺(tái)工藝都是這些典型設(shè)備的改進(jìn)、變化、重組與優(yōu)化，離不開基本原理。所以，這里的運(yùn)動(dòng)分析還是以這些基本設(shè)備為對(duì)象進(jìn)行探究。

通過歸納分析，大多數(shù)常規(guī)舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備都是獨(dú)立一維運(yùn)動(dòng)，例如，點(diǎn)吊機(jī)、吊桿機(jī)、燈桿機(jī)、假臺(tái)口上片、防火幕（電動(dòng)）、樂池升降欄桿、樂池升降臺(tái)、主升降臺(tái)、輔助升降臺(tái)、補(bǔ)平臺(tái)等都是垂直升降運(yùn)動(dòng)；而假臺(tái)口側(cè)片、側(cè)車臺(tái)、后車臺(tái)都是水平直線運(yùn)動(dòng)；升降對(duì)開大幕、二維燈光吊籠、側(cè)臺(tái)運(yùn)景吊機(jī)等雖然備有二維、三維功能，但其運(yùn)行基本都是各維獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，無需考察其組合軌跡。同時(shí)，這些設(shè)備的功能基本都是定向運(yùn)載（即使參與表演也是如此），其承載部件上各處都具有相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，作為控制對(duì)象都可將其簡(jiǎn)化為運(yùn)動(dòng)點(diǎn)來分析（轉(zhuǎn)臺(tái)例外），如圖 1 所示。

圖1中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)放大示意就是智能控制的輸入條件模型。這些設(shè)備的軌跡都是一條直線（無論垂直或水平），其速度、加速度曲線如圖 2 所示。

調(diào)速設(shè)備在額定速度（加速度）范圍內(nèi)（即陰影線區(qū)域）選取設(shè)定；定速設(shè)備僅在額定速度下選定。在具體工程的應(yīng)用中，則要對(duì)每種設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行描述；如果結(jié)合演出劇目分析，則要對(duì)用到的每臺(tái)設(shè)備進(jìn)行描述。

運(yùn)動(dòng)分析為智能控制提供開關(guān)量輸入條件，進(jìn)而與后續(xù)動(dòng)力設(shè)計(jì)相結(jié)合，最終也對(duì)電氣控制提出要求。根據(jù)模型編制需要完成的參量表，這里介紹的只是初步分析的模型。

4 復(fù)合運(yùn)動(dòng)及引入演出元素的運(yùn)動(dòng)分析

隨著演出藝術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，越來越多的復(fù)合運(yùn)動(dòng)設(shè)備受到青睞。此類設(shè)備一般都是直接參與演出，較為典型的有：升降平移飛行機(jī)構(gòu)、升降旋轉(zhuǎn)飛行機(jī)構(gòu)、3D 威亞、車轉(zhuǎn)臺(tái)、組合轉(zhuǎn)臺(tái)、自由運(yùn)動(dòng)平移車臺(tái)等。這些設(shè)備承載演員和景物的表演運(yùn)動(dòng)具有出奇和震撼的觀演效果，且關(guān)系到安全問題，更有其分析探究?jī)r(jià)值。

最簡(jiǎn)單的復(fù)合運(yùn)動(dòng)是升降平移飛行機(jī)構(gòu)，在運(yùn)動(dòng)分析中具有典型性，如圖3所示。

升降卷揚(yáng)機(jī)的鋼絲繩繞過水平運(yùn)行小車懸吊動(dòng)滑輪，形成復(fù)式吊法。水平牽引卷揚(yáng)機(jī)牽引小車水平運(yùn)動(dòng)。將演員的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，靜坐標(biāo)（O，x，y）建在固定橫導(dǎo)軌上；動(dòng)坐標(biāo)（O'， x'， y'）建在運(yùn)行小車上。其中，演員的升降運(yùn)動(dòng)是相對(duì)運(yùn)動(dòng)，速度為 vr，演員（和小車）的水平運(yùn)動(dòng)就是牽連運(yùn)動(dòng)，速度為ve。其絕對(duì)運(yùn)動(dòng)就是相對(duì)運(yùn)動(dòng)和牽連運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)，其合成速度為：

（12）

其方向與水平面成θ角。

后區(qū)車轉(zhuǎn)臺(tái)在整體向前平移過程中與轉(zhuǎn)臺(tái)同時(shí)旋轉(zhuǎn)，也是典型的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，如圖 4 所示。

