基于动作捕捉技术的贵州少数民族舞蹈数字化保护研究

第26卷第4期贵州大学学报(自然科学版)Vol.26No.4 2009年　8月Journal of Guizhou University(Natural Sciences)Aug.2009文章编号　1000-5269(2009)04-0091-04

基于动作捕捉技术的贵州少数民族

舞蹈数字化保护研究

蔡　群3,吕　俊

(贵州大学机械工程学院,贵州贵阳550003)

摘　要:贵州有着“民族之都”的美誉,随着旅游业及城市化的不断发展,现代文化在带给贵州发展机遇的同时也强烈冲击着少数民族舞蹈文化的生存基础,传统的生态文化面临着失传和消失的危险,本文结合贵州省民族舞蹈的现实状况,介绍了动作捕捉技术在少数民族舞蹈艺术中的应用,及其舞蹈艺术数字化保护的基本制作流程,基本实现民族舞蹈的数字化保护。

关键词:动作捕捉;角色动画;民族舞蹈;数字化保护

中图分类号:TP391　　文献标识码:A

在现代舞蹈数字化保护的过程中,通常采用的是录像或DV拍摄,但这只能从几个有限的角度以二维图像的方式进行录制并进行网络传播,数据的可重复利用性和编辑性较差,数字化程度较低。针对这一问题,从贵州少数民族的舞蹈特点出发,选择具有代表性的贵州少数民族舞蹈———苗族芦笙舞作为研究对象,采用动作捕捉技术对舞蹈舞姿进行三维空间的数据记录提取,保存演员动作在三维空间中的运动轨迹,再利用3D Studi o Max软件进行舞蹈的三维建模及角色动画制作,以实现真实全面地保存民族舞蹈艺术的精华,为实现舞蹈艺术的复原、网络展示及传播提供技术基础。

1　贵州少数民族舞蹈数字化保护的重要性

贵州有着“民族之都”的美誉,作为贵州省非物质文化遗产的一个重要组成部分,贵州少数民族舞蹈以少数民族自身独特的形体动作来表现社会生活,体现民族历史文化,是贵州少数民族最灿烂的文化。在2006年文化部公布的第一批国家非物质文化遗产名录中,贵州省非物质文化遗产有31项40处入选“国家级”,位列全国第三。贵州少数民族舞蹈种类繁多,比较著名的有:苗族民间舞蹈芦笙舞、布依族的鸟兽舞、侗族舞蹈“多耶”、水族的铜鼓舞、仡佬族的踩堂舞、彝族铃铛舞等,著名苗族舞蹈《踩鼓》向海内外观众展示了贵州舞蹈的精妙神韵。除此之外,大型歌舞诗《多彩贵州风》受邀在英国、马来西亚、印度、韩国、俄罗斯等国家进行演出,使得贵州的民族舞蹈在海外声名远播,也让全世界更加了解了贵州[1]。随着旅游业及城市化的不断发展,现代文化在带给贵州发展机遇的同时也强烈冲击着少数民族舞蹈文化的生存基础,传统的文化生态受到了严重的破坏。在接受了以电视为传媒所传播的各种知识文化熏陶后,在心里上很难认同本民族悠久的民族文化不同程度地冲击着传统文化的继承和发扬光大,同时农村大量年轻劳动力向城市转移,导致贵州省少数民族舞蹈艺术出现了后继无人的尴尬局面,而一些珍贵的民族舞蹈绝艺随时可能伴随着老艺人的去世而从此消失,某些文化虽然受到了重视,但是其保护方法还不能达到较好的保护。为此,探究少数民族舞蹈有效的保护方式,克服普通保护方法存在的问题,使优秀的民族文化长存,并加以合理开发利用有着重要的现实意义。本文就是基于贵州苗族舞蹈———芦笙舞,介绍了少数民族舞蹈的数字化保护方法。

2　少数民族舞蹈数字化保护相关技术2.1　动作捕捉技术

动作捕捉技术的出现可以追溯到20世纪70年代。随着计算机软硬件技术的飞速发展和动画

3收稿日期:2009-06-20

基金项目:贵州省教育厅高校人文社科研究规划项目(编号08GH001)

作者简介:蔡　群(1964-),女,贵州仁怀人,副教授,主要研究方向:计算机图形图像处理,Email:gycq_81559@8eabad19c5da50e2534d7f00. 3通讯作者:蔡　群,Email:gycq_81559@8eabad19c5da50e2534d7f00.

