觀眾廳視線分析軟件《神眼》的應用

陳芳+李國棋

【摘 要】 利用北京工業大學自主開發的視線分析軟件《神眼》，分析近年來中國劇場觀眾廳視線設計的案例。

【關鍵詞】 劇場；觀眾廳；計算機軟件；《神眼》

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.08.009

Application of Auditorium Sight Analysis Software "God's Eye"

CHEN Fang， LI Guo-qi

（Theatre Design and Stage Research Institute Collage of Architecture and Urban Planning， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

【Abstract】The Sight analysis software "God's Eye" developed by Beijing university of technology was used to analyzed some sight design cases of domestic theater auditorium in recent years.

【Key Words】theater； auditorium； computer software； "God's eye"； sight analysis

隨著科學技術的發展，計算機輔助建筑設計已成為建筑設計中的一項重要應用技術。近年來，虛擬現實及三維模擬的快速發展和廣泛應用，使得計算機可以模擬更加真實的建筑場景，從而指導建筑師的設計、檢驗及查找設計中存在的問題，甚至解決相關技術難題。

北京工業大學自主開發的視線分析軟件《神眼》，以計算機繪圖技術與建筑設計為基礎，對劇場的觀眾廳進行三維建模，并模擬觀眾視線，提供各種與視線分析相關的技術數據，為建筑師進行觀眾廳座椅排布及視線分析提供依據。同時，也為觀眾廳座椅自動排布和計算觀眾安全疏散時間打下基礎。本文利用《神眼》軟件分析相關案例，同時也進一步完善該軟件，旨在為建筑師進行觀眾廳視線分析提供便利實用的工具。

1 觀眾廳視線分析

作為一種大型的公共建筑，劇場的設計除了要滿足一般大型公共建筑的結構、造型等設計要求，其視線設計也是必不可少的環節。眾所皆知，如果沒有良好的視線質量，那么劇場觀眾廳的設計無疑是失敗的。長期以來，視線設計一直是建筑技術領域的一項難題。

在觀眾廳的設計階段，座椅的排布設計是最重要的環節。由于視線本身的不定性及各種遮擋因素的相互交叉性，很容易造成劇場建成后觀演質量難以達到預期的設計效果，造成大量觀眾席位視線遮擋嚴重。如采取相應的補救措施，又會局限于建筑的整體結構及資金問題等，往往會造成相應資源的浪費。

合理的觀眾廳視線設計應使觀眾能夠看到舞臺面表演區的全部，即使受條件限制時，也應使視覺質量相對不良的座椅的觀眾可以看到80%的表演區。在當下觀眾廳的視線設計中，視點應根據劇場實際需求進行選擇：鏡框式臺口劇場宜選在舞臺面臺口線中心臺面處；大臺唇式及伸出式舞臺可將視點相應的外移；島式舞臺視點應選在表演區邊緣；當條件限制時，視點可適當提高，但不得超過舞臺面0.3 m，向大幕投影線或表演區邊緣后移，不應大于1.0 m。

《劇場建筑設計規范》（JGJ 57-2000，下同）5.1中規定：觀眾席對視點的最遠視距，歌舞劇場不宜大于33 m，話劇和戲曲劇場不宜大于28 m，伸出式、島式舞臺劇場不宜大于20 m；鏡框式舞臺觀眾視線最大俯角，樓座后排不宜大于20°，靠近舞臺的包廂或邊樓座不宜大于35°。伸出式、島式舞臺劇場俯角不宜大于30°；水平視角為30°～60°，最前排水平視角不宜超過120°。

在現階段的觀眾廳座椅排布設計中，視線升高差C值應取0.12 m，一般采用圖解法、相似三角形數解法、謝爾可公式法等方法求取地面升起坡度。一層樓座末排觀眾沿著看臺上沿的視線不應被二層挑臺下沿遮擋，安排在后墻的放映設備應保證無遮擋地投影到整個舞臺，邊座視線不應被包廂、側墻遮擋。

然而，在實際的工作中，大多數建筑師所采取的方法是憑借其他劇場的設計經驗來進行座椅排布，所給出的圖紙也只是CAD二維圖紙，視線質量難以得到保證。

2 視線分析軟件《神眼》

軟件《神眼》正是在當下傳統設計手法無法保證視覺效果的環境下，利用三維模擬技術，根據AutoCAD圖紙構建一個虛擬的劇場模型，并以此模型為基礎，對劇場中的觀眾席進行視線分析和模擬，隨后以視線遮擋率為標準將座椅分為好、中、差三個等級。在分析結果的基礎上結合《劇場建筑設計規范》對視線較差的劇場座椅排布進行優化調整，以得到最佳視線情況下的座椅排布設計，為建筑設計師隨后修改設計圖紙資料提供科學、準確、直觀的依據。