假設(shè)車臺(tái)以加速度a沿x軸方向加速前行，其瞬時(shí)速度為v，轉(zhuǎn)臺(tái)以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)一個(gè)或數(shù)個(gè)演員處在轉(zhuǎn)臺(tái)半徑r的圓周上隨同運(yùn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)演員在轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)到不同方位時(shí)的速度與加速度不同。將演員簡(jiǎn)化為點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)為剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，車臺(tái)為剛體平動(dòng)。某瞬時(shí)演員在不同位置時(shí)的速度合成如圖4（a）所示， 此時(shí)相對(duì)速度即圓周速度為：

（13）

方向沿圓周切線方向；

牽連速度即車臺(tái)速度為：

（14）

方向沿x軸向。

則其合成絕對(duì)速度為：

（15）

其方向與vr成θ角。

從圖中可以看出，當(dāng)演員處于點(diǎn)1時(shí)，其絕對(duì)速度值最?。?/p>

（16）

當(dāng)演員處于點(diǎn)2時(shí)，其絕對(duì)速度值最大：

（17）

其余 v3～v8 的值在最大與最小之間，方向如圖示。

加速度合成如圖4（b）所示，此時(shí)，相對(duì)加速度即向心加速度為：

（18）

方向指向圓心；

牽連加速度即車臺(tái)加速度為：a，方向沿x軸向。

則其合成絕對(duì)加速度為：

（19）

其方向與an 成θ角。

從圖中看出，當(dāng)演員處于點(diǎn)3時(shí)，其絕對(duì)加速度值最大：

（20）

當(dāng)演員處于點(diǎn)4時(shí)，其絕對(duì)加速度值最?。?/p>

（21）

其余 a1，a2，a5～a8的值在最大與最小之間，方向如圖所示。

平移與旋轉(zhuǎn)復(fù)合的另一個(gè)實(shí)例如圖 5 所示。出于表演的需要，轉(zhuǎn)臺(tái)上沿射線方向圓周均布有8個(gè)滑槽，每個(gè)滑槽上有一個(gè)電動(dòng)滑塊，滑塊上設(shè)有道具或演員。在轉(zhuǎn)臺(tái)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滑塊由距中心最近的位置向外加速運(yùn)動(dòng)，形成旋轉(zhuǎn)開花的特技效果。

當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊以加速度ar 由內(nèi)向外運(yùn)動(dòng)時(shí)，將滑塊簡(jiǎn)化為點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)為剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。某瞬時(shí)滑塊運(yùn)動(dòng)到x位置處時(shí)速度、加速度圖解如圖5，此時(shí)

滑塊向外的運(yùn)動(dòng)速度為：

（22）

相對(duì)加速度即滑塊平移加速度為：ar，方向由內(nèi)指向外。

牽連加速度即旋轉(zhuǎn)向心加速度為：

（23）

方向由外指向內(nèi)。endprint

另有科氏加速度為：

（24）

方向按右手法則如圖，與 ar 方向垂直。

則滑塊的合成絕對(duì)加速度值為：

（25）

其方向與滑槽的夾角為：

（26）

此例與牽連運(yùn)動(dòng)為平動(dòng)時(shí)不同，其牽連運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，多了一個(gè)科氏加速度。

5 進(jìn)一步探討

引入演出元素的運(yùn)動(dòng)分析，應(yīng)研究演出元素的規(guī)律。近年來，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)（Motion Capture）在國外迅速發(fā)展起來，該技術(shù)是在演員運(yùn)動(dòng)時(shí)，捕捉其運(yùn)動(dòng)軌跡，可實(shí)現(xiàn)人物運(yùn)動(dòng)信息的數(shù)字化記錄，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的基本軌跡。高級(jí)的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)不僅能夠跟蹤記錄演員的行動(dòng)軌跡，而且可以記錄其肢體動(dòng)作甚至面部表情。該技術(shù)的初始功能是用來記錄經(jīng)典演出劇目、經(jīng)典表演動(dòng)作、高難體育動(dòng)作等活動(dòng)的數(shù)字化信息，用來保存、教學(xué)、動(dòng)畫模擬以及分析研究之用。此項(xiàng)技術(shù)可以用來研究開發(fā)引入演出元素的舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備。一般演出藝術(shù)的編導(dǎo)及演員對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)的感受沒有物理定量的概念，完全是一種感官體驗(yàn)及意會(huì)，但他們能夠預(yù)測(cè)到觀眾的感受，創(chuàng)作出吸引觀眾眼球并提升其精神愉悅的運(yùn)動(dòng)軌跡及動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)可以將演員排練成熟的預(yù)演出活動(dòng)記錄下來，經(jīng)過分析研究其運(yùn)動(dòng)軌跡，利用計(jì)算機(jī)擬合出其運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，用來跟隨設(shè)計(jì)舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的控制程序，達(dá)到人體運(yùn)動(dòng)與機(jī)械動(dòng)作的完美配合，且可預(yù)測(cè)其過程的安全度。

