观众厅视线分析软件《神眼》的应用

陈芳+李国棋

【摘 要】 利用北京工业大学自主开发的视线分析软件《神眼》，分析近年来中国剧场观众厅视线设计的案例。

【关键词】 剧场；观众厅；计算机软件；《神眼》

文章编号： 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

随着科学技术的发展，计算机辅助建筑设计已成为建筑设计中的一项重要应用技术。近年来，虚拟现实及三维模拟的快速发展和广泛应用，使得计算机可以模拟更加真实的建筑场景，从而指导建筑师的设计、检验及查找设计中存在的问题，甚至解决相关技术难题。

北京工业大学自主开发的视线分析软件《神眼》，以计算机绘图技术与建筑设计为基础，对剧场的观众厅进行三维建模，并模拟观众视线，提供各种与视线分析相关的技术数据，为建筑师进行观众厅座椅排布及视线分析提供依据。同时，也为观众厅座椅自动排布和计算观众安全疏散时间打下基础。本文利用《神眼》软件分析相关案例，同时也进一步完善该软件，旨在为建筑师进行观众厅视线分析提供便利实用的工具。

1 观众厅视线分析

作为一种大型的公共建筑，剧场的设计除了要满足一般大型公共建筑的结构、造型等设计要求，其视线设计也是必不可少的环节。众所皆知，如果没有良好的视线质量，那么剧场观众厅的设计无疑是失败的。长期以来，视线设计一直是建筑技术领域的一项难题。

在观众厅的设计阶段，座椅的排布设计是最重要的环节。由于视线本身的不定性及各种遮挡因素的相互交叉性，很容易造成剧场建成后观演质量难以达到预期的设计效果，造成大量观众席位视线遮挡严重。如采取相应的补救措施，又会局限于建筑的整体结构及资金问题等，往往会造成相应资源的浪费。

合理的观众厅视线设计应使观众能够看到舞台面表演区的全部，即使受条件限制时，也应使视觉质量相对不良的座椅的观众可以看到80%的表演区。在当下观众厅的视线设计中，视点应根据剧场实际需求进行选择：镜框式台口剧场宜选在舞台面台口线中心台面处；大台唇式及伸出式舞台可将视点相应的外移；岛式舞台视点应选在表演区边缘；当条件限制时，视点可适当提高，但不得超过舞台面0.3 m，向大幕投影线或表演区边缘后移，不应大于1.0 m。

《剧场建筑设计规范》（JGJ 57-2000，下同）5.1中规定：观众席对视点的最远视距，歌舞剧场不宜大于33 m，话剧和戏曲剧场不宜大于28 m，伸出式、岛式舞台剧场不宜大于20 m；镜框式舞台观众视线最大俯角，楼座后排不宜大于20°，靠近舞台的包厢或边楼座不宜大于35°。伸出式、岛式舞台剧场俯角不宜大于30°；水平视角为30°～60°，最前排水平视角不宜超过120°。

在现阶段的观众厅座椅排布设计中，视线升高差C值应取0.12 m，一般采用图解法、相似三角形数解法、谢尔可公式法等方法求取地面升起坡度。一层楼座末排观众沿着看台上沿的视线不应被二层挑台下沿遮挡，安排在后墙的放映设备应保证无遮挡地投影到整个舞台，边座视线不应被包厢、侧墙遮挡。

然而，在实际的工作中，大多数建筑师所采取的方法是凭借其他剧场的设计经验来进行座椅排布，所给出的图纸也只是CAD二维图纸，视线质量难以得到保证。

2 视线分析软件《神眼》

软件《神眼》正是在当下传统设计手法无法保证视觉效果的环境下，利用三维模拟技术，根据AutoCAD图纸构建一个虚拟的剧场模型，并以此模型为基础，对剧场中的观众席进行视线分析和模拟，随后以视线遮挡率为标准将座椅分为好、中、差三个等级。在分析结果的基础上结合《剧场建筑设计规范》对视线较差的剧场座椅排布进行优化调整，以得到最佳视线情况下的座椅排布设计，为建筑设计师随后修改设计图纸资料提供科学、准确、直观的依据。

