基于動(dòng)作捕捉技術(shù)的民族舞蹈三維數(shù)字化方法研究

蒙曦

摘 要：我國(guó)擁有豐富的少數(shù)民族文化，而民族舞蹈作為少數(shù)民族文化的組成部分，是非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的重要篇章。由于舞蹈藝術(shù)不以一定的物質(zhì)形態(tài)存在于一定的環(huán)境之中，這就給舞蹈的記錄和保存增加了難度。在傳統(tǒng)的記錄保存工作中，演員的舞蹈動(dòng)作多通過文字、照片、錄像進(jìn)行記錄。然而，這些手段只能從幾個(gè)有限的角度以二維的方式對(duì)舞蹈動(dòng)作進(jìn)行記錄保存，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)舞蹈舞姿準(zhǔn)確且全面的記錄保護(hù)，而且傳統(tǒng)方法保存下來的數(shù)據(jù)只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的復(fù)制傳播，不能加以利用、開發(fā)和創(chuàng)新。因此，將運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)應(yīng)用到少數(shù)民族舞蹈藝術(shù)保護(hù)工作中，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)獲取該少數(shù)民族舞蹈的空間三維姿態(tài)，經(jīng)數(shù)字化動(dòng)作還原等優(yōu)化處理，從而建立起該民族舞蹈藝術(shù)動(dòng)作技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，并結(jié)合原生態(tài)文化氛圍及其他保護(hù)方式，準(zhǔn)確全面地保存少數(shù)民族舞蹈的藝術(shù)的精華，為全國(guó)眾多具有民族特色的少數(shù)民族舞蹈及體育實(shí)現(xiàn)數(shù)字化保護(hù)提供有效的參考，以及為今后的創(chuàng)作和舞蹈還原提供精準(zhǔn)的數(shù)字平臺(tái)，對(duì)促進(jìn)我國(guó)民族舞蹈藝術(shù)傳承和發(fā)揚(yáng)有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：民族舞蹈 動(dòng)作捕捉 三維數(shù)字化

基金編號(hào)：GDQN2014009

項(xiàng)目名稱：《貴州民間舞蹈的動(dòng)律編排系統(tǒng)研究》

現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，少數(shù)民族舞蹈文化遺產(chǎn)的生存空間越來越受到來自于工業(yè)文明以及經(jīng)濟(jì)全球化的沖擊。國(guó)家對(duì)少數(shù)民族舞蹈文化遺產(chǎn)的保護(hù)已經(jīng)越來越重視，如何更好的保護(hù)、搶救和挖掘少數(shù)民族舞蹈文化遺產(chǎn)以及如何將信息技術(shù)應(yīng)用于少數(shù)民族文化遺產(chǎn)的保護(hù)、搶救和挖掘中已經(jīng)成為文化界和信息技術(shù)界共同研究的一個(gè)熱門課題。本文從少數(shù)民族的舞蹈特點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)對(duì)少數(shù)民族舞蹈舞姿進(jìn)行三維數(shù)字化保護(hù)，結(jié)合民族舞蹈原生態(tài)文化氛圍以及其他保護(hù)方式的優(yōu)點(diǎn)，面向民間樂舞的虛擬角色的動(dòng)作庫(kù)制作過程著重分析了舞蹈文法下的動(dòng)作歸類及其對(duì)應(yīng)關(guān)系探討了基于情感模型下的動(dòng)作風(fēng)格鑒定理論，提出了通過對(duì)特征動(dòng)作單元屬性和關(guān)聯(lián)約束的定義來實(shí)現(xiàn)動(dòng)作銜接的方法并給出該方法在動(dòng)作編排系統(tǒng)中的應(yīng)用框架。

一、動(dòng)作捕捉技術(shù)

動(dòng)作捕捉技術(shù)最早被應(yīng)用在早期迪斯尼動(dòng)畫制作中，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，動(dòng)作捕捉技術(shù)不斷完善，并且廣泛的應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)、游戲設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)仿真等多個(gè)領(lǐng)域中。動(dòng)作捕捉技術(shù)指的是通過傳感設(shè)備對(duì)三維空間內(nèi)某個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行測(cè)量，并且將其運(yùn)動(dòng)的軌跡通過圖像的形式記錄下來，再利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)該圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以此來獲得物體的空間坐標(biāo)。

