1、2023.04 科学技术创新动态微型京剧戏台的设计侯怡帆，杨淇善*，梁楷铭，刘兴宇，刘凯威（北京工业大学，北京）引言我国丰富的传统文化中，京剧是重要的构成元素之一1。随着新兴的艺术形式出现，京剧艺术的吸引力逐渐降低，传承与发展遇到了一定的挑战2。动态装置是局部或整体具有活动、交互能力的艺术作品，能够提升文化艺术的感染力和吸引力3。本文以 ArduinoMega 2560 开发板为核心，设计并实现了一种具有动态效果的微型戏台，具有良好的观赏性与创意性，可增强京剧文化对普通受众的吸引力。1戏台结构设计微型戏台的结构设计综合考虑舞台效果与人机交互中的主要因素，总体结构见图 1。戏台尺寸应依据视距、视
2、野等计算合适的参数范围4。在双眼观看的条件下，最佳视区的水平夹角约为25，垂直夹角约为 155。最佳视距设定为 0.5 m，最佳视区的水平宽度约为 0.466 m，垂直高度约为0.268 m，面积约为 0.098 m2。综合框架材料厚度、底座高度等因素，则微型戏台整体的设计水平宽度为0.5 m、垂直高度为 0.35 m。根据不同的场景，系统可设置为普通模式和观赏模式。普通模式中，系统循环演播剧目内容。观赏模式中，正面 0.5 m 范围内有观众时演播剧目内容。若观众离开，则立刻暂停当前的剧目。2硬件电路设计Arduino Mega 2560 开 发 板 基 于 微 控 制 器ATmega2560
3、 设计，拥有 54 个数字信号引脚，并支持UART、I2C 和 SPI 等多种标准的通信接口6。系统硬件电路设计见图 2。两个 28BYJ-48 步进电机带动角色模型底部的齿条实现移动，同时，人物模型上放置 LED，以突出当前唱词所对应的角色。基金项目：北京工业大学“国家级大学生创新创业训练计划”（GJDC-2023-01-73）。作者简介：侯怡帆（2002-），女，本科生，专业：工业设计。通讯作者：杨淇善（1988-），男，硕士，实验师，研究方向：嵌入式系统设计及应用。摘要：传统文化与创新技术的联合是文化发展与推广的新趋势。京剧作为国粹，吸引当代民众的关注是京剧传承的重要工作之一。根据动态装
4、置的特点与开源硬件平台的优势，设计了具有创意性和动态效果的微型京剧戏台。利用 Arduino Mega 2560 开发板和相关资源，完成了微型戏台的功能实现，其有助于京剧文化的宣传与推广。关键词：开源硬件；Arduino Mega 2560；动态装置；京剧中图分类号：TP368文献标识码：A文章编号：2096-4390（2023）04-0221-04图 1微型戏台结构设计图221-科学技术创新 2023.04戏台两端分别放置音频模块 DY-SV5W，并挂载3 W 的扬声器，通过两个 UART 接口分别控制。在 0.5 m 视距条件下，黑体 12 号字可被人眼准确识别7。戏台正面安装 0.96
5、OLED 显示屏，其内置支持 I2C 通信接口的 SSD1315 控制芯片。通过轻触按键可实现开机、关机、播放、暂停、音量调节和运行模式切换等基本的控制功能。此外，包含两个指示运行模式的 LED。采用超声波测距模块 HC-SR04 与人体热释电传感器 HC-SR505 的数据综合判断是否有观众在适宜的距离内。戏台内顶安装全彩 LED 柔性灯带，内置 SK6812控制芯片。3控制程序设计控制程序采用有限状态机的设计方法进行构建。系统上电后，进入待机状态STANDBY。当用户按下“开机”按键后，系统进入演播的相关状态。演播过程以角色的唱词段落划分为 38 个状态，即 PART_1 至 PART_3
6、8，并根据剧目内容顺序跳转。状态 PART_38 执行完毕后，系 统 进 入 剧 终 状 态PART_END，将软、硬件状态恢复为开场就绪的情况。随后，跳转至 PART_1 重新演播剧目。处于状态 PART_1至 PART_38 时，若用户按下“暂停”按键则进入暂停状态PAUSE_K，观赏模式下离开则进入暂停状态 PAUSE_P，按下“关机”按键则进入重置状态 RESET。在两个暂停状态下，若用户按下“播放”按键或观赏模式下返回，系统将跳转回前一个状态继续演播剧目。在状态 PAUSE_P下，若长时间无观众观看则跳转至状态 RESET。状态RESET 与状态 PART_END 的功能相似，执行完
7、毕后跳转至状态 STANDBY。控制程序的系统状态设计见图 3。3.1主函数主函数中首先根据当前系统状态对若干前置条件进行判断，并更新标记变量或系统状态值。前置条件判断完成后，执行系统状态机中相应状态分支的任务函数。最后，记录当前系统已运行时间，用于剧目演播的同步控制。主函数流程图见图 4。3.2任务函数系统中每个状态均有对应的任务函数，可分为四图 2系统硬件设计框图图 3系统状态设计图222-2023.04 科学技术创新类：演播任务、暂停任务、重置任务和待机任务。各个系统状态进一步划分为任务子状态机。演播任务函数的子状态机以剧目内容及时间节点为主要因素，将各个硬件功能模块需要完成的控制工作划