制作要求的提高,其应用领域涵盖了影视制作、虚拟现实、游戏、人体工程学研究、模拟训练、生物力学研究等许多方面。

到目前为止,常用的动作捕捉技术从原理上说可以分为机械式、声学式、电磁式和光学式四种。光学式动作捕捉是目前最常用的动作捕捉技术。它通过对目标上特定光点的跟踪来完成动作捕捉的任务。目前常见的光学式动作捕捉大多基于计算机视觉原理,当相机以足够高的速率连续拍摄时,从图像序列中就可以得该点的运动轨迹,如图1所示。

光学式动作捕捉的优点是表演者活动范围大,无电缆、机械装置的限制,演员可以自由表演,使用很方便。其采样速率较高,可以满足多数高速运动测量的需求。缺点是系统价格昂贵,虽然它可以捕捉实时运动,但后处理(包括Marker 的识别、跟踪、空间坐标的计算)时间长,目前尚不能做到实时驱动角色模型及实时的观看效果。这类系统对于表演场地的光照、反射情况敏感。装置定标也较为繁琐。特别是当运动复杂时,不同部位的Marker 很容易发生混淆、遮挡,产生错误的结果,经常需要人

工干预后期处理过程[2]

。

图1　光学式运动捕捉系统

2.2　角色动画技术

角色动画是计算机图形学和艺术相结合的产

物。目前,实时角色动画技术主要有三种实现手段:

1)关节动画;

2)单一网格模型动画;3)骨骼蒙皮动画。

其中在骨骼蒙皮动画中,单个舞蹈演员角色由作为皮肤的单一网格模型和按照一定层次组织起来的骨骼组成。皮肤的每一个顶点都会受到一个或者多个骨骼的影响,通过改变相邻骨骼间的夹角和位移,组成角色的皮肤就可以体现出不同的外观,从而实现动画效果。皮肤则作为一个网格蒙在骨骼之上,规定角色的外观,是一个可以在骨骼影响下变化的可变形网格。组成皮肤的每一个顶点都会受到一个或者多个骨骼的影响。在顶点受到

多个骨骼影响的情况下,不同的骨骼按照与顶点的几何、物理关系确定对该顶点的影响权重,这一权重可以通过建模软件计算或者手工设置。通过计算影响该顶点的不同骨骼对它影响的加权和就可以得到该顶点在世界坐标系中的正确位置。动画文件中的关键帧一般保存着骨骼的位置,朝向等信息。通过在动画序列中相邻的两个关键帧间插值可以确定某一时刻各个骨骼的新位置和新朝向。然后按照皮肤网格各个顶点中保存的影响它的骨骼索引和相应权重信息可以计算出该顶点的新位置,这样就实现了在骨骼驱动下的单一皮肤网格变形动画,即骨骼蒙皮动画。

骨骼蒙皮动画的效果比关节动画和单一网格动画更逼真,更生动。而且,随着计算机技术的不断提高,骨骼蒙皮动画己经成为各类实时动画应用中使用最广泛的动画技术。

3　少数民族舞蹈动作数据捕捉及模

型建立

通过先收集文字记录,拍摄图片和视频,获取芦笙舞的相关文字、图片、视频相关资料,进行舞蹈编排,利用动作捕捉设备就可以进行舞姿动作的录制,以获取舞蹈运动数据,同时利用3D Studi o Max 初步建立舞蹈者人物模型。在拥有运动数据和舞蹈者模型后即可进行数字化的后期制作,实现动画展示

