安　邦，張　提

(西北民族大學(xué)，中國民族信息技術(shù)研究院,甘肅蘭州730030)

基于運動捕捉技術(shù)的藏族舞蹈保護(hù)

安邦，張?zhí)?/p>

(西北民族大學(xué)，中國民族信息技術(shù)研究院,甘肅蘭州730030)

[摘要]隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對于二維畫面所帶來的感官體驗，早以無法得到滿足，因此三維立體仿真技術(shù)運應(yīng)而生.三維圖像的顯示使科學(xué)和文化的內(nèi)容變得直觀和立體化.與此同時，諸如我國少數(shù)民族舞蹈這樣的非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護(hù)問題迫在眉睫，而文章根據(jù)運動捕捉技術(shù)和三維建模技術(shù)對藏族民間舞蹈進(jìn)行了數(shù)字化保護(hù)的研究.

[關(guān)鍵詞]紅外光學(xué)運動捕捉系統(tǒng);三維建模技術(shù);藏族民間舞蹈;模型驅(qū)動

0引言

藏族的很多民間舞蹈已經(jīng)被收入我國非物質(zhì)文化遺產(chǎn)名錄中，這說明人們希望留住那些不能被文字和圖片記載的歷史痕跡，并發(fā)揚和傳承它們[1].那么發(fā)現(xiàn)一種用來解決這個問題的關(guān)鍵技術(shù)就顯得非常重要.

目前，國內(nèi)外三維運動捕捉技術(shù)已經(jīng)逐漸興起，不斷趨于成熟，不同研究領(lǐng)域的學(xué)者也試圖應(yīng)用這種高端技術(shù)來解決科學(xué)研究過程中的各種問題.在一門技術(shù)成熟的時候，我們就應(yīng)該致力于挖掘它更廣泛的應(yīng)用，來服務(wù)于廣大群眾.

1三維運動捕捉分析系統(tǒng)

1.1　三維運動捕捉技術(shù)的工作原理

運動捕捉系統(tǒng)是一種用于準(zhǔn)確測量運動物體在三維運動狀況的高技術(shù)設(shè)備.它基于計算機(jī)圖形學(xué)原理，通過排布在空間中的數(shù)個視頻捕捉設(shè)備將運動物體(跟蹤器)的運動狀況以圖像的形式記錄下來，然后使用計算機(jī)對該圖象數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同時間計量單位上不同物體(跟蹤器)的空間坐標(biāo)(X,Y,Z).

按照工作原理可以將現(xiàn)在主流的三維運動捕捉技術(shù)分為機(jī)械式運動捕捉技術(shù)、光學(xué)式運作捕捉技術(shù)、聲學(xué)式運動捕捉技術(shù)和電磁式運動捕捉技術(shù).本次實驗研究中我們選用被動式光學(xué)運動捕捉系統(tǒng),即Vicon紅外三維運動捕捉系統(tǒng)[2].

1.1.1機(jī)械式運動捕捉技術(shù)

它主要是使用機(jī)械裝置來記錄運動軌跡，這種機(jī)械裝置是由一種識別轉(zhuǎn)動角度的傳感器連接鋼結(jié)構(gòu)的連桿組成[3].所以當(dāng)物體產(chǎn)生運動時還是以運動物體上的關(guān)鍵節(jié)點為對象，觀察記錄其運動軌跡，此時裝置中可以識別角度的傳感器就開始記錄節(jié)點的轉(zhuǎn)動角度數(shù)據(jù)，就可以計算節(jié)點的運動軌跡.

1.1.2光學(xué)式運動捕捉技術(shù)

現(xiàn)在常用的光學(xué)式運動捕捉系統(tǒng)分為兩類[4]，一類是主動式光學(xué)捕捉系統(tǒng)，另一類就是被動式光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)，分類方式是根據(jù)運動體的發(fā)光方式?jīng)Q定的.光學(xué)式運動捕捉系統(tǒng)就是根據(jù)攝像機(jī)接受被記錄物體的光信號，從而進(jìn)行運動軌跡的跟蹤和檢測.

1.1.3聲學(xué)式運動捕捉技術(shù)

這種技術(shù)的實現(xiàn)是將能夠發(fā)聲的超聲波發(fā)生器安裝在運動物體上，然后在運動物體周圍設(shè)定一個空間，根據(jù)對時間和距離做計算得出運動物體的軌跡[5].

1.1.4電磁式運動捕捉技術(shù)

將接收器安裝在運動物體上，使運動物體在發(fā)射源產(chǎn)生的磁場空間內(nèi)做動作，接收器可以感應(yīng)到磁場的變化，完成運動數(shù)據(jù)捕捉的工作[6].