2.1 《神眼》的工作原理

為保證軟件計算工作的準確性，在視線分析和排布優化的整個過程中使用的約束條件和判斷標準均來自《劇場建筑設計規范》及相關行業標準，整個場景的仿真設計使用速度更快、性能更高且跨平臺的Open Scence Graph（簡稱OSG）作為開發平臺，使得分析和優化結果更加直觀。同時，參數化設計也是近年來國內外較為流行的建筑設計手法，相比傳統的設計，具有更強的邏輯性、可控性和實時性。

良好的視線設計就是保證觀眾在觀看演出的時候能夠看到表演區的全部內容，軟件《神眼》對劇場觀眾廳的判斷約束條件符合《劇場建筑設計規范》中所規定的各種參量。在軟件的運行中，首先對整個劇場的觀眾廳場景進行虛擬的三維建模，隨后，采取從虛擬的觀眾位置向臺口發出射線來模擬真實的觀眾視線，以求得這些射線與前排觀眾、舞臺臺口等參量是否相交，并以此為基準來判定該座位是否存在視線遮擋。視線遮擋率是指在初始參數相同的情況下，視線較差（軟件《神眼》中顯示為紅色）的座椅占總座椅的比例。該數值也可以作為衡量一個觀眾廳視線設計好壞的標準。endprint

遮擋檢測的原理是，把舞臺臺口等參量進行量化細分，從觀眾席中的檢測視點引出視線到各個參量細分的點，并對遮擋物體與視線進行交叉檢測。當出現交點時，與交點相關的視線就會產生相應的變化。這樣，就分別產生了以觀眾視點為頂點、舞臺臺口下沿、天幕上沿、天幕下沿為底邊的三角形遮擋情況，見圖1。這些細分數值代表了對該觀眾廳座椅視線質量的要求，通過對這些細分數值的調整，即可得出不同限制條件下視線質量的相關數據。同時，根據遮擋面積占舞臺臺口、天幕總面積的比例，可以求出總的遮擋率，從而能夠得出設計座椅的視線遮擋情況，隨后即可在設計中進行座椅的優化調整。

2.2 軟件工作流程及操作

軟件《神眼》的視線分析過程見圖2。

利用 《神眼》軟件進行計算機視線仿真的具體過程如下：

首先，對場景進行三維建模。三維建模主要分為兩個部分：（1）利用AutoCAD中的建筑師所提供的座椅平面布置圖進行座椅的坐標定位；（2）利用SKETCHUP建模軟件對觀眾廳的舞臺、形狀等準確定位。

完成上兩項工作后，將模型和數據導入到軟件《神眼》中，針對不同觀眾廳的演出質量要求，在軟件自定的界面下對人眼高度、視點高度、判定標準等參量進行設置。最后，計算機模擬視線仿真，可得出優等、差等、中等的座位數及相關必要的參數，建筑師可根據這些參數對圖紙進行必要的修改和調整。

3 應用案例分析

3.1 800人小型劇場

案例一，觀眾廳的座椅包括池座（638座）和樓座（135座）兩個部分，共773座，其排布設計及視點等設計參量詳見圖3及表1。該劇場主舞臺尺寸為12 m×9 m×7 m（寬×深×高），臺口尺寸為12 m×7 m（寬×高）。

利用建筑師提供的建筑設計圖紙進行建模，并導入視線分析軟件《神眼》中進行視線分析，得出以下結論：

（1）樓座視線整體遮擋嚴重，原因在于C值分布不均勻，造成前后排觀眾遮擋；

（2）池座部分的視線遮擋主要集中于邊角地區，如圖4所示。一方面原因在于觀眾廳橫向輪廓偏寬，另一方面在于臺口尺寸偏小。

（3）座椅優劣判斷標準見表2，觀眾席座椅視線分析數據結果詳見表3。

依據《神眼》分析結果，對原設計提出以下修改意見：

（1）對于觀眾廳的樓座部分，主要調整座椅排布的C值；

（2）對于池座部分，調整觀眾廳座椅排布，減少邊角座椅；

（3）臺口尺寸不變，調整觀眾廳形狀，減少橫向距離，可加大縱向距離；

（4）觀眾廳尺寸不變，增加舞臺臺口尺寸。

按照以上修改意見，重新調整劇場的座椅之后，再一次進行視線分析，具體操作及分析內容如下：

（1）調整舞臺臺口的尺寸，由原先的12 m調整為14 m，視線分析結果如圖5所示，對邊角區域的座椅視線質量有較大的改善；

（2）對于樓座座椅，調整C值后樓座座椅的視線有了很大的改善，如圖6所示。

3.2 1500人大型劇場

案例二，座椅包括樓座（939座）和池座（438座）兩部分，共1 377座。另外，臺口尺寸為18 m×8 m（寬×高）； 舞臺尺寸為18 m×13 m×8 m（寬×深×高），其座椅排布圖及設計參數見圖7及表4。

