基于动作捕捉技术的民族舞蹈三维数字化方法研究

吴晓雨，张宜春，沈萦华，严先机

(1.中国传媒大学信息工程学院数字媒体技术系，北京 100024;2.中国艺术科学研究所，北京 100061)

0 引言

少数民族舞蹈是非物质文化遗产的重要组成部分，但由于文化生态环境的改变，一些优秀的中国民间表演艺术正濒临失传和消亡的威胁，亟须通过不同手段给予科学有效地保护与传承。传统的照相、录音、录像方式，虽然方便采集、易于制作，但并不能详细记录舞蹈演员的肢体动作，更无从谈起对其进行科学的分析研究，并应用于编舞创作。因此，针对文字、照片、录像技术的二维记录保存的不足，从舞蹈的特点出发，应用动作捕捉技术对我国少数民族舞蹈舞姿进行全方位的三维数字化保护，真实地保存每个舞蹈的艺术精华，为今后少数民族舞蹈的保护研究、创编和影视还原提供精准的数字平台［1-3］，为非物质文化遗产保护开辟了一个新的领域，对民族文化的保护和科学化发展有着深远的意义。

虽然已有运用动作捕捉技术进行个别舞蹈保护的研究［4-5］，但是没有形成统一规范的技术流程，而民族舞蹈三维数字化的规范对推动舞蹈三维数字化保护有着重要的指导价值。因此，本文研究基于动作捕捉技术的舞蹈三维数字化保护方法流程并借此指导摆手舞的采集，同时给出应用动捕数据制作动画的具体应用实例。

1 民族舞蹈的三维数字化

民族舞蹈的三维数字化可以通过动作捕捉技术来实现。动作捕捉系统通过记录人体运动信息以供分析和回放，捕捉的三维数据既可简单到记录躯体部件的空间位置，也可复杂到记录面部表情的细致运动。

1.1 民族舞蹈三维数据的获取

基于动作捕捉的舞蹈三维数据生成方法是首先捕获实体(舞蹈演员)的运动，然后将捕获的运动映射到计算机生成的虚拟物体上的过程。目前的动作捕捉系统主要分为机械式动态捕捉系统、声学式动态捕捉系统、电磁式动态捕捉系统、惯性动态捕捉系统和光学式动态捕捉系统5种［6］。光学式动作捕捉技术是目前应用最为广泛、发展最为成熟的一类捕捉技术。光学式动作捕捉系统利用光学原理进行三维动作捕捉的过程大致如下:首先调试设备，进行摄像机的标定和表演者运动范围的确定。同时为了便于采集处理，通常要求表演者穿上单色的服装，在身体的关键部位贴上反射标记的“Marker”点;然后使用多个摄像机拍摄身贴“Marker”点的演员动作，将图像序列保存下来进行分析和处理，识别其中的标志点并计算其在每一瞬间的空间位置，并用数学的方式绘制出每个反射标记的三维坐标;当数据被计算机识别后，可将数据与动画角色合成生成动画，然后便捷地在计算机产生的镜头中编辑运动的物体。由于这些三维坐标数据来自演员真实的动作，使得利用此数据生成的动画看起来非常逼真自然。利用上述方法笔者按照舞蹈节拍分解舞蹈动作，根据动捕设备的规模在舞蹈演员主要关节部分贴放了29个“Marker”点，成功地采集了在国家非物质文化遗产名录舞蹈类中的摆手舞的三维数据［7］。图1(a)是贴有“Marker”点的舞蹈演员在通过动作捕捉设备实时记录摆手舞的舞蹈动作，图1(b)是借助动作捕捉软件实时记录下舞蹈者身上“Marker”点的三维数据。

图1 摆手舞三维数据获取

1.2 动捕数据后期处理

由于人体不同部位的“Marker”点可能发生混淆、遮挡，直接采集到的三维动捕数据是原始数据，包含有很多干扰信息和遗漏等，所以需要人工对数据进行修补的后处理。数据修补可通过两种渠道完成:一是利用采集设备自带软件的后处理功能去掉噪声点、平滑运动轨迹。二是利用动画软件逐帧或在关键帧上微调数据的办法实现数据修补:即根据动画曲线将动作中的错漏逐一修正，并且保证动作的流畅性和准确性。

2 基于民族舞蹈三维数据的动画生成

利用动作捕捉技术获得的民族舞蹈三维数据能用于构建少数民族舞蹈数据库、舞蹈的动作编排和互动式游戏等方面［8-11］，同时也可极大地提高动画制作的水平和动画制作的效率，降低成本，而且使动画制作过程更为直观，效果更为生动［12］。图2是基于人体动作捕捉数据的三维角色动画生成流程图，该图展示了从民族舞蹈三维运动数据获取到角色动画生成的全过程。将民族舞蹈的三维动作捕捉数据与带骨骼绑定的角色模型进行运动数据绑定，即可生成的角色动画。