1.2　國內(nèi)外運動捕捉分析系統(tǒng)的主要應(yīng)用

運動捕捉的實質(zhì)就是將被測物體在物理空間中位置和方向的變換信息記錄到一個PC中的一個過程，因而運動捕捉是一個能夠以高速且高精度的方式產(chǎn)生豐富、逼真動畫數(shù)據(jù)的方法.另外，在音樂、舞蹈、手語等動作識別方面，醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、虛擬現(xiàn)實游戲[7]、影視動畫、機(jī)器人等多個領(lǐng)域存在十分重要的應(yīng)用價值.

2藏族舞蹈的運動捕捉實驗設(shè)計與分析

2.1　三維運動捕捉系統(tǒng)工作環(huán)境的搭建

工作環(huán)境的搭建主要有運動捕捉設(shè)備的采選，其中包括：攝像機(jī)、核心處理器、PC電腦、信息轉(zhuǎn)換盒等.其次是三維運動空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集環(huán)境的搭建.運動數(shù)據(jù)的采集需要有大小合適的場地，要求所有用于捕捉運動數(shù)據(jù)的攝像頭的拍攝范圍能夠覆蓋整個場地空間的任何角落，這樣才能保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度和識別率.

圖1捕捉空間及設(shè)備圖圖2演員運動空間圖

2.2　藏族舞蹈動作數(shù)據(jù)采集

想要采集到藏族舞蹈動作的三維運動數(shù)據(jù)，就需要在舞蹈演員身上貼上反光點，利用三維運動捕捉系統(tǒng)的攝像頭采集運動數(shù)據(jù).

反光球粘貼的位置設(shè)計是根據(jù)人體工程學(xué)原理，結(jié)合研究對象——民間舞蹈的特點，在人體周身選擇39個關(guān)鍵點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.這些關(guān)鍵點包括：頭部4個采集點，上肢19個采集點，腰部骨盆處4個采集點，下肢12個采集點，如圖3所示.

運動數(shù)據(jù)的采集分為兩部分，第一部分是靜態(tài)數(shù)據(jù)的采集，目的是為了建立演員的骨骼模型.當(dāng)演員在做舞蹈動作的時候，軟件通過計算靜態(tài)骨骼模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行成像.第二部分是動態(tài)數(shù)據(jù)的采集.

2.3　藏族舞蹈運動數(shù)據(jù)的分析處理

由于運動捕捉得到的原始數(shù)據(jù)還不能直接用于研究，需要對其進(jìn)行一些預(yù)處理.藏族舞蹈運動數(shù)據(jù)的分析處理主要分為以下幾個步聚：①利用Vicon系統(tǒng)自帶的功能給所有輸入電腦的三維數(shù)據(jù)點標(biāo)上名稱；②補(bǔ)全采集過程中的缺失標(biāo)志點；③刪除冗余噪聲點；④抖動數(shù)據(jù)點的平滑處理.

圖3　人體采集點標(biāo)記圖及簡稱

我們將采集到的運動數(shù)據(jù)附到我們的角色模型上，用以實現(xiàn)骨骼模型的動作驅(qū)動，使一個具有藏族民族特色的角色模型依據(jù)采集到的運動數(shù)據(jù)做出舞蹈動作，實現(xiàn)舞蹈的數(shù)字化還原，因此我們需要將采集處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出.在做數(shù)據(jù)分析時，要將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)出ASCII碼文件，這樣就可以將數(shù)據(jù)輸出.

3藏族舞蹈角色模型設(shè)計與實現(xiàn)

3.1　藏族舞蹈角色模型的建立

利用Maya軟件，采用多邊形建模方式進(jìn)行角色模型的生成，所設(shè)計的人體結(jié)構(gòu)建模分為頭部建模、軀干建模和四肢建模三部分，如圖4所示.

圖4　三維角色模型

3.1.1頭部建模

在Maya軟件中建立一個立方體多邊形用來擠壓出頭部以及頸部的模型，然后將立方體進(jìn)行平滑處理，如圖所示，調(diào)整頭部的線段，使其更接近人類的頭部結(jié)構(gòu)框架.在頭部模型中根據(jù)人的面部結(jié)構(gòu)畫出眼、鼻和嘴的定位線.在定位線附近添加約束線來制作眼、鼻和嘴的輪廓，擠壓成面部器官.接下來在頭部下方擠壓出頸部，并通過約束線段調(diào)整頸部的結(jié)構(gòu).通過同樣的方法建立立方體制作出耳部輪廓，最后對頭部模型做出細(xì)微的調(diào)整，完成頭部的建模.

