基于動作捕捉技術的民族舞蹈三維數字化方法研究

吳曉雨，張宜春，沈縈華，嚴先機

(1.中國傳媒大學信息工程學院數字媒體技術系，北京 100024;2.中國藝術科學研究所，北京 100061)

0 引言

少數民族舞蹈是非物質文化遺產的重要組成部分，但由于文化生態(tài)環(huán)境的改變，一些優(yōu)秀的中國民間表演藝術正瀕臨失傳和消亡的威脅，亟須通過不同手段給予科學有效地保護與傳承。傳統的照相、錄音、錄像方式，雖然方便采集、易于制作，但并不能詳細記錄舞蹈演員的肢體動作，更無從談起對其進行科學的分析研究，并應用于編舞創(chuàng)作。因此，針對文字、照片、錄像技術的二維記錄保存的不足，從舞蹈的特點出發(fā)，應用動作捕捉技術對我國少數民族舞蹈舞姿進行全方位的三維數字化保護，真實地保存每個舞蹈的藝術精華，為今后少數民族舞蹈的保護研究、創(chuàng)編和影視還原提供精準的數字平臺［1-3］，為非物質文化遺產保護開辟了一個新的領域，對民族文化的保護和科學化發(fā)展有著深遠的意義。

雖然已有運用動作捕捉技術進行個別舞蹈保護的研究［4-5］，但是沒有形成統一規(guī)范的技術流程，而民族舞蹈三維數字化的規(guī)范對推動舞蹈三維數字化保護有著重要的指導價值。因此，本文研究基于動作捕捉技術的舞蹈三維數字化保護方法流程并借此指導擺手舞的采集，同時給出應用動捕數據制作動畫的具體應用實例。

1 民族舞蹈的三維數字化

民族舞蹈的三維數字化可以通過動作捕捉技術來實現。動作捕捉系統通過記錄人體運動信息以供分析和回放，捕捉的三維數據既可簡單到記錄軀體部件的空間位置，也可復雜到記錄面部表情的細致運動。

1.1 民族舞蹈三維數據的獲取

基于動作捕捉的舞蹈三維數據生成方法是首先捕獲實體(舞蹈演員)的運動，然后將捕獲的運動映射到計算機生成的虛擬物體上的過程。目前的動作捕捉系統主要分為機械式動態(tài)捕捉系統、聲學式動態(tài)捕捉系統、電磁式動態(tài)捕捉系統、慣性動態(tài)捕捉系統和光學式動態(tài)捕捉系統5種［6］。光學式動作捕捉技術是目前應用最為廣泛、發(fā)展最為成熟的一類捕捉技術。光學式動作捕捉系統利用光學原理進行三維動作捕捉的過程大致如下:首先調試設備，進行攝像機的標定和表演者運動范圍的確定。同時為了便于采集處理，通常要求表演者穿上單色的服裝，在身體的關鍵部位貼上反射標記的“Marker”點;然后使用多個攝像機拍攝身貼“Marker”點的演員動作，將圖像序列保存下來進行分析和處理，識別其中的標志點并計算其在每一瞬間的空間位置，并用數學的方式繪制出每個反射標記的三維坐標;當數據被計算機識別后，可將數據與動畫角色合成生成動畫，然后便捷地在計算機產生的鏡頭中編輯運動的物體。由于這些三維坐標數據來自演員真實的動作，使得利用此數據生成的動畫看起來非常逼真自然。利用上述方法筆者按照舞蹈節(jié)拍分解舞蹈動作，根據動捕設備的規(guī)模在舞蹈演員主要關節(jié)部分貼放了29個“Marker”點，成功地采集了在國家非物質文化遺產名錄舞蹈類中的擺手舞的三維數據［7］。圖1(a)是貼有“Marker”點的舞蹈演員在通過動作捕捉設備實時記錄擺手舞的舞蹈動作，圖1(b)是借助動作捕捉軟件實時記錄下舞蹈者身上“Marker”點的三維數據。

圖1 擺手舞三維數據獲取

1.2 動捕數據后期處理

由于人體不同部位的“Marker”點可能發(fā)生混淆、遮擋，直接采集到的三維動捕數據是原始數據，包含有很多干擾信息和遺漏等，所以需要人工對數據進行修補的后處理。數據修補可通過兩種渠道完成:一是利用采集設備自帶軟件的后處理功能去掉噪聲點、平滑運動軌跡。二是利用動畫軟件逐幀或在關鍵幀上微調數據的辦法實現數據修補:即根據動畫曲線將動作中的錯漏逐一修正，并且保證動作的流暢性和準確性。

2 基于民族舞蹈三維數據的動畫生成

利用動作捕捉技術獲得的民族舞蹈三維數據能用于構建少數民族舞蹈數據庫、舞蹈的動作編排和互動式游戲等方面［8-11］，同時也可極大地提高動畫制作的水平和動畫制作的效率，降低成本，而且使動畫制作過程更為直觀，效果更為生動［12］。圖2是基于人體動作捕捉數據的三維角色動畫生成流程圖，該圖展示了從民族舞蹈三維運動數據獲取到角色動畫生成的全過程。將民族舞蹈的三維動作捕捉數據與帶骨骼綁定的角色模型進行運動數據綁定，即可生成的角色動畫。

