于景華，王 慶，陳 洪

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

廣場(chǎng)舞是一種集體性的舞蹈健身活動(dòng)，通常在公園、廣場(chǎng)等場(chǎng)地開(kāi)闊處進(jìn)行，參與者以中老年婦女居多。廣場(chǎng)舞的音樂(lè)大多富有節(jié)奏感，同時(shí)兼具健身與娛樂(lè)的功能，能夠給群眾帶來(lái)身心皆愉悅的體驗(yàn)[1]。廣場(chǎng)舞已成為中老年娛樂(lè)項(xiàng)目的主要形式之一，不僅在中國(guó)占據(jù)了各個(gè)城市的廣場(chǎng)、公園，甚至轉(zhuǎn)戰(zhàn)到了國(guó)外，例如法國(guó)巴黎、莫斯科紅場(chǎng)等地。廣場(chǎng)舞將傳統(tǒng)舞蹈帶來(lái)的美感和體育運(yùn)動(dòng)的身體鍛煉功效相結(jié)合，既體現(xiàn)出了審美情趣，又兼具健身功能，具有多元的文化價(jià)值[2]。

人機(jī)交互技術(shù)不斷發(fā)展,人們對(duì)于更加自然的交互方式的需求日益突出。同時(shí)傳統(tǒng)的交互方式逐漸顯示出了一些缺點(diǎn)。而人體的動(dòng)作具有多種表現(xiàn)形式，包括手臂、頭部、面部、四肢等身體姿態(tài)或者運(yùn)動(dòng)過(guò)程，人體的運(yùn)動(dòng)屬于人與環(huán)境之間的信息交互，能夠最大限度地體現(xiàn)出人類內(nèi)心的想法[3]。所以使用人體的動(dòng)作來(lái)進(jìn)行人機(jī)交互，成為一種新穎、自然的交互方式。

對(duì)于舞蹈類交互來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的視頻教學(xué)是單向的信息傳播，缺乏反饋機(jī)制，學(xué)習(xí)者不能實(shí)時(shí)了解自己的學(xué)習(xí)狀態(tài)。體感交互方式最相近于人本身的自然運(yùn)動(dòng)，能夠更加直觀地將人的運(yùn)動(dòng)反應(yīng)到計(jì)算機(jī)游戲的虛擬世界，具有更加真實(shí)體驗(yàn)的同時(shí)還能降低用戶的操作難度，使得數(shù)字科技公眾更加廣泛化，讓不同年齡層尤其是中老年人也能體驗(yàn)到數(shù)字科技的樂(lè)趣，滿足他們的娛樂(lè)精神需求。

1 體感相關(guān)研究現(xiàn)狀

1.1 體感技術(shù)研究

體感技術(shù)通常利用傳感器或深度攝像頭等設(shè)備來(lái)感知人的肢體運(yùn)動(dòng)，識(shí)別人體的運(yùn)動(dòng)軌跡，將獲取的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)的處理，是一種較新的人機(jī)交互方式。從20世紀(jì)開(kāi)始，研究人員便開(kāi)始針對(duì)人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究。其中，著名的心理學(xué)專家Johansson在運(yùn)動(dòng)感知領(lǐng)域進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)：只在人的各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)加附亮點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)人員僅統(tǒng)計(jì)各類關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位置變化情況[4]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)自身的視覺(jué)系統(tǒng)觀察相關(guān)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中光點(diǎn)的時(shí)間序列，可以得出跑步、步行等運(yùn)動(dòng)模式，甚至運(yùn)動(dòng)者的性別情況。這說(shuō)明關(guān)節(jié)信息能夠包含人體運(yùn)動(dòng)的大多數(shù)信息，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息的采集對(duì)研究人體運(yùn)動(dòng)有極大的利用價(jià)值。近年來(lái)，在硬件不斷更新且成本下降的環(huán)境下，相關(guān)的動(dòng)作捕捉設(shè)施的價(jià)格也在下降，光學(xué)原理的三維人體運(yùn)動(dòng)捕捉方式快速成為電影行業(yè)主流的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)捕捉方式。與此同時(shí)，也出現(xiàn)了一些其他動(dòng)作捕捉系統(tǒng)和動(dòng)作數(shù)據(jù)庫(kù)[5-7]。深度攝像頭出現(xiàn)以后，人機(jī)交互與體感游戲等領(lǐng)域紛紛將其運(yùn)用到動(dòng)作捕捉[8]。由于三維動(dòng)作捕捉信息能夠在很大程度上還原運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)和運(yùn)動(dòng)軌跡，具有高精度和高質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，故其已得到虛擬教學(xué)、智能安防、體育仿真和醫(yī)學(xué)康復(fù)等諸多行業(yè)的普遍青睞[9-11]。

Kinect體感控制系統(tǒng)是目前比較受歡迎的體感體驗(yàn)裝置，如圖1所示。Kinect具有高分辨率的深度攝像頭，能夠提供深度數(shù)據(jù)、紅外數(shù)據(jù)、色彩數(shù)據(jù)等，能夠識(shí)別人體骨架，并且提供運(yùn)動(dòng)力量、面部表情、肌肉信息等數(shù)據(jù)，具有即時(shí)動(dòng)態(tài)捕捉、麥克風(fēng)語(yǔ)音輸入、語(yǔ)音影像辨識(shí)、社群互動(dòng)等功能[12]。這些功能使體感這種人機(jī)交互方式更加自然，大大提升了用戶的浸入感。而Kinect獲取的這些數(shù)據(jù)以及微軟提供的SDK給體感應(yīng)用的開(kāi)發(fā)提供了極大的便利。