3.1.2軀干建模

與頭部的建模方法相同，創(chuàng)建出一個長方體多邊形，通過添加約束線擠壓處胸部和腹部的大致輪廓.如圖所示，人臉的身體結(jié)構(gòu)是左右對稱的，制作出軀干的半個模型，在后面的過程中通過軟件的鏡像功能完成整體軀干的制作.

3.1.3四肢建模

模型的四肢是通過在軀干模型上的對應(yīng)位置擠壓而成的，如圖所示，從軀干上方擠出手臂的輪廓，調(diào)整三角肌、肱二頭肌的形態(tài)等.從軀干模型的下方擠壓出臀部的輪廓，緊接著制作大腿、膝蓋和小腿部分的輪廓.

3.2　藏族舞蹈角色模型的骨骼創(chuàng)建及骨骼與角色模型的綁定

藏族舞蹈的角色模型創(chuàng)建完成之后，需要為模型繪制一個骨骼來控制模型的動作，方法就是在Maya軟件中進(jìn)行創(chuàng)建.當(dāng)利用Maya軟件完成全身骨骼模型的創(chuàng)建之后，就需要將骨骼和模型進(jìn)行綁定，使骨骼發(fā)生運動時能夠帶動模型產(chǎn)生運動，這個過程就叫做蒙皮，同樣，需要在Maya軟件中完成，操作十分簡便.

3.3　藏族舞蹈運動數(shù)據(jù)與角色模型骨骼運動的綁定

當(dāng)利用運動捕捉系統(tǒng)采集的藏族舞蹈的運動數(shù)據(jù)之后，使其導(dǎo)出運動數(shù)據(jù)的.BVH格式.BVH文件是目前應(yīng)用比較廣泛的用來記錄人體特征動畫的文件格式[8].它包含了角色模型骨骼關(guān)節(jié)在X軸、Y軸和Z軸上的旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，還包含了關(guān)節(jié)之間相對位置的數(shù)據(jù)，以及骨骼長度的數(shù)據(jù).

Maya集成的全身反動力學(xué)插件HIK，即人類角色方向動力學(xué)，能夠輕松實現(xiàn)角色動畫的綁定，使骨骼關(guān)節(jié)進(jìn)行解算.利用HIK可以快速地實現(xiàn)運動捕捉的BVH文件綁定到Maya創(chuàng)建的角色模型上.首先需要創(chuàng)建HIK骨架，來控制角色模型骨骼的運動，然后將運動捕捉的數(shù)據(jù)文件加載到這個HIK骨架上，進(jìn)而實現(xiàn)對角色模型的運動控制.

3.4　藏族舞蹈角色模型的造型設(shè)計

為了貼近藏族人民的風(fēng)俗和習(xí)慣，符合藏族的民族特色，最后需要對藏族舞蹈角色模型進(jìn)行造型設(shè)計.主要包括角色模型頭發(fā)的創(chuàng)建，以及其他配飾的創(chuàng)建.同樣，需要在Maya軟件中完成這些操作.當(dāng)完成這些操作后，一個基于運動捕捉的藏族舞蹈的角色模型就算初步完成了.這個模型就可以按照采集到的運動數(shù)據(jù)進(jìn)行運動，這樣就可以數(shù)字化還原藏族舞蹈的基本運動軌跡.

4結(jié)論

本次實驗研究可以分為兩個部分，第一部分是根據(jù)人體工程學(xué)原理，通過三維運動捕捉系統(tǒng)采集藏族舞蹈的舞蹈數(shù)據(jù)，保持運動數(shù)據(jù)；第二部分是采用建模軟件建立具有民族特色的角色模型，將采集到的運動數(shù)據(jù)數(shù)字化還原出來.

通過實驗研究，我們可以將生產(chǎn)生活中具有歷史意義和價值的事物通過運動捕捉技術(shù)進(jìn)行采集并保存下來，后期再利用建模軟件在任意時間和空間內(nèi)通過三維立體成像的形式表現(xiàn)出來，從而實現(xiàn)數(shù)字化保護(hù)、文化宣傳、教育教學(xué)和產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用.

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[作者簡介]安邦(1987—),男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，主要從事虛擬仿真方面的研究.

[基金項目]西北民族大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項目.

[收稿日期]2015-08-20

[中圖分類號]TP311.52

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1009-2102(2015)03-0051-04