2.1 《神眼》的工作原理

为保证软件计算工作的准确性，在视线分析和排布优化的整个过程中使用的约束条件和判断标准均来自《剧场建筑设计规范》及相关行业标准，整个场景的仿真设计使用速度更快、性能更高且跨平台的Open Scence Graph（简称OSG）作为开发平台，使得分析和优化结果更加直观。同时，参数化设计也是近年来国内外较为流行的建筑设计手法，相比传统的设计，具有更强的逻辑性、可控性和实时性。

良好的视线设计就是保证观众在观看演出的时候能够看到表演区的全部内容，软件《神眼》对剧场观众厅的判断约束条件符合《剧场建筑设计规范》中所规定的各种参量。在软件的运行中，首先对整个剧场的观众厅场景进行虚拟的三维建模，随后，采取从虚拟的观众位置向台口发出射线来模拟真实的观众视线，以求得这些射线与前排观众、舞台台口等参量是否相交，并以此为基准来判定该座位是否存在视线遮挡。视线遮挡率是指在初始参数相同的情况下，视线较差（软件《神眼》中显示为红色）的座椅占总座椅的比例。该数值也可以作为衡量一个观众厅视线设计好坏的标准。endprint

遮挡检测的原理是，把舞台台口等参量进行量化细分，从观众席中的检测视点引出视线到各个参量细分的点，并对遮挡物体与视线进行交叉检测。当出现交点时，与交点相关的视线就会产生相应的变化。这样，就分别产生了以观众视点为顶点、舞台台口下沿、天幕上沿、天幕下沿为底边的三角形遮挡情况，见图1。这些细分数值代表了对该观众厅座椅视线质量的要求，通过对这些细分数值的调整，即可得出不同限制条件下视线质量的相关数据。同时，根据遮挡面积占舞台台口、天幕总面积的比例，可以求出总的遮挡率，从而能够得出设计座椅的视线遮挡情况，随后即可在设计中进行座椅的优化调整。

2.2 软件工作流程及操作

软件《神眼》的视线分析过程见图2。

利用 《神眼》软件进行计算机视线仿真的具体过程如下：

首先，对场景进行三维建模。三维建模主要分为两个部分：（1）利用AutoCAD中的建筑师所提供的座椅平面布置图进行座椅的坐标定位；（2）利用SKETCHUP建模软件对观众厅的舞台、形状等准确定位。

完成上两项工作后，将模型和数据导入到软件《神眼》中，针对不同观众厅的演出质量要求，在软件自定的界面下对人眼高度、视点高度、判定标准等参量进行设置。最后，计算机模拟视线仿真，可得出优等、差等、中等的座位数及相关必要的参数，建筑师可根据这些参数对图纸进行必要的修改和调整。

3 应用案例分析

3.1 800人小型剧场

案例一，观众厅的座椅包括池座（638座）和楼座（135座）两个部分，共773座，其排布设计及视点等设计参量详见图3及表1。该剧场主舞台尺寸为12 m×9 m×7 m（宽×深×高），台口尺寸为12 m×7 m（宽×高）。

利用建筑师提供的建筑设计图纸进行建模，并导入视线分析软件《神眼》中进行视线分析，得出以下结论：

（1）楼座视线整体遮挡严重，原因在于C值分布不均匀，造成前后排观众遮挡；

（2）池座部分的视线遮挡主要集中于边角地区，如图4所示。一方面原因在于观众厅横向轮廓偏宽，另一方面在于台口尺寸偏小。

（3）座椅优劣判断标准见表2，观众席座椅视线分析数据结果详见表3。

依据《神眼》分析结果，对原设计提出以下修改意见：

（1）对于观众厅的楼座部分，主要调整座椅排布的C值；

（2）对于池座部分，调整观众厅座椅排布，减少边角座椅；

（3）台口尺寸不变，调整观众厅形状，减少横向距离，可加大纵向距离；

（4）观众厅尺寸不变，增加舞台台口尺寸。

按照以上修改意见，重新调整剧场的座椅之后，再一次进行视线分析，具体操作及分析内容如下：

（1）调整舞台台口的尺寸，由原先的12 m调整为14 m，视线分析结果如图5所示，对边角区域的座椅视线质量有较大的改善；

（2）对于楼座座椅，调整C值后楼座座椅的视线有了很大的改善，如图6所示。

3.2 1500人大型剧场

案例二，座椅包括楼座（939座）和池座（438座）两部分，共1 377座。另外，台口尺寸为18 m×8 m（宽×高）； 舞台尺寸为18 m×13 m×8 m（宽×深×高），其座椅排布图及设计参数见图7及表4。