8、分为多个动作子状态。每个动作子状态之间加入等待子状态，控制下一个动作执行时间。同时，通过系统状态值与时间判断是否需要跳转至其他系统状态。当进入暂停任务状态时，暂存各个软、硬件功能模块的参数，以备恢复演播状态后使用。同时，记录当前任务函数运行时间值。若暂停时间超过阈值，则更新系统状态值跳转至状态 RESET。重置任务负责恢复各个软、硬件功能模块的初始状态。该任务运行期间不响应中断，以保证代码能够完整执行。待机任务中仅记录待机的时间值。若待机时间超过阈值，则提示用户关闭电源。4系统测试测试工作可分为前期的功能模块测试与后期的用户实际测试两部分。4.1硬件基本测试针对各个硬件模块独立测试，验证函数库
9、及控制方法的正确性。系统中的步进电机、音频模块、LED、按键、OLED 显示屏、全彩 LED 灯带、测距模块和人体感应模块等功能测试均符合预期。4.2唱词与字幕匹配由于各个硬件器件的响应时间不一致，为保证唱词与字幕的时间点匹配，需对代码执行至实际功能有效的延迟时间进行测试。经测试，唱词延时总平均值约为 765ms，最大值为 782 ms。字幕延时总平均值约为 36 ms，最大值为 50 ms。因此，执行唱词播放代码约 730 ms 后执行字幕显示代码，可使唱词与字幕的匹配达到感官适宜的程度。4.3观众检测观赏模式中，需检测 0.5 m 范围内有无观众在场。根据不同距离与角度，均以 20 次测量
10、结果的准确率进行分析，测试结果见表 1。表 1观众检测准确率采用滑动阈值法可准确的检测当前有无观众。但是，当夹角度数达到 45，即超声波反射信号夹角明显大于 15后，在边界值 0.5 m 处会出现一定的误判。4.4用户测试以用户实际使用检验系统是否能够正常运行并完成既定的功能，实物见图 5。首先，以普通模式完整演播剧目。第二次测试时，用户多次进行暂停、调节音量等操作。第三次测试时，系统调整为观赏模式，用户多次离开和返回。经测试，微型戏台可完整地实现剧目演播、用户交互操作响应等功能，验证了设计的可行性及开发工作的正确性。夹角度数 距离 正确结果 90 75 45 0.3 m 有 100%100%
11、100%0.4 m 有 100%100%95%0.5 m 有 100%100%65%0.6 m 无 100%100%100%图 4主函数流程图223-科学技术创新 2023.04Design of Dynamic Miniature BeijingOpera StageHou Yifan，Yang Qishan*，Liang Kaiming，Liu Xingyu，Liu Kaiwei（Beijing University of Technology，Beijing，China）Abstract：The combination of traditional culture and creativ
12、e technologies is a new trend of culturaldevelopmentandpromotion.AsthequintessenceofChineseculture,attractingtheattentionofthecontemporary public is one of the important tasks in the transmission of Beijing opera.According to thecharacteristics of dynamic devices and the advantages of open-source ha
13、rdware,a miniature Beijing operastage with creativity and dynamic effects is designed.Arduino Mega 2560 board and related resources areused to make the miniature opera stage,it is conducive to the promotion of Beijing opera culture.Key words：Open-source hardware；Arduino Mega 2560；dynamic device；beij
14、ing opera5结论良好的创意设计能够影响人们的思想和观念8。利用 Arduino Mega 2560 开发板所实现的微型京剧戏台是开源硬件与传统艺术的结合，充分发挥动态装置的优势，具有一定的创意性，有利于京剧文化的传播与推广。参考文献1王宵.基于京剧脸谱色彩文化的视觉创意设计转化研究D.北京：中国戏曲学院,2021.2姚娜.新时代背景下优秀民族传统文化的传承与发展以京剧艺术为例J.中国京剧,2021(6):56-59.3李靖康.浅析动态装置艺术的运用与发展J.居舍,2019(8):179-180.4郭倩雯.大屏幕认知研究及其在界面设计中的应用D.北京：北京邮电大学,2015.5童时中,李志光,张铭续.视野及相关要素的概念和应用问题J.水利电力劳动保护,1995(2):32-35.6Arduino.Arduino Mega 2560 Rev3 OverviewEB/OL.2022-06-24.https:/store-usa.arduino.cc/products/arduino-mega-2560-rev3.7张颖.博物馆说明文字的字体、字数和字号设置D.杭州：浙江大学,2012.8刘凯威,张雷.关于设计源头的再思考从产品创造的初始阶段思考资源的合理利用 C.设计驱动商业创新：2013 清华国际设计管理大会论文集,2013:304-308.图 5微型戏台实物图224-