目前，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)主要分為兩大類：基于標(biāo)識(shí)的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)以及無標(biāo)識(shí)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)。無標(biāo)識(shí)運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)（如美國布朗大學(xué)的HumanEva系統(tǒng)，美國斯坦福大學(xué)的SCAPE系統(tǒng)）是基于視頻的人體運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)，其成本低、操作方便、適用性強(qiáng)，但捕捉精度與實(shí)時(shí)性仍無法與基于標(biāo)識(shí)的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)相比，因此，不能夠滿足對(duì)動(dòng)態(tài)藝術(shù)高精度捕獲的要求。基于標(biāo)識(shí)的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)是利用傳感器設(shè)備感知人體隨機(jī)的位置，獲得人體運(yùn)動(dòng)的抽象數(shù)字軌跡信息。這些設(shè)備主要有機(jī)械式、電磁式、聲學(xué)式和光學(xué)式四種，各種技術(shù)均有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合。其中，光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是在表演者身體的關(guān)鍵部位貼上一些特制的標(biāo)志或發(fā)光點(diǎn)，視覺系統(tǒng)跟蹤、識(shí)別圖像中的標(biāo)志點(diǎn)并計(jì)算其空間位置。表演者活動(dòng)范圍較大，無電纜機(jī)械裝置的限制，使用方便，速度較快。基于標(biāo)識(shí)的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)由于其準(zhǔn)確性高、操作經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，目前應(yīng)用最為廣泛，如美國的Moven系統(tǒng)，英國Vicon公司的Vicon MX系統(tǒng)。開發(fā)光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的公司有 Vicon， Motion Analysis， PhoeniX Tech等。

對(duì)于更為復(fù)雜的激光導(dǎo)航自由運(yùn)動(dòng)式車臺(tái)的運(yùn)動(dòng)分析、大型3D威亞系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析以及更為新、奇、特的舞臺(tái)表演運(yùn)動(dòng)分析，均可探討運(yùn)用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)和多種計(jì)算機(jī)模擬軟件來研究，限于篇幅，暫不贅述。

注：此研究得到國家科技支撐計(jì)劃“演出效果呈現(xiàn)關(guān)鍵支撐技術(shù)研究與應(yīng)用示范”（項(xiàng)目編號(hào)：2012BAH38F00）的資助。參加本文內(nèi)容研究的有：魏發(fā)孔，孫濤，田海弘，盛敏，黃學(xué)通，姚亮，劉榛，楊岳軍，宋耀軍，崔建輝，楊衛(wèi)國，王榮安，吳正平，王棟，何曉新，吳立鋒等。endprint

另有科氏加速度為：

（24）

方向按右手法則如圖，與 ar 方向垂直。

則滑塊的合成絕對(duì)加速度值為：

（25）

其方向與滑槽的夾角為：

（26）

此例與牽連運(yùn)動(dòng)為平動(dòng)時(shí)不同，其牽連運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，多了一個(gè)科氏加速度。