经软件《神眼》分析后，具体分析数据及结果见图8及表5，表3中的数据分别为视点为0.000及300 mm时的视线分析数据。由此，可以得出结论——座椅排布视线的整体遮挡率为21.9%，其中：

（1）池座部分前半区视线遮挡最为严重，原因在于前3排设计有会议桌，C值偏小；4排～10排设置为隔排升起，C值平均为10 cm，造成视线遮挡；后半区C值有所增加，平均为12 cm，视线良好，没有遮挡。

（2）楼座部分视线遮挡座位主要集中在边角区域，原因在于楼座座椅排布曲率半径过小，虽然平均C值为12 cm，但出现座椅错位遮挡现象，造成视线遮挡。

（3）本方案使用功能以会议为主，为了降低观众席后排高差，可以适当提高视点。

值得一提的是，《神眼》软件可以仿真模拟每个座位的视线情况，更加清楚直观地看出当前座椅的遮挡情况及具体遮挡的参量。在该案例中，座椅排布平面图（图7）中所选A、B两点的视线模拟图如图9～图10所示。 B点视线质量良好；A点的遮挡来源于台口及天幕下沿，原因在于C值过小造成的前排观众对其产生横向及纵向遮挡。

4 结语

计算机软件辅助设计突破了传统的建筑设计手法，从而提高了建筑师的设计效率。在剧场观众厅的设计方面，视线分析软件《神眼》有效地帮助解决了座椅排布中视线遮挡问题，具有一定的实用性。不仅如此，该软件对体育场馆、阶梯教室同样适用，还将辅助解决人员安全疏散时间等问题。当然，目前软件《神眼》还处于初级阶段，存在一些操作上的问题，有待进一步改进，敬请业内外行家不吝指正。

注：由北京工业大学自主开发的观众厅视线分析软件《神眼》，获国家版权局计算机软件著作权保护，登记号2013SR089485。endprint

遮挡检测的原理是，把舞台台口等参量进行量化细分，从观众席中的检测视点引出视线到各个参量细分的点，并对遮挡物体与视线进行交叉检测。当出现交点时，与交点相关的视线就会产生相应的变化。这样，就分别产生了以观众视点为顶点、舞台台口下沿、天幕上沿、天幕下沿为底边的三角形遮挡情况，见图1。这些细分数值代表了对该观众厅座椅视线质量的要求，通过对这些细分数值的调整，即可得出不同限制条件下视线质量的相关数据。同时，根据遮挡面积占舞台台口、天幕总面积的比例，可以求出总的遮挡率，从而能够得出设计座椅的视线遮挡情况，随后即可在设计中进行座椅的优化调整。

2.2 软件工作流程及操作

软件《神眼》的视线分析过程见图2。

利用 《神眼》软件进行计算机视线仿真的具体过程如下：

首先，对场景进行三维建模。三维建模主要分为两个部分：（1）利用AutoCAD中的建筑师所提供的座椅平面布置图进行座椅的坐标定位；（2）利用SKETCHUP建模软件对观众厅的舞台、形状等准确定位。

完成上两项工作后，将模型和数据导入到软件《神眼》中，针对不同观众厅的演出质量要求，在软件自定的界面下对人眼高度、视点高度、判定标准等参量进行设置。最后，计算机模拟视线仿真，可得出优等、差等、中等的座位数及相关必要的参数，建筑师可根据这些参数对图纸进行必要的修改和调整。

3 应用案例分析

3.1 800人小型剧场

案例一，观众厅的座椅包括池座（638座）和楼座（135座）两个部分，共773座，其排布设计及视点等设计参量详见图3及表1。该剧场主舞台尺寸为12 m×9 m×7 m（宽×深×高），台口尺寸为12 m×7 m（宽×高）。