。制作流程如图2所示。

图2　制作流程

3.1　舞蹈动作数据捕获

要获得便于处理的舞蹈者运动数据,通常要求

表演者穿上单色紧身的服装,在身体的关键部位,如关节、髋部、肘、手腕等位置上贴上一些特制的标志或发光点(Marker ),如图3。

作为系统的舞蹈者定标后,反光材料在外部光源的照射下可以从不同角度反射出RG B 值相同的光,利用几台摄像机(摄像机的多少主要根据模型的复杂程度而定)进行动作拍摄,在每一时刻,可以得到几幅从不同角度拍摄到的二维平面图,对

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图3　M arkers分布

于每一副图像,利用图像识别算法滤掉所有与节点无关的信息,得到节点的二维信息,将同一时刻所有的二维信息组合起来,并利用对摄像机参数的标定结果,得到其空间三维信息,运动序列即是舞蹈者在三维空间中的运动轨迹。这样就采集到了舞蹈演员的人体骨骼空间运动数据[3]。

光学式动作捕捉设备导出的是演员身上Marker点空间运动轨迹。由于直接采集到的数据是“原始数据”,包含有许多干扰信息和遗漏,由于贵州民族舞蹈动作豪放的特点,会导致原始数据中舞蹈演员的手会插入到身体中、头部与身体错位等,所以需要利用动作编辑技术对这些数据进行处理,以保证舞蹈动作的流畅和准确性。

3.2　舞蹈演员的模型建立

为建立舞蹈演员的动作模型,我们采用了专业建模软件3D Studi o Max角色动画来实现,包括骨骼系统和蒙皮两部分。

3.2.1　人体运动模型

在动作捕捉和实现舞蹈演员动画时,通常将舞蹈演员的骨骼结构表示为一个多块骨骼组成的骨骼链。骨骼系统可用于设置其他对象或层次的动画,如蒙皮。

骨骼系统可以进行渲染,具备多个可用于定义骨骼所表示的形状参数,以建立合适各种模型。在骨骼链中,每个链接在其底部都有一个轴点,移动子骨骼时,实际是在对父级骨骼进行变换,形成骨骼在空间的局部变换矩阵[4,5]。

骨骼系统通常按照人体的实际骨骼结构作一些简化来形成,因为人体的实际骨骼结构相当复杂。过于真实地反映骨骼会给计算机带来较大的计算量,降低动画效果。

3.2.2　蒙皮与骨骼关系的建立

在实现舞蹈动骨骼蒙皮动画时,需要根据舞蹈演员骨骼运动信息驱动蒙皮上各个顶点位置的变化。为此,首先需要采用建立蒙皮网格上的顶点与骨骼间的对应关系。在建立的舞蹈者骨骼模型中

(bi p格式),调整骨骼各关节的位置和大小,以便使骨骼和蒙皮间的位置尽可能一致。然后调用character studi o插件中的Physique修改器将蒙皮绑定到骨骼上。蒙皮是一个3D Studi o Max对象,它可以是任何变形的、基于顶点的对象,如网格、面片或NURBS对象进行变形。Physique会根据骨骼和蒙皮的位置自动计算每个顶点应当对应的骨骼,即Physique使蒙皮变形,以与骨骼运动相匹配。

在绑定好蒙皮并导入动作数据后,利用D i2 rect X的XSkinExp插件导出含蒙皮顶点及骨骼运动信息的.X文件,即可以进行实时渲染了[5]。

4　舞蹈数字化动画实现

骨骼蒙皮动画在某一时刻实现如下:

1)利用插值计算出该时刻该骨骼相对父骨骼的新位置,新朝向,新变换矩阵等;

2)计算出该时刻的骨架位置;

3)对于皮肤网格中的每一个顶点,计算它在角色空间中新的位置和朝向;

4)根据网格模型顶点的新位置和朝向绘制角色网格。

一个动作动画在动画存储文件中又被分为多个关键帧,每个关键帧存储了具体的动作数据,实际上这些数据是这个骨骼相对于它的父骨骼的各种变换数据,这些变换数据包含的类型有:旋转、移动、放缩、矩阵变换以及关键帧的帧间间隔。