5 進(jìn)一步探討

引入演出元素的運(yùn)動(dòng)分析，應(yīng)研究演出元素的規(guī)律。近年來，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)（Motion Capture）在國外迅速發(fā)展起來，該技術(shù)是在演員運(yùn)動(dòng)時(shí)，捕捉其運(yùn)動(dòng)軌跡，可實(shí)現(xiàn)人物運(yùn)動(dòng)信息的數(shù)字化記錄，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的基本軌跡。高級(jí)的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)不僅能夠跟蹤記錄演員的行動(dòng)軌跡，而且可以記錄其肢體動(dòng)作甚至面部表情。該技術(shù)的初始功能是用來記錄經(jīng)典演出劇目、經(jīng)典表演動(dòng)作、高難體育動(dòng)作等活動(dòng)的數(shù)字化信息，用來保存、教學(xué)、動(dòng)畫模擬以及分析研究之用。此項(xiàng)技術(shù)可以用來研究開發(fā)引入演出元素的舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備。一般演出藝術(shù)的編導(dǎo)及演員對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)的感受沒有物理定量的概念，完全是一種感官體驗(yàn)及意會(huì)，但他們能夠預(yù)測(cè)到觀眾的感受，創(chuàng)作出吸引觀眾眼球并提升其精神愉悅的運(yùn)動(dòng)軌跡及動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)可以將演員排練成熟的預(yù)演出活動(dòng)記錄下來，經(jīng)過分析研究其運(yùn)動(dòng)軌跡，利用計(jì)算機(jī)擬合出其運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，用來跟隨設(shè)計(jì)舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的控制程序，達(dá)到人體運(yùn)動(dòng)與機(jī)械動(dòng)作的完美配合，且可預(yù)測(cè)其過程的安全度。

目前，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)主要分為兩大類：基于標(biāo)識(shí)的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)以及無標(biāo)識(shí)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)。無標(biāo)識(shí)運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)（如美國布朗大學(xué)的HumanEva系統(tǒng)，美國斯坦福大學(xué)的SCAPE系統(tǒng)）是基于視頻的人體運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)，其成本低、操作方便、適用性強(qiáng)，但捕捉精度與實(shí)時(shí)性仍無法與基于標(biāo)識(shí)的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)相比，因此，不能夠滿足對(duì)動(dòng)態(tài)藝術(shù)高精度捕獲的要求。基于標(biāo)識(shí)的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)是利用傳感器設(shè)備感知人體隨機(jī)的位置，獲得人體運(yùn)動(dòng)的抽象數(shù)字軌跡信息。這些設(shè)備主要有機(jī)械式、電磁式、聲學(xué)式和光學(xué)式四種，各種技術(shù)均有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合。其中，光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是在表演者身體的關(guān)鍵部位貼上一些特制的標(biāo)志或發(fā)光點(diǎn)，視覺系統(tǒng)跟蹤、識(shí)別圖像中的標(biāo)志點(diǎn)并計(jì)算其空間位置。表演者活動(dòng)范圍較大，無電纜機(jī)械裝置的限制，使用方便，速度較快?；跇?biāo)識(shí)的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)由于其準(zhǔn)確性高、操作經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，目前應(yīng)用最為廣泛，如美國的Moven系統(tǒng)，英國Vicon公司的Vicon MX系統(tǒng)。開發(fā)光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的公司有 Vicon， Motion Analysis， PhoeniX Tech等。

對(duì)于更為復(fù)雜的激光導(dǎo)航自由運(yùn)動(dòng)式車臺(tái)的運(yùn)動(dòng)分析、大型3D威亞系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析以及更為新、奇、特的舞臺(tái)表演運(yùn)動(dòng)分析，均可探討運(yùn)用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)和多種計(jì)算機(jī)模擬軟件來研究，限于篇幅，暫不贅述。

注：此研究得到國家科技支撐計(jì)劃“演出效果呈現(xiàn)關(guān)鍵支撐技術(shù)研究與應(yīng)用示范”（項(xiàng)目編號(hào)：2012BAH38F00）的資助。參加本文內(nèi)容研究的有：魏發(fā)孔，孫濤，田海弘，盛敏，黃學(xué)通，姚亮，劉榛，楊岳軍，宋耀軍，崔建輝，楊衛(wèi)國，王榮安，吳正平，王棟，何曉新，吳立鋒等。endprint

另有科氏加速度為：

（24）

方向按右手法則如圖，與 ar 方向垂直。

則滑塊的合成絕對(duì)加速度值為：

（25）

其方向與滑槽的夾角為：

（26）

此例與牽連運(yùn)動(dòng)為平動(dòng)時(shí)不同，其牽連運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，多了一個(gè)科氏加速度。