利用建筑师提供的建筑设计图纸进行建模，并导入视线分析软件《神眼》中进行视线分析，得出以下结论：

（1）楼座视线整体遮挡严重，原因在于C值分布不均匀，造成前后排观众遮挡；

（2）池座部分的视线遮挡主要集中于边角地区，如图4所示。一方面原因在于观众厅横向轮廓偏宽，另一方面在于台口尺寸偏小。

（3）座椅优劣判断标准见表2，观众席座椅视线分析数据结果详见表3。

依据《神眼》分析结果，对原设计提出以下修改意见：

（1）对于观众厅的楼座部分，主要调整座椅排布的C值；

（2）对于池座部分，调整观众厅座椅排布，减少边角座椅；

（3）台口尺寸不变，调整观众厅形状，减少横向距离，可加大纵向距离；

（4）观众厅尺寸不变，增加舞台台口尺寸。

按照以上修改意见，重新调整剧场的座椅之后，再一次进行视线分析，具体操作及分析内容如下：

（1）调整舞台台口的尺寸，由原先的12 m调整为14 m，视线分析结果如图5所示，对边角区域的座椅视线质量有较大的改善；

（2）对于楼座座椅，调整C值后楼座座椅的视线有了很大的改善，如图6所示。

3.2 1500人大型剧场

案例二，座椅包括楼座（939座）和池座（438座）两部分，共1 377座。另外，台口尺寸为18 m×8 m（宽×高）； 舞台尺寸为18 m×13 m×8 m（宽×深×高），其座椅排布图及设计参数见图7及表4。

经软件《神眼》分析后，具体分析数据及结果见图8及表5，表3中的数据分别为视点为0.000及300 mm时的视线分析数据。由此，可以得出结论——座椅排布视线的整体遮挡率为21.9%，其中：

（1）池座部分前半区视线遮挡最为严重，原因在于前3排设计有会议桌，C值偏小；4排～10排设置为隔排升起，C值平均为10 cm，造成视线遮挡；后半区C值有所增加，平均为12 cm，视线良好，没有遮挡。

（2）楼座部分视线遮挡座位主要集中在边角区域，原因在于楼座座椅排布曲率半径过小，虽然平均C值为12 cm，但出现座椅错位遮挡现象，造成视线遮挡。

（3）本方案使用功能以会议为主，为了降低观众席后排高差，可以适当提高视点。

值得一提的是，《神眼》软件可以仿真模拟每个座位的视线情况，更加清楚直观地看出当前座椅的遮挡情况及具体遮挡的参量。在该案例中，座椅排布平面图（图7）中所选A、B两点的视线模拟图如图9～图10所示。 B点视线质量良好；A点的遮挡来源于台口及天幕下沿，原因在于C值过小造成的前排观众对其产生横向及纵向遮挡。

4 结语

计算机软件辅助设计突破了传统的建筑设计手法，从而提高了建筑师的设计效率。在剧场观众厅的设计方面，视线分析软件《神眼》有效地帮助解决了座椅排布中视线遮挡问题，具有一定的实用性。不仅如此，该软件对体育场馆、阶梯教室同样适用，还将辅助解决人员安全疏散时间等问题。当然，目前软件《神眼》还处于初级阶段，存在一些操作上的问题，有待进一步改进，敬请业内外行家不吝指正。

注：由北京工业大学自主开发的观众厅视线分析软件《神眼》，获国家版权局计算机软件著作权保护，登记号2013SR089485。endprint

遮挡检测的原理是，把舞台台口等参量进行量化细分，从观众席中的检测视点引出视线到各个参量细分的点，并对遮挡物体与视线进行交叉检测。当出现交点时，与交点相关的视线就会产生相应的变化。这样，就分别产生了以观众视点为顶点、舞台台口下沿、天幕上沿、天幕下沿为底边的三角形遮挡情况，见图1。这些细分数值代表了对该观众厅座椅视线质量的要求，通过对这些细分数值的调整，即可得出不同限制条件下视线质量的相关数据。同时，根据遮挡面积占舞台台口、天幕总面积的比例，可以求出总的遮挡率，从而能够得出设计座椅的视线遮挡情况，随后即可在设计中进行座椅的优化调整。

2.2 软件工作流程及操作

软件《神眼》的视线分析过程见图2。

利用 《神眼》软件进行计算机视线仿真的具体过程如下：

首先，对场景进行三维建模。三维建模主要分为两个部分：（1）利用AutoCAD中的建筑师所提供的座椅平面布置图进行座椅的坐标定位；（2）利用SKETCHUP建模软件对观众厅的舞台、形状等准确定位。