4.1　网格顶点位置计算

由于动作文件(BVH格式)中记录的每一帧中各个骨骼的自由度,即位置和朝向,每个骨骼的位置和朝向包含了6个自由度,由此可以得到当前帧中各块骨骼在局部标系中的变换矩阵。蒙皮网格中的顶点坐标均根据世界坐标系计算,故在计算蒙皮顶点在每一帧的空间位置时,还需要首先将顶点转化到骨骼所在的坐标系中。

在舞蹈者模型关节连接处,皮肤的外形会受到多块骨骼的影响。舞蹈动画实现中,虽然运动的皮肤是完整的,但会在关节处出现坍塌和扭曲问题,如图4.这是由于顶点位置被单一骨骼驱动,导致了褶皱的效果。

针对这个问题,常采用顶点混合技术(vertex blending)[6],即为顶点指定多个对应的骨骼以及相应的权重来消除关节处的明显褶皱,如图5.

4.2　动画的数据驱动

在实现数字化过程中,利用类CSkinned Mesh 组织舞蹈演员动画相关的数据结构。一个

?

3

9

?

第4期蔡　群等:基于动作捕捉技术的贵州少数民族舞蹈数字化保护研究

CSkinned Mesh 对象对应虚拟场景中的舞蹈者人物

模型。在对象初始化时,调用D irect3D 提供的D3DXLoad MeshH ierarchyFr omX 接口加载.x 文件,导入舞蹈者模型蒙皮、运动数据等信息。在进行实时绘制时,利用CSkinned Mesh 提供的两个接口将D3DXFRAME 链表中存储的变换矩阵重置为初始状态以及向后偏移一定时间,获得任意骨骼的变换矩阵。在帧间的Fra me Move 过程中,根据当前给予舞蹈者模型的世界变换矩阵和时间更新骨骼的变换矩阵,就可以遍历所有的D3DXFRAME 节点,绘制出CSkin Mesh 对象所包含

的骨骼动画了[7]

,即舞蹈动作。

同时为了提高渲染效率,结合GP U 强大的矩阵运动功能,需采用Vertex Shader (顶点着色器)来完成顶点每一帧新位置的计算。

5　总结

结合贵州省民族舞蹈的现实状况,提出了基于

运动捕捉技术的数字化保护方法,对运动捕捉技术进行了详解,同时还介绍了动画制作的基本步骤,基本实现民族舞蹈的数字化保护。但所有这些研究工作都是基于运动捕捉技术所获得的运动数据的基础上进行的,只为整个舞蹈数字化研究工作的一部分,在后续的研究中,还需要根据既有的数字化舞蹈材料,结合舞蹈艺术家的要求,对动画编排、修订以及网络展示等工作继续进行研究,依据其必要性,还可以将贵州具有代表性的其他民族舞蹈按照此方法进行数字化保护,以获取较为完整的贵州

少数民族舞蹈数字化保护数据库,更好地对民族舞蹈数字化加以保护及合理开发,将民族舞蹈文化遗产完整的保存和传承下去。参考文献:

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工业出版社,2007(9).

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洋出版社,2007(9).

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学,2006.

[7]况奕.民间舞蹈数字化技术及应用研究[D ].杭州:浙江大学,

2006.

D i git al Protecti on Study of M i n or ity Dances i n Gui zhou

Provi n ce Based on M oti on Capture Techn i que

CA IQun,LV Jun

(College of Mechanical Engineering,Guizhou University,Guiyang 550003,China )

Abstract:W ith the devel opment of t ouris m and urbanizati on,the modern culture brings Guizhou p r ovince the devel opment opportunity as well as a str ong i m pact on the survival of f olk dance,the traditi onal cultural is being l ost with the evanish ment danger .This paper described the i m portance of the dances’digital p r otecti on in Guizhou p r ovince,intr oduced the app licati on of moti on cap ture technique in the f olk dances,and the p r ocess of the dance arts digital p r otecti on .

Key words:moti on cap ture;character ani m ati on;f olk dance;digital p r otecti on

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/pj5e.html