图2 基于动捕数据的动画生成流程图

2.1 角色建模

动作捕捉数据最终需要以具体的模型作为载体将动作的空间表现展示出来，准确、恰当的模型对于动作捕捉数据的绑定有着显著的影响，因而角色模型的建立本身也是十分重要的过程。本文以民族舞蹈为背景，建立了具有民族特色的写实人物角色模型。这里使用的建模软件是Autodesk 3DS Max，建模角色是土家族舞蹈演员的形象。该人体建模的第一步是从简单的几何形体开始，逐渐增加线条和节点使得模型逐渐接近预期的形象。由于模型将会进行舞蹈动作，因此服装的建模对于动作呈现的效果会有很大影响。如果不能恰当地处理服装与人体、骨骼的关系，将会影响到之后的贴图，使得运动中贴图出现开裂或起翘等错误。这里的服装相对较紧，尽量显得贴合身体，以便在舞蹈动作中避免衣纹处理的问题。同时为了突出土家族的民族特点，以贴合舞蹈土家族摆手舞的动作捕捉数据，模型上添加了圆形的帽子。通过逐步对人体各个部位进行贴图后，土家族舞蹈演员的模型形体如图3(a)所示。此时的模型只是完全静态模型，由于没有骨骼系统无法通过动作捕捉数据来驱动模型运动，因此需要进行重要的骨骼绑定［13-14］。这里选择的是Autodesk 3DS Max中的Biped骨骼系统。Biped意为双足，被广泛运用于人体和其他双足行走的角色，并且 Biped骨骼系统在 Autodesk Motion-Builder中可以很方便地与Actor绑定起来。角色模型和骨骼绑定示意图如图3(b)所示。

图3 角色模型

2.2 角色模型与民族舞蹈动捕数据的绑定

完成带有骨骼绑定后的角色模型后，即可利用民族舞蹈的三维运动数据驱动骨骼绑定后的角色模型，这一过程也就是所谓的运动数据绑定。它是在Autodesk MotionBuilder软件中完成的。运动数据绑定的具体步骤是首先将上述采集处理后的民族舞蹈三维动捕数据导入Autodesk MotionBuilder中，并使其与软件所提供的人体形状模型Actor进行尺寸、比例和角度上的空间匹配，是Actor与做相应动作的演员体型和初始动作一致。这样可以使动作捕捉数据与模型绑定之后的动作更加准确和自然。随后在软件中将动捕数据中的各个跟踪点与相应的Actor的骨骼上的关键节点进行映射，使得Actor的骨骼得以由动捕数据中跟踪点的空间位置数据驱动而运动起来。在Actor上的运动绑定和调试结束之后，便可以将建立好的角色模型导入软件中，利用软件中的3DS Max Biped Skeleton System将Actor的运动绑定在角色模型的根节点上，从而驱动角色模型，实现基于动作捕捉技术的舞蹈角色动画生成。图4展示了某帧舞蹈动作的运动数据绑定后的结果，用户可以实时检验动作是否准确、合乎需要。

图4 三维动捕数据驱动角色模型的某帧动画效果图

3 实验结果与分析

图5展示了舞蹈演员的实际舞蹈动作与生成的动画两者之间的对比效果，以检验动作捕捉技术是否对民族舞蹈动作进行全方位准确的记录。其中图5(a)是根据本文介绍的民族舞蹈三维数字化方法，利用美国魔神运动分析公司生产的光学动捕设备实时采集贴有29个“Marker”点的舞蹈演员的某帧动作。这样就可以获得和该帧舞蹈动作相对应的三维数据。图5(b)是根据本文介绍的动画生成方法，利用图5(a)获得三维动捕数据驱动角色模型生成的相应动画帧效果，该动画效果与图5(a)实际舞蹈动作一致。

实验结果表明动作捕捉技术真实地记录了演员的舞蹈动作，且该三维数据可用于动画制作以提高动画制作的效率。

图5 舞蹈演员实际动作与生成的动画效果对比

4 结束语

本文针对传统的照片和录像方法得到的影像资料不能完整准确地保存舞蹈艺术的不足，探索应用计算机动作捕捉技术对我国民族舞蹈舞姿进行全方位的三维数字化保护方法，并以动画生成为例介绍了民族舞蹈三维数据的后期应用。民族舞蹈三维数据化工作对舞蹈文化的保护和资源整合，对研究和推广应用当代数字化手段开展舞蹈艺术保护等方面起到了积极的引导作用，是文化与科技相互促进结合、共同发展思路下的产物，有助于推动了文化数字化建设工程。

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