經軟件《神眼》分析后，具體分析數據及結果見圖8及表5，表3中的數據分別為視點為0.000及300 mm時的視線分析數據。由此，可以得出結論——座椅排布視線的整體遮擋率為21.9%，其中：

（1）池座部分前半區視線遮擋最為嚴重，原因在于前3排設計有會議桌，C值偏小；4排～10排設置為隔排升起，C值平均為10 cm，造成視線遮擋；后半區C值有所增加，平均為12 cm，視線良好，沒有遮擋。

（2）樓座部分視線遮擋座位主要集中在邊角區域，原因在于樓座座椅排布曲率半徑過小，雖然平均C值為12 cm，但出現座椅錯位遮擋現象，造成視線遮擋。

（3）本方案使用功能以會議為主，為了降低觀眾席后排高差，可以適當提高視點。

值得一提的是，《神眼》軟件可以仿真模擬每個座位的視線情況，更加清楚直觀地看出當前座椅的遮擋情況及具體遮擋的參量。在該案例中，座椅排布平面圖（圖7）中所選A、B兩點的視線模擬圖如圖9～圖10所示。 B點視線質量良好；A點的遮擋來源于臺口及天幕下沿，原因在于C值過小造成的前排觀眾對其產生橫向及縱向遮擋。

4 結語

計算機軟件輔助設計突破了傳統的建筑設計手法，從而提高了建筑師的設計效率。在劇場觀眾廳的設計方面，視線分析軟件《神眼》有效地幫助解決了座椅排布中視線遮擋問題，具有一定的實用性。不僅如此，該軟件對體育場館、階梯教室同樣適用，還將輔助解決人員安全疏散時間等問題。當然，目前軟件《神眼》還處于初級階段，存在一些操作上的問題，有待進一步改進，敬請業內外行家不吝指正。

注：由北京工業大學自主開發的觀眾廳視線分析軟件《神眼》，獲國家版權局計算機軟件著作權保護，登記號2013SR089485。endprint

遮擋檢測的原理是，把舞臺臺口等參量進行量化細分，從觀眾席中的檢測視點引出視線到各個參量細分的點，并對遮擋物體與視線進行交叉檢測。當出現交點時，與交點相關的視線就會產生相應的變化。這樣，就分別產生了以觀眾視點為頂點、舞臺臺口下沿、天幕上沿、天幕下沿為底邊的三角形遮擋情況，見圖1。這些細分數值代表了對該觀眾廳座椅視線質量的要求，通過對這些細分數值的調整，即可得出不同限制條件下視線質量的相關數據。同時，根據遮擋面積占舞臺臺口、天幕總面積的比例，可以求出總的遮擋率，從而能夠得出設計座椅的視線遮擋情況，隨后即可在設計中進行座椅的優化調整。

2.2 軟件工作流程及操作

軟件《神眼》的視線分析過程見圖2。

利用 《神眼》軟件進行計算機視線仿真的具體過程如下：

首先，對場景進行三維建模。三維建模主要分為兩個部分：（1）利用AutoCAD中的建筑師所提供的座椅平面布置圖進行座椅的坐標定位；（2）利用SKETCHUP建模軟件對觀眾廳的舞臺、形狀等準確定位。

完成上兩項工作后，將模型和數據導入到軟件《神眼》中，針對不同觀眾廳的演出質量要求，在軟件自定的界面下對人眼高度、視點高度、判定標準等參量進行設置。最后，計算機模擬視線仿真，可得出優等、差等、中等的座位數及相關必要的參數，建筑師可根據這些參數對圖紙進行必要的修改和調整。

3 應用案例分析

3.1 800人小型劇場

案例一，觀眾廳的座椅包括池座（638座）和樓座（135座）兩個部分，共773座，其排布設計及視點等設計參量詳見圖3及表1。該劇場主舞臺尺寸為12 m×9 m×7 m（寬×深×高），臺口尺寸為12 m×7 m（寬×高）。

