基于運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的民族舞蹈的保護(hù)

沈縈華，吳曉雨，呂朝輝

(中國(guó)傳媒大學(xué)，北京100024)

1 引言

中國(guó)是一個(gè)統(tǒng)一的多民族國(guó)家，豐富多彩的民族文化中，傳統(tǒng)的少數(shù)民族舞蹈是其中重要的非物質(zhì)文化遺產(chǎn)資源。一些優(yōu)秀的中國(guó)民間表演藝術(shù)及傳統(tǒng)手工藝正瀕臨失傳和消亡的威脅，亟須通過(guò)不同手段給予科學(xué)而有效地保護(hù)與傳承。傳統(tǒng)的文字、照片、錄像技術(shù)等二維記錄方式雖然方便采集、易于制作，但并不能詳細(xì)記錄舞蹈演員的肢體動(dòng)作，更無(wú)從談起對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的分析研究，并應(yīng)用于編舞創(chuàng)作。針對(duì)文字、照片、錄像技術(shù)對(duì)二維記錄保存的不足，本文應(yīng)用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)對(duì)我國(guó)少數(shù)民族舞蹈的舞姿進(jìn)行全方位的三維數(shù)字化保護(hù)，為非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護(hù)開(kāi)辟了一個(gè)新的領(lǐng)域，對(duì)民族文化的保護(hù)和振興有著深遠(yuǎn)的意義。

2 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)

20世紀(jì)70年代運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)被應(yīng)用于迪斯尼的動(dòng)畫(huà)制作中。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)，游戲設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)仿真和虛擬演播室中得到了廣泛應(yīng)用。運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用越來(lái)越普遍。文獻(xiàn)［1］中使用智能機(jī)器人模擬舞蹈演員的動(dòng)作。文獻(xiàn)［2］使用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)模擬拉丁舞的舞姿。文獻(xiàn)［3］針對(duì)編鐘樂(lè)舞建立了運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)，討論了基于情感模型的運(yùn)動(dòng)片段分類(lèi)。在各種不同的應(yīng)用中，涉及多運(yùn)動(dòng)的編輯和重用技術(shù)。

運(yùn)動(dòng)捕捉是指通過(guò)傳感設(shè)備測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體在三維空間的運(yùn)動(dòng)狀況，以圖像的形式記錄下來(lái)，然后使用計(jì)算機(jī)對(duì)該圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同時(shí)間計(jì)量單位上不同物體的空間坐標(biāo)。運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)通過(guò)記錄人體運(yùn)動(dòng)信息以供分析和回放。

目前運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)從原理上可分為機(jī)械式、電磁式、光學(xué)式和聲學(xué)式。其中光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)應(yīng)用較廣泛，大多利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理:從理論上說(shuō)，對(duì)于空間中的一個(gè)點(diǎn)，只要它能同時(shí)為兩部相機(jī)所見(jiàn)，則根據(jù)同一時(shí)刻兩部相機(jī)所拍攝的圖像和相機(jī)參數(shù)，可以確定這一時(shí)刻該點(diǎn)在空間中的位置。當(dāng)相機(jī)以足夠高的速率連續(xù)拍攝時(shí)，從圖像序列中就可以得到該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉便是利用這一點(diǎn)通過(guò)對(duì)目標(biāo)上特定光點(diǎn)的監(jiān)視和跟蹤來(lái)完成運(yùn)動(dòng)捕捉的任務(wù)。

本文所采用的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，該系統(tǒng)由7個(gè)數(shù)碼攝相機(jī)環(huán)繞表演場(chǎng)地排列，這些攝像機(jī)的視野重疊區(qū)域就是表演者的表演范圍區(qū)域。舞蹈演員被要求穿緊身的衣服，并且在身體的關(guān)鍵部位貼上29個(gè)反光標(biāo)記點(diǎn)(Marker點(diǎn))，標(biāo)記點(diǎn)應(yīng)放到捕捉運(yùn)動(dòng)的基本骨架上，它可以通過(guò)計(jì)算機(jī)識(shí)別。如圖1所示。多個(gè)攝像機(jī)拍攝安裝了反射標(biāo)記點(diǎn)的舞蹈演員動(dòng)作，將圖像序列保存下來(lái)進(jìn)行分析和處理并識(shí)別其中的標(biāo)記點(diǎn)并計(jì)算其在每一瞬間的空間位置。標(biāo)記點(diǎn)可能發(fā)生混淆、遮擋，會(huì)影響到計(jì)算的準(zhǔn)確性，所以直接采集到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行人工修補(bǔ)和處理。數(shù)據(jù)修補(bǔ)可利用采集設(shè)備自帶軟件的處理功能去掉噪聲點(diǎn)、平滑運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)于缺失點(diǎn)可以根據(jù)當(dāng)前幀和相鄰前幾幀數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)。