本文研究采用的是光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)。該系統(tǒng)中一共有七臺(tái)數(shù)碼攝像機(jī)，分別安置在表演場(chǎng)地外沿，每臺(tái)攝像機(jī)有著不同的拍攝視角，而且集中重疊在舞蹈表演者的表演區(qū)域。舞蹈表演者被要求穿緊身服裝，并且在身體的關(guān)鍵部位貼上29個(gè)“Marker”點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)對(duì)應(yīng)著動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，可以通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。表演現(xiàn)場(chǎng)的每臺(tái)攝像機(jī)都安裝了反射標(biāo)記點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的舞蹈演員的肢體動(dòng)作，并且在拍攝的過程中形成圖像。

二、民族舞蹈的三維數(shù)字化

動(dòng)作捕捉是實(shí)現(xiàn)民族舞蹈三維數(shù)字化的基本技術(shù)支撐，通過動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，可以對(duì)表演者的肢體動(dòng)作進(jìn)行詳細(xì)的記錄，通過不斷的回放和捕捉，實(shí)現(xiàn)對(duì)舞蹈表演者軀體在空間位置上的不斷變化，甚至可以對(duì)舞蹈表演者的面部表情進(jìn)行記錄，這對(duì)于民族舞蹈的分析和編排有著十分重要的意義。

（一）獲取數(shù)據(jù)

基于動(dòng)作捕捉的民族舞蹈三維數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)，首先需要對(duì)舞蹈演員的肢體動(dòng)作過程進(jìn)行捕獲，再將捕獲的動(dòng)作映射到計(jì)算機(jī)上，生成一個(gè)虛擬的動(dòng)作過程。目前我國(guó)應(yīng)用在舞蹈動(dòng)作捕獲的捕捉系統(tǒng)，主要有機(jī)械式、聲學(xué)式、電磁式和光學(xué)式幾種，而光學(xué)式動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)是當(dāng)前應(yīng)用的最為廣泛的一種動(dòng)作捕捉系統(tǒng)。光學(xué)式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)主要是利用光學(xué)原理實(shí)現(xiàn)舞蹈動(dòng)作的三維數(shù)字化，其實(shí)現(xiàn)的過程如下：第一，對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)動(dòng)作捕捉的具體要求，確定舞蹈表演者的動(dòng)作范圍和攝像機(jī)的位置；第二，為了達(dá)到良好的動(dòng)作捕捉效果，通常要求舞蹈表演者穿著單色服裝，并且需要在舞蹈表演者身體的關(guān)鍵部位粘貼“Marker”點(diǎn)；第三，同時(shí)開啟多臺(tái)攝像機(jī)對(duì)舞蹈表演者“Marker”點(diǎn)的動(dòng)作進(jìn)行擺設(shè)，并且按照擺設(shè)的順序?qū)@得的圖像進(jìn)行保存，然后再進(jìn)行分析和處理，通過計(jì)算獲得演員肢體在不同空間位置上的動(dòng)作，再利用數(shù)學(xué)方法按照每個(gè)“Marker”點(diǎn)的獲取的圖像信息繪制反射標(biāo)記，形成三維坐標(biāo)；第四，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將三維坐標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，再將數(shù)據(jù)與動(dòng)畫角色相結(jié)合，生成計(jì)算機(jī)鏡頭中的運(yùn)動(dòng)物體。由于計(jì)算機(jī)獲取的三維坐標(biāo)來自于舞蹈表演者的肢體動(dòng)作，所以根據(jù)這些三維坐標(biāo)生成的動(dòng)畫十分逼真。

（二）后期處理

當(dāng)舞蹈表演者在運(yùn)動(dòng)的過程中，位于身體不同部位的“Marker”點(diǎn)可能會(huì)被遮擋，或者是不同部位之間發(fā)生混亂，這對(duì)于原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會(huì)產(chǎn)生較大的影響，所以完成數(shù)據(jù)采集之后，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理。后期處理一般需要人工對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，一種方法是利用軟件自帶的后期處理功能對(duì)“Marker”點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行校正；另一種方法是利用動(dòng)畫軟件對(duì)每個(gè)關(guān)鍵幀部位的動(dòng)作進(jìn)行檢查和校正，以此來達(dá)到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的連貫性。