利用建筑師提供的建筑設計圖紙進行建模，并導入視線分析軟件《神眼》中進行視線分析，得出以下結論：

（1）樓座視線整體遮擋嚴重，原因在于C值分布不均勻，造成前后排觀眾遮擋；

（2）池座部分的視線遮擋主要集中于邊角地區，如圖4所示。一方面原因在于觀眾廳橫向輪廓偏寬，另一方面在于臺口尺寸偏小。

（3）座椅優劣判斷標準見表2，觀眾席座椅視線分析數據結果詳見表3。

依據《神眼》分析結果，對原設計提出以下修改意見：

（1）對于觀眾廳的樓座部分，主要調整座椅排布的C值；

（2）對于池座部分，調整觀眾廳座椅排布，減少邊角座椅；

（3）臺口尺寸不變，調整觀眾廳形狀，減少橫向距離，可加大縱向距離；

（4）觀眾廳尺寸不變，增加舞臺臺口尺寸。

按照以上修改意見，重新調整劇場的座椅之后，再一次進行視線分析，具體操作及分析內容如下：

（1）調整舞臺臺口的尺寸，由原先的12 m調整為14 m，視線分析結果如圖5所示，對邊角區域的座椅視線質量有較大的改善；

（2）對于樓座座椅，調整C值后樓座座椅的視線有了很大的改善，如圖6所示。

3.2 1500人大型劇場

案例二，座椅包括樓座（939座）和池座（438座）兩部分，共1 377座。另外，臺口尺寸為18 m×8 m（寬×高）； 舞臺尺寸為18 m×13 m×8 m（寬×深×高），其座椅排布圖及設計參數見圖7及表4。

經軟件《神眼》分析后，具體分析數據及結果見圖8及表5，表3中的數據分別為視點為0.000及300 mm時的視線分析數據。由此，可以得出結論——座椅排布視線的整體遮擋率為21.9%，其中：

（1）池座部分前半區視線遮擋最為嚴重，原因在于前3排設計有會議桌，C值偏小；4排～10排設置為隔排升起，C值平均為10 cm，造成視線遮擋；后半區C值有所增加，平均為12 cm，視線良好，沒有遮擋。

（2）樓座部分視線遮擋座位主要集中在邊角區域，原因在于樓座座椅排布曲率半徑過小，雖然平均C值為12 cm，但出現座椅錯位遮擋現象，造成視線遮擋。

（3）本方案使用功能以會議為主，為了降低觀眾席后排高差，可以適當提高視點。

值得一提的是，《神眼》軟件可以仿真模擬每個座位的視線情況，更加清楚直觀地看出當前座椅的遮擋情況及具體遮擋的參量。在該案例中，座椅排布平面圖（圖7）中所選A、B兩點的視線模擬圖如圖9～圖10所示。 B點視線質量良好；A點的遮擋來源于臺口及天幕下沿，原因在于C值過小造成的前排觀眾對其產生橫向及縱向遮擋。

4 結語

計算機軟件輔助設計突破了傳統的建筑設計手法，從而提高了建筑師的設計效率。在劇場觀眾廳的設計方面，視線分析軟件《神眼》有效地幫助解決了座椅排布中視線遮擋問題，具有一定的實用性。不僅如此，該軟件對體育場館、階梯教室同樣適用，還將輔助解決人員安全疏散時間等問題。當然，目前軟件《神眼》還處于初級階段，存在一些操作上的問題，有待進一步改進，敬請業內外行家不吝指正。

注：由北京工業大學自主開發的觀眾廳視線分析軟件《神眼》，獲國家版權局計算機軟件著作權保護，登記號2013SR089485。endprint

遮擋檢測的原理是，把舞臺臺口等參量進行量化細分，從觀眾席中的檢測視點引出視線到各個參量細分的點，并對遮擋物體與視線進行交叉檢測。當出現交點時，與交點相關的視線就會產生相應的變化。這樣，就分別產生了以觀眾視點為頂點、舞臺臺口下沿、天幕上沿、天幕下沿為底邊的三角形遮擋情況，見圖1。這些細分數值代表了對該觀眾廳座椅視線質量的要求，通過對這些細分數值的調整，即可得出不同限制條件下視線質量的相關數據。同時，根據遮擋面積占舞臺臺口、天幕總面積的比例，可以求出總的遮擋率，從而能夠得出設計座椅的視線遮擋情況，隨后即可在設計中進行座椅的優化調整。

2.2 軟件工作流程及操作

軟件《神眼》的視線分析過程見圖2。

利用 《神眼》軟件進行計算機視線仿真的具體過程如下：

首先，對場景進行三維建模。三維建模主要分為兩個部分：（1）利用AutoCAD中的建筑師所提供的座椅平面布置圖進行座椅的坐標定位；（2）利用SKETCHUP建模軟件對觀眾廳的舞臺、形狀等準確定位。