圖1 運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)和采集的空間數(shù)據(jù)點(diǎn)

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程

本文采用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)采集舞蹈演員動(dòng)作的關(guān)鍵骨骼點(diǎn)，然后將這些描述舞蹈演員運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)鍵點(diǎn)綁定在建立的虛擬的人物模型上，使用這些關(guān)鍵點(diǎn)驅(qū)動(dòng)虛擬的三維的舞蹈演員表演，這樣可以有效的記錄下舞蹈演員的肢體動(dòng)作并可以完整的保留和全方位的展示。整個(gè)系統(tǒng)的主要流程如圖2所示:

圖2 系統(tǒng)流程圖

3.2 舞蹈演員人物模型的建立

本文對(duì)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)中的土家族擺手舞進(jìn)行三維舞蹈數(shù)據(jù)采集、記錄、修正，通過(guò)建模軟件對(duì)舞蹈演員的角色進(jìn)行人物模型的建立，服飾的模擬，最終將三維的舞蹈數(shù)據(jù)和人物模型進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定，實(shí)現(xiàn)了民間舞蹈的三維數(shù)據(jù)化保護(hù)和三維數(shù)字化還原。

為了真實(shí)的還原舞蹈演員的舞蹈動(dòng)作，首先在3D Studio Max中進(jìn)行人體建模，同時(shí)對(duì)少數(shù)民族的服飾進(jìn)行設(shè)計(jì)和模擬。如圖3所示。

圖3 人物三維模型的建立

3.3 人體模型的骨骼綁定

通過(guò)運(yùn)動(dòng)捕捉采集的舞蹈演員的運(yùn)動(dòng)軌跡是一些空間的數(shù)據(jù)點(diǎn)，要使這些數(shù)據(jù)可以驅(qū)動(dòng)人物模型按照舞蹈演員的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)，需要進(jìn)行骨骼綁定。通過(guò)骨骼綁定來(lái)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)捕捉的數(shù)據(jù)，綁定骨骼時(shí)必須注意權(quán)重的影響，就是骨骼的運(yùn)動(dòng)對(duì)于模型各個(gè)點(diǎn)的影響，這樣才能使模型的運(yùn)動(dòng)盡可能地自然協(xié)調(diào)。如圖4所示。

圖4 人體模型的骨骼綁定

3.4 運(yùn)動(dòng)捕捉三維數(shù)據(jù)的動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)

為了很好的記錄舞蹈演員的舞蹈動(dòng)作，首先舞蹈演員在規(guī)定的表演區(qū)域進(jìn)行表演，通過(guò)多個(gè)攝像機(jī)捕捉該舞蹈演員的動(dòng)作數(shù)據(jù)，并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將捕捉得到的舞蹈數(shù)據(jù)映射到事先建立好的舞蹈演員三維模型上，利用采集到的運(yùn)動(dòng)序列生成動(dòng)畫(huà)序列，同時(shí)配上土家族的舞蹈音樂(lè)，將非物質(zhì)文化遺產(chǎn)中的民族舞蹈可以有效的全方位的保護(hù)。

圖5 運(yùn)動(dòng)捕捉三維數(shù)據(jù)的動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)少數(shù)民族非物質(zhì)文化遺產(chǎn)資源豐富，多彩的少數(shù)民族舞蹈是其中的精華。為了傳承和保護(hù)民族舞蹈，本文應(yīng)用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)對(duì)我國(guó)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)中的少數(shù)民族舞蹈中的擺手舞進(jìn)行全方位的三維數(shù)字化保護(hù)，通過(guò)本文的方法，可以建立起非物質(zhì)文化遺產(chǎn)中的少數(shù)民族舞蹈保護(hù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，真實(shí)全面地保存每個(gè)舞蹈的藝術(shù)精華，為今后少數(shù)民族舞蹈的保護(hù)研究、創(chuàng)編和影視還原提供精準(zhǔn)的數(shù)字平臺(tái)。在今后的研究中，還可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)采集舞蹈演員面部的表情，將面部表情和身體動(dòng)作相結(jié)合，可以更好的反應(yīng)舞蹈本身的內(nèi)涵。

［1］Nakaoka S，Nakazawa A，Yokoi K，Ikeuchi K.Leg Motion Primitives for a Dancing Humanoid Robot［C］.In Proc of IEEE International Conference on Robotics and Automation，2003，610-615.

［2］Nagata N，Okumoto K，Iwai D，Toro F ＆ Inokuchi S.Analysis and synthesis of Latin dance using motion capture data［C］.Lect Notes Comput Sci，3333，2004，39-44.

［3］盛劍暉，邵未，孫守遷.面向編鐘樂(lè)舞的舞蹈動(dòng)作編排系統(tǒng)的研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005，17(3):631-634.