圖2 基于動捕數據的動畫生成流程圖

2.1 角色建模

動作捕捉數據最終需要以具體的模型作為載體將動作的空間表現展示出來，準確、恰當的模型對于動作捕捉數據的綁定有著顯著的影響，因而角色模型的建立本身也是十分重要的過程。本文以民族舞蹈為背景，建立了具有民族特色的寫實人物角色模型。這里使用的建模軟件是Autodesk 3DS Max，建模角色是土家族舞蹈演員的形象。該人體建模的第一步是從簡單的幾何形體開始，逐漸增加線條和節(jié)點使得模型逐漸接近預期的形象。由于模型將會進行舞蹈動作，因此服裝的建模對于動作呈現的效果會有很大影響。如果不能恰當地處理服裝與人體、骨骼的關系，將會影響到之后的貼圖，使得運動中貼圖出現開裂或起翹等錯誤。這里的服裝相對較緊，盡量顯得貼合身體，以便在舞蹈動作中避免衣紋處理的問題。同時為了突出土家族的民族特點，以貼合舞蹈土家族擺手舞的動作捕捉數據，模型上添加了圓形的帽子。通過逐步對人體各個部位進行貼圖后，土家族舞蹈演員的模型形體如圖3(a)所示。此時的模型只是完全靜態(tài)模型，由于沒有骨骼系統無法通過動作捕捉數據來驅動模型運動，因此需要進行重要的骨骼綁定［13-14］。這里選擇的是Autodesk 3DS Max中的Biped骨骼系統。Biped意為雙足，被廣泛運用于人體和其他雙足行走的角色，并且 Biped骨骼系統在 Autodesk Motion-Builder中可以很方便地與Actor綁定起來。角色模型和骨骼綁定示意圖如圖3(b)所示。

圖3 角色模型

2.2 角色模型與民族舞蹈動捕數據的綁定

完成帶有骨骼綁定后的角色模型后，即可利用民族舞蹈的三維運動數據驅動骨骼綁定后的角色模型，這一過程也就是所謂的運動數據綁定。它是在Autodesk MotionBuilder軟件中完成的。運動數據綁定的具體步驟是首先將上述采集處理后的民族舞蹈三維動捕數據導入Autodesk MotionBuilder中，并使其與軟件所提供的人體形狀模型Actor進行尺寸、比例和角度上的空間匹配，是Actor與做相應動作的演員體型和初始動作一致。這樣可以使動作捕捉數據與模型綁定之后的動作更加準確和自然。隨后在軟件中將動捕數據中的各個跟蹤點與相應的Actor的骨骼上的關鍵節(jié)點進行映射，使得Actor的骨骼得以由動捕數據中跟蹤點的空間位置數據驅動而運動起來。在Actor上的運動綁定和調試結束之后，便可以將建立好的角色模型導入軟件中，利用軟件中的3DS Max Biped Skeleton System將Actor的運動綁定在角色模型的根節(jié)點上，從而驅動角色模型，實現基于動作捕捉技術的舞蹈角色動畫生成。圖4展示了某幀舞蹈動作的運動數據綁定后的結果，用戶可以實時檢驗動作是否準確、合乎需要。

圖4 三維動捕數據驅動角色模型的某幀動畫效果圖

3 實驗結果與分析

圖5展示了舞蹈演員的實際舞蹈動作與生成的動畫兩者之間的對比效果，以檢驗動作捕捉技術是否對民族舞蹈動作進行全方位準確的記錄。其中圖5(a)是根據本文介紹的民族舞蹈三維數字化方法，利用美國魔神運動分析公司生產的光學動捕設備實時采集貼有29個“Marker”點的舞蹈演員的某幀動作。這樣就可以獲得和該幀舞蹈動作相對應的三維數據。圖5(b)是根據本文介紹的動畫生成方法，利用圖5(a)獲得三維動捕數據驅動角色模型生成的相應動畫幀效果，該動畫效果與圖5(a)實際舞蹈動作一致。

實驗結果表明動作捕捉技術真實地記錄了演員的舞蹈動作，且該三維數據可用于動畫制作以提高動畫制作的效率。

圖5 舞蹈演員實際動作與生成的動畫效果對比

4 結束語

本文針對傳統的照片和錄像方法得到的影像資料不能完整準確地保存舞蹈藝術的不足，探索應用計算機動作捕捉技術對我國民族舞蹈舞姿進行全方位的三維數字化保護方法，并以動畫生成為例介紹了民族舞蹈三維數據的后期應用。民族舞蹈三維數據化工作對舞蹈文化的保護和資源整合，對研究和推廣應用當代數字化手段開展舞蹈藝術保護等方面起到了積極的引導作用，是文化與科技相互促進結合、共同發(fā)展思路下的產物，有助于推動了文化數字化建設工程。

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