三、基于動(dòng)作捕捉技術(shù)的民族舞蹈三維數(shù)據(jù)的動(dòng)畫生成

通過捕捉技術(shù)獲得的民族舞蹈三維數(shù)據(jù)，可以形成一個(gè)少數(shù)民族舞蹈數(shù)據(jù)庫(kù)，為少數(shù)民族舞蹈的編排和互動(dòng)游戲提供更多影像資料，在促進(jìn)我國(guó)動(dòng)畫制作水平提高的同時(shí)，可以有效的增強(qiáng)民族舞蹈動(dòng)作的直觀性，運(yùn)用動(dòng)畫影像展現(xiàn)民族舞蹈表演藝術(shù)，使舞蹈效果更加生動(dòng)?；趧?dòng)作捕捉技術(shù)的民族舞蹈三維數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)流程。該流程圖直觀的體現(xiàn)了利用動(dòng)作捕捉技術(shù)實(shí)現(xiàn)民族舞蹈三維數(shù)字化的過程，將民族舞蹈的動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)與角色模型數(shù)據(jù)進(jìn)行綁定，便可以按照需求實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫角色的生成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)民族舞蹈的三維數(shù)字化。

（一）舞蹈演員人物模型的建立

以土家族擺手舞為例，在舞蹈三維數(shù)字化過程中，需要對(duì)舞蹈演員的擺手動(dòng)作進(jìn)行周著重捕捉。通過建模軟件，根據(jù)舞蹈演員的實(shí)際身體比例，在3D Studio Max中建立人物角色模型，同時(shí)根據(jù)土家族舞蹈服裝的對(duì)任務(wù)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)還原，然后將三維數(shù)據(jù)與人物模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行綁定，這樣便可以實(shí)現(xiàn)舞蹈的還原。

（二）人體模型的骨骼綁定

運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)對(duì)舞蹈演員的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行捕捉時(shí)，是通過空間數(shù)據(jù)點(diǎn)的確定來實(shí)現(xiàn)的，所以為了獲取更多、更詳細(xì)的數(shù)據(jù)，需要按照舞蹈表演者的身材比例和骨骼系統(tǒng)，將三維數(shù)據(jù)進(jìn)行綁定。通過舞蹈表演者骨骼綁定實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)作數(shù)據(jù)的捕捉。需要注意的是，在進(jìn)行骨骼綁定時(shí)，需要注意到權(quán)重的影響，也就是說，骨骼對(duì)于人物模型不同肢體部位可能會(huì)產(chǎn)生不同的力度影響，只有保證這些關(guān)鍵點(diǎn)的力度合適，才能使人物模型的動(dòng)作流暢和自然。

（三）運(yùn)動(dòng)捕捉三維數(shù)據(jù)的動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)

為了達(dá)到良好的記錄效果，一般要求舞蹈表演者首先在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行表演，同時(shí)開啟區(qū)域內(nèi)多臺(tái)攝像機(jī)，從不同的角度對(duì)舞蹈表演者的肢體動(dòng)作進(jìn)行記錄并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再將捕捉的數(shù)據(jù)映射到舞蹈表演者的三維人物模型上，這時(shí)便可以運(yùn)用獲取的運(yùn)動(dòng)序列生成一系列動(dòng)畫，同時(shí)再配以相應(yīng)的音樂，便可以利用計(jì)算機(jī)從各個(gè)不同的角度全方位的展現(xiàn)舞蹈表演。

四、結(jié) 語

本文主要針對(duì)如何利用動(dòng)作捕捉技術(shù)實(shí)現(xiàn)民族舞蹈三維數(shù)字化的問題進(jìn)行了研究。通過動(dòng)作捕捉技術(shù)的應(yīng)用，可以有效的避免傳統(tǒng)影響記錄方式中資料不完整的問題，同時(shí)也可以為現(xiàn)代舞蹈編排提供更多分析數(shù)據(jù)，來獲得傳統(tǒng)方法所無法精確再現(xiàn)的舞蹈姿態(tài)原有的實(shí)體，再現(xiàn)藝術(shù)當(dāng)年風(fēng)采，且復(fù)制制造周期短，成本低，是一種很有前景的藝術(shù)保護(hù)技術(shù)。同時(shí)，民族舞蹈三維數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)，可以有效的促進(jìn)我國(guó)民族舞蹈文化資源的整合與優(yōu)化，在推動(dòng)現(xiàn)代民族舞蹈文化持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程中發(fā)揮著重要的作用。

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作者單位：貴州大學(xué)