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(shù)字媒體技術(shù)系，北京 100024;2.中國藝術(shù)科學研究所，北京 100061)

0 引言

少數(shù)民族舞蹈是非物質(zhì)文化遺產(chǎn)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(shù)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(tǒng)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(yīng)用于編舞創(chuàng)作。因此，針對文字、照片、錄像技術(shù)的二維記錄保存的不足，從舞蹈的特點出發(fā)，應(yīng)用動作捕捉技術(shù)對我國少數(shù)民族舞蹈舞姿進行全方位的三維數(shù)字化保護，真實地保存每個舞蹈的藝術(shù)精華，為今后少數(shù)民族舞蹈的保護研究、創(chuàng)編和影視還原提供精準的數(shù)字平臺［1-3］，為非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護開辟了一個新的領(lǐng)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(shù)進行個別舞蹈保護的研究［4-5］，但是沒有形成統(tǒng)一規(guī)范的技術(shù)流程，而民族舞蹈三維數(shù)字化的規(guī)范對推動舞蹈三維數(shù)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(shù)的舞蹈三維數(shù)字化保護方法流程并借此指導擺手舞的采集，同時給出應(yīng)用動捕數(shù)據(jù)制作動畫的具體應(yīng)用實例。

1 民族舞蹈的三維數(shù)字化

民族舞蹈的三維數(shù)字化可以通過動作捕捉技術(shù)來實現(xiàn)。動作捕捉系統(tǒng)通過記錄人體運動信息以供分析和回放，捕捉的三維數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的獲取

基于動作捕捉的舞蹈三維數(shù)據(jù)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(tǒng)主要分為機械式動態(tài)捕捉系統(tǒng)、聲學式動態(tài)捕捉系統(tǒng)、電磁式動態(tài)捕捉系統(tǒng)、慣性動態(tài)捕捉系統(tǒng)和光學式動態(tài)捕捉系統(tǒng)5種［6］。光學式動作捕捉技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛、發(fā)展最為成熟的一類捕捉技術(shù)。光學式動作捕捉系統(tǒng)利用光學原理進行三維動作捕捉的過程大致如下:首先調(diào)試設(shè)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(guān)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(shù)學的方式繪制出每個反射標記的三維坐標;當數(shù)據(jù)被計算機識別后，可將數(shù)據(jù)與動畫角色合成生成動畫，然后便捷地在計算機產(chǎn)生的鏡頭中編輯運動的物體。由于這些三維坐標數(shù)據(jù)來自演員真實的動作，使得利用此數(shù)據(jù)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(jù)動捕設(shè)備的規(guī)模在舞蹈演員主要關(guān)節(jié)部分貼放了29個“Marker”點，成功地采集了在國家非物質(zhì)文化遺產(chǎn)名錄舞蹈類中的擺手舞的三維數(shù)據(jù)［7］。圖1(a)是貼有“Marker”點的舞蹈演員在通過動作捕捉設(shè)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(shù)據(jù)。

圖1 擺手舞三維數(shù)據(jù)獲取

1.2 動捕數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)是原始數(shù)據(jù)，包含有很多干擾信息和遺漏等，所以需要人工對數(shù)據(jù)進行修補的后處理。數(shù)據(jù)修補可通過兩種渠道完成:一是利用采集設(shè)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(guān)鍵幀上微調(diào)數(shù)據(jù)的辦法實現(xiàn)數(shù)據(jù)修補:即根據(jù)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(shù)據(jù)的動畫生成

利用動作捕捉技術(shù)獲得的民族舞蹈三維數(shù)據(jù)能用于構(gòu)建少數(shù)民族舞蹈數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)與帶骨骼綁定的角色模型進行運動數(shù)據(jù)綁定，即可生成的角色動畫。

圖2 基于動捕數(shù)據(jù)的動畫生成流程圖

2.1 角色建模

動作捕捉數(shù)據(jù)最終需要以具體的模型作為載體將動作的空間表現(xiàn)展示出來，準確、恰當?shù)哪Ｐ蛯τ趧幼鞑蹲綌?shù)據(jù)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(xiàn)的效果會有很大影響。如果不能恰當?shù)靥幚矸b與人體、骨骼的關(guān)系，將會影響到之后的貼圖，使得運動中貼圖出現(xiàn)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(shù)據(jù)，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(tǒng)無法通過動作捕捉數(shù)據(jù)來驅(qū)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(tǒng)。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(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)驅(qū)動骨骼綁定后的角色模型，這一過程也就是所謂的運動數(shù)據(jù)綁定。它是在Autodesk MotionBuilder軟件中完成的。運動數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yīng)動作的演員體型和初始動作一致。這樣可以使動作捕捉數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中的各個跟蹤點與相應(yīng)的Actor的骨骼上的關(guān)鍵節(jié)點進行映射，使得Actor的骨骼得以由動捕數(shù)據(jù)中跟蹤點的空間位置數(shù)據(jù)驅(qū)動而運動起來。在Actor上的運動綁定和調(diào)試結(jié)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(qū)動角色模型，實現(xiàn)基于動作捕捉技術(shù)的舞蹈角色動畫生成。圖4展示了某幀舞蹈動作的運動數(shù)據(jù)綁定后的結(jié)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(shù)據(jù)驅(qū)動角色模型的某幀動畫效果圖

3 實驗結(jié)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(shù)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(jù)本文介紹的民族舞蹈三維數(shù)字化方法，利用美國魔神運動分析公司生產(chǎn)的光學動捕設(shè)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(yīng)的三維數(shù)據(jù)。圖5(b)是根據(jù)本文介紹的動畫生成方法，利用圖5(a)獲得三維動捕數(shù)據(jù)驅(qū)動角色模型生成的相應(yīng)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(jié)果表明動作捕捉技術(shù)真實地記錄了演員的舞蹈動作，且該三維數(shù)據(jù)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(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)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(shù)的不足，探索應(yīng)用計算機動作捕捉技術(shù)對我國民族舞蹈舞姿進行全方位的三維數(shù)字化保護方法，并以動畫生成為例介紹了民族舞蹈三維數(shù)據(jù)的后期應(yīng)用。民族舞蹈三維數(shù)據(jù)化工作對舞蹈文化的保護和資源整合，對研究和推廣應(yīng)用當代數(shù)字化手段開展舞蹈藝術(shù)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(jié)合、共同發(fā)展思路下的產(chǎn)物，有助于推動了文化數(shù)字化建設(shè)工程。

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