完成上两项工作后，将模型和数据导入到软件《神眼》中，针对不同观众厅的演出质量要求，在软件自定的界面下对人眼高度、视点高度、判定标准等参量进行设置。最后，计算机模拟视线仿真，可得出优等、差等、中等的座位数及相关必要的参数，建筑师可根据这些参数对图纸进行必要的修改和调整。

3 应用案例分析

3.1 800人小型剧场

案例一，观众厅的座椅包括池座（638座）和楼座（135座）两个部分，共773座，其排布设计及视点等设计参量详见图3及表1。该剧场主舞台尺寸为12 m×9 m×7 m（宽×深×高），台口尺寸为12 m×7 m（宽×高）。

利用建筑师提供的建筑设计图纸进行建模，并导入视线分析软件《神眼》中进行视线分析，得出以下结论：

（1）楼座视线整体遮挡严重，原因在于C值分布不均匀，造成前后排观众遮挡；

（2）池座部分的视线遮挡主要集中于边角地区，如图4所示。一方面原因在于观众厅横向轮廓偏宽，另一方面在于台口尺寸偏小。

（3）座椅优劣判断标准见表2，观众席座椅视线分析数据结果详见表3。

依据《神眼》分析结果，对原设计提出以下修改意见：

（1）对于观众厅的楼座部分，主要调整座椅排布的C值；

（2）对于池座部分，调整观众厅座椅排布，减少边角座椅；

（3）台口尺寸不变，调整观众厅形状，减少横向距离，可加大纵向距离；

（4）观众厅尺寸不变，增加舞台台口尺寸。

按照以上修改意见，重新调整剧场的座椅之后，再一次进行视线分析，具体操作及分析内容如下：

（1）调整舞台台口的尺寸，由原先的12 m调整为14 m，视线分析结果如图5所示，对边角区域的座椅视线质量有较大的改善；

（2）对于楼座座椅，调整C值后楼座座椅的视线有了很大的改善，如图6所示。

3.2 1500人大型剧场

案例二，座椅包括楼座（939座）和池座（438座）两部分，共1 377座。另外，台口尺寸为18 m×8 m（宽×高）； 舞台尺寸为18 m×13 m×8 m（宽×深×高），其座椅排布图及设计参数见图7及表4。

经软件《神眼》分析后，具体分析数据及结果见图8及表5，表3中的数据分别为视点为0.000及300 mm时的视线分析数据。由此，可以得出结论——座椅排布视线的整体遮挡率为21.9%，其中：

（1）池座部分前半区视线遮挡最为严重，原因在于前3排设计有会议桌，C值偏小；4排～10排设置为隔排升起，C值平均为10 cm，造成视线遮挡；后半区C值有所增加，平均为12 cm，视线良好，没有遮挡。

（2）楼座部分视线遮挡座位主要集中在边角区域，原因在于楼座座椅排布曲率半径过小，虽然平均C值为12 cm，但出现座椅错位遮挡现象，造成视线遮挡。

（3）本方案使用功能以会议为主，为了降低观众席后排高差，可以适当提高视点。

值得一提的是，《神眼》软件可以仿真模拟每个座位的视线情况，更加清楚直观地看出当前座椅的遮挡情况及具体遮挡的参量。在该案例中，座椅排布平面图（图7）中所选A、B两点的视线模拟图如图9～图10所示。 B点视线质量良好；A点的遮挡来源于台口及天幕下沿，原因在于C值过小造成的前排观众对其产生横向及纵向遮挡。

4 结语

计算机软件辅助设计突破了传统的建筑设计手法，从而提高了建筑师的设计效率。在剧场观众厅的设计方面，视线分析软件《神眼》有效地帮助解决了座椅排布中视线遮挡问题，具有一定的实用性。不仅如此，该软件对体育场馆、阶梯教室同样适用，还将辅助解决人员安全疏散时间等问题。当然，目前软件《神眼》还处于初级阶段，存在一些操作上的问题，有待进一步改进，敬请业内外行家不吝指正。

注：由北京工业大学自主开发的观众厅视线分析软件《神眼》，获国家版权局计算机软件著作权保护，登记号2013SR089485。endprint