5 進(jìn)一步探討

引入演出元素的運(yùn)動(dòng)分析，應(yīng)研究演出元素的規(guī)律。近年來，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)（Motion Capture）在國外迅速發(fā)展起來，該技術(shù)是在演員運(yùn)動(dòng)時(shí)，捕捉其運(yùn)動(dòng)軌跡，可實(shí)現(xiàn)人物運(yùn)動(dòng)信息的數(shù)字化記錄，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的基本軌跡。高級(jí)的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)不僅能夠跟蹤記錄演員的行動(dòng)軌跡，而且可以記錄其肢體動(dòng)作甚至面部表情。該技術(shù)的初始功能是用來記錄經(jīng)典演出劇目、經(jīng)典表演動(dòng)作、高難體育動(dòng)作等活動(dòng)的數(shù)字化信息，用來保存、教學(xué)、動(dòng)畫模擬以及分析研究之用。此項(xiàng)技術(shù)可以用來研究開發(fā)引入演出元素的舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備。一般演出藝術(shù)的編導(dǎo)及演員對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)的感受沒有物理定量的概念，完全是一種感官體驗(yàn)及意會(huì)，但他們能夠預(yù)測(cè)到觀眾的感受，創(chuàng)作出吸引觀眾眼球并提升其精神愉悅的運(yùn)動(dòng)軌跡及動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)可以將演員排練成熟的預(yù)演出活動(dòng)記錄下來，經(jīng)過分析研究其運(yùn)動(dòng)軌跡，利用計(jì)算機(jī)擬合出其運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，用來跟隨設(shè)計(jì)舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的控制程序，達(dá)到人體運(yùn)動(dòng)與機(jī)械動(dòng)作的完美配合，且可預(yù)測(cè)其過程的安全度。

目前，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)主要分為兩大類：基于標(biāo)識(shí)的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)以及無標(biāo)識(shí)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)。無標(biāo)識(shí)運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)（如美國布朗大學(xué)的HumanEva系統(tǒng)，美國斯坦福大學(xué)的SCAPE系統(tǒng)）是基于視頻的人體運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)，其成本低、操作方便、適用性強(qiáng)，但捕捉精度與實(shí)時(shí)性仍無法與基于標(biāo)識(shí)的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)相比，因此，不能夠滿足對(duì)動(dòng)態(tài)藝術(shù)高精度捕獲的要求。基于標(biāo)識(shí)的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)是利用傳感器設(shè)備感知人體隨機(jī)的位置，獲得人體運(yùn)動(dòng)的抽象數(shù)字軌跡信息。這些設(shè)備主要有機(jī)械式、電磁式、聲學(xué)式和光學(xué)式四種，各種技術(shù)均有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合。其中，光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是在表演者身體的關(guān)鍵部位貼上一些特制的標(biāo)志或發(fā)光點(diǎn)，視覺系統(tǒng)跟蹤、識(shí)別圖像中的標(biāo)志點(diǎn)并計(jì)算其空間位置。表演者活動(dòng)范圍較大，無電纜機(jī)械裝置的限制，使用方便，速度較快?；跇?biāo)識(shí)的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)由于其準(zhǔn)確性高、操作經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，目前應(yīng)用最為廣泛，如美國的Moven系統(tǒng)，英國Vicon公司的Vicon MX系統(tǒng)。開發(fā)光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的公司有 Vicon， Motion Analysis， PhoeniX Tech等。

對(duì)于更為復(fù)雜的激光導(dǎo)航自由運(yùn)動(dòng)式車臺(tái)的運(yùn)動(dòng)分析、大型3D威亞系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析以及更為新、奇、特的舞臺(tái)表演運(yùn)動(dòng)分析，均可探討運(yùn)用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)和多種計(jì)算機(jī)模擬軟件來研究，限于篇幅，暫不贅述。

注：此研究得到國家科技支撐計(jì)劃“演出效果呈現(xiàn)關(guān)鍵支撐技術(shù)研究與應(yīng)用示范”（項(xiàng)目編號(hào)：2012BAH38F00）的資助。參加本文內(nèi)容研究的有：魏發(fā)孔，孫濤，田海弘，盛敏，黃學(xué)通，姚亮，劉榛，楊岳軍，宋耀軍，崔建輝，楊衛(wèi)國，王榮安，吳正平，王棟，何曉新，吳立鋒等。endprint