完成上兩項工作后，將模型和數據導入到軟件《神眼》中，針對不同觀眾廳的演出質量要求，在軟件自定的界面下對人眼高度、視點高度、判定標準等參量進行設置。最后，計算機模擬視線仿真，可得出優等、差等、中等的座位數及相關必要的參數，建筑師可根據這些參數對圖紙進行必要的修改和調整。

3 應用案例分析

3.1 800人小型劇場

案例一，觀眾廳的座椅包括池座（638座）和樓座（135座）兩個部分，共773座，其排布設計及視點等設計參量詳見圖3及表1。該劇場主舞臺尺寸為12 m×9 m×7 m（寬×深×高），臺口尺寸為12 m×7 m（寬×高）。

利用建筑師提供的建筑設計圖紙進行建模，并導入視線分析軟件《神眼》中進行視線分析，得出以下結論：

（1）樓座視線整體遮擋嚴重，原因在于C值分布不均勻，造成前后排觀眾遮擋；

（2）池座部分的視線遮擋主要集中于邊角地區，如圖4所示。一方面原因在于觀眾廳橫向輪廓偏寬，另一方面在于臺口尺寸偏小。

（3）座椅優劣判斷標準見表2，觀眾席座椅視線分析數據結果詳見表3。

依據《神眼》分析結果，對原設計提出以下修改意見：

（1）對于觀眾廳的樓座部分，主要調整座椅排布的C值；

（2）對于池座部分，調整觀眾廳座椅排布，減少邊角座椅；

（3）臺口尺寸不變，調整觀眾廳形狀，減少橫向距離，可加大縱向距離；

（4）觀眾廳尺寸不變，增加舞臺臺口尺寸。

按照以上修改意見，重新調整劇場的座椅之后，再一次進行視線分析，具體操作及分析內容如下：

（1）調整舞臺臺口的尺寸，由原先的12 m調整為14 m，視線分析結果如圖5所示，對邊角區域的座椅視線質量有較大的改善；

（2）對于樓座座椅，調整C值后樓座座椅的視線有了很大的改善，如圖6所示。

3.2 1500人大型劇場

案例二，座椅包括樓座（939座）和池座（438座）兩部分，共1 377座。另外，臺口尺寸為18 m×8 m（寬×高）； 舞臺尺寸為18 m×13 m×8 m（寬×深×高），其座椅排布圖及設計參數見圖7及表4。

經軟件《神眼》分析后，具體分析數據及結果見圖8及表5，表3中的數據分別為視點為0.000及300 mm時的視線分析數據。由此，可以得出結論——座椅排布視線的整體遮擋率為21.9%，其中：

（1）池座部分前半區視線遮擋最為嚴重，原因在于前3排設計有會議桌，C值偏小；4排～10排設置為隔排升起，C值平均為10 cm，造成視線遮擋；后半區C值有所增加，平均為12 cm，視線良好，沒有遮擋。

（2）樓座部分視線遮擋座位主要集中在邊角區域，原因在于樓座座椅排布曲率半徑過小，雖然平均C值為12 cm，但出現座椅錯位遮擋現象，造成視線遮擋。

（3）本方案使用功能以會議為主，為了降低觀眾席后排高差，可以適當提高視點。

值得一提的是，《神眼》軟件可以仿真模擬每個座位的視線情況，更加清楚直觀地看出當前座椅的遮擋情況及具體遮擋的參量。在該案例中，座椅排布平面圖（圖7）中所選A、B兩點的視線模擬圖如圖9～圖10所示。 B點視線質量良好；A點的遮擋來源于臺口及天幕下沿，原因在于C值過小造成的前排觀眾對其產生橫向及縱向遮擋。

4 結語

計算機軟件輔助設計突破了傳統的建筑設計手法，從而提高了建筑師的設計效率。在劇場觀眾廳的設計方面，視線分析軟件《神眼》有效地幫助解決了座椅排布中視線遮擋問題，具有一定的實用性。不僅如此，該軟件對體育場館、階梯教室同樣適用，還將輔助解決人員安全疏散時間等問題。當然，目前軟件《神眼》還處于初級階段，存在一些操作上的問題，有待進一步改進，敬請業內外行家不吝指正。

注：由北京工業大學自主開發的觀眾廳視線分析軟件《神眼》，獲國家版權局計算機軟件著作權保護，登記號2013SR089485。endprint