圖1 Kinect整體圖

三維空間中的體感交互與基于桌面的二維界面模式相比，不僅是操作動(dòng)作和顯示維度的增加，由于人和環(huán)境的關(guān)系以及行動(dòng)中心理的變化加入了交互的過(guò)程，人們更能獲得接近于真實(shí)環(huán)境中的體驗(yàn)，獲得更為強(qiáng)烈的“身臨其境”的感覺(jué)。對(duì)于游戲設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，脫離純桌面交互的，能夠促進(jìn)人們身體運(yùn)動(dòng)，利于身心健康的設(shè)計(jì)已然是未來(lái)的一個(gè)發(fā)展方向[13]。當(dāng)前大部分游戲的操作方式基本是通過(guò)控制游戲中的虛擬代理來(lái)參與游戲，這樣容易使玩家自身脫離游戲情境，在沉浸感和體驗(yàn)感上有所欠缺。而利用體感設(shè)備的特點(diǎn)，能夠在三維空間以自然交互的方式與虛擬場(chǎng)景中的游戲元素進(jìn)行互動(dòng)，提高了玩家在游戲中的體驗(yàn)感和沉浸感，并且寓運(yùn)動(dòng)于娛樂(lè)中，在滿足人們的娛樂(lè)需求的同時(shí)，能夠最大限度地避免傳統(tǒng)電子游戲?qū)ι眢w危害。

所以筆者把體感游戲作為表現(xiàn)廣場(chǎng)舞的一種方式，發(fā)揮體感優(yōu)勢(shì)，并且充分考慮廣場(chǎng)舞本身的集體性與個(gè)人的統(tǒng)一、娛樂(lè)性與秩序的統(tǒng)一等。體感交互的廣場(chǎng)舞形式完全能夠滿足群眾的需求，并且提供了一種新奇的體驗(yàn)形式。

1.2 體感舞蹈游戲研究現(xiàn)狀

游戲產(chǎn)業(yè)近些年在世界范圍內(nèi)得到迅猛的發(fā)展。隨著游戲產(chǎn)業(yè)的百花齊放，玩家對(duì)于游戲體驗(yàn)感、操作感以及代入感的要求不斷提高。體感游戲不需要額外的控制器，肢體的控制得到許多玩家的歡迎[14]。其中最具代表性的XBOX游戲機(jī)把體感游戲推廣到家庭用戶，讓玩家足不出戶即得到游戲與運(yùn)動(dòng)的雙重體驗(yàn)。而舞蹈是一項(xiàng)源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的活動(dòng)方式，長(zhǎng)久以來(lái)人們用舞蹈來(lái)表示歡樂(lè)、力量和慶祝勝利等。跳舞游戲的類型繁多，但作為一種調(diào)動(dòng)全身心參與的活動(dòng)，體感無(wú)疑是最好的方式。

跳舞毯、跳舞機(jī)等出現(xiàn)在20世紀(jì)末，首先出現(xiàn)在日本，后來(lái)傳到臺(tái)灣。這種音樂(lè)節(jié)奏類型的游戲與傳統(tǒng)電子游戲的最大差別在于操作方式，傳統(tǒng)的電玩多使用遙控桿或者四鍵手柄，而跳舞機(jī)是用玩家的雙腳來(lái)完成游戲。這種使用身體部位控制游戲的交互，是一種比傳統(tǒng)鍵鼠、手柄等交互方式更加先進(jìn)的方式。跳舞毯、跳舞機(jī)的玩法十分簡(jiǎn)單，游戲畫面中會(huì)不斷出現(xiàn)上、下、左、右的箭頭，玩家用腳踩對(duì)應(yīng)的踏板，只要箭頭移到與頂部箭頭框重合的位置即可。跳舞毯踩節(jié)拍的玩法弱化了舞蹈本身的美感需求，主要力量訓(xùn)練集中在腿部，不利于全身協(xié)調(diào)調(diào)動(dòng)。跳舞機(jī)主要分布在游戲廳等娛樂(lè)場(chǎng)所居多，玩家以年輕人為主，缺乏持久的吸引力。

隨著自然人機(jī)交互的發(fā)展，出現(xiàn)使用手持模擬器進(jìn)行的體感游戲，如使用任天堂的Wii模擬器進(jìn)行的快樂(lè)組舞等跳舞游戲，玩家手持模擬器，根據(jù)畫面中角色的動(dòng)作提示揮動(dòng)手柄，模仿角色動(dòng)作進(jìn)行游戲。游戲沒(méi)有完全解放雙手，而游戲中的動(dòng)作提示等使玩家動(dòng)作比較僵硬，缺乏靈活性，無(wú)法兼具舞蹈本身的流暢美感。直到深度攝像頭的出現(xiàn)，衍生了調(diào)動(dòng)全身的體感交互的跳舞游戲，典型代表如XBOX體感游戲機(jī)中的舞力全開(kāi)、舞動(dòng)全身等，XBOX是功能相對(duì)完善，內(nèi)容豐富的視頻游戲主機(jī)，使用Kinect體感外設(shè)，依靠相機(jī)捕捉三維空間中玩家的運(yùn)動(dòng)。XBOX中的舞蹈游戲比傳統(tǒng)視頻教學(xué)更加生動(dòng)自然，內(nèi)容側(cè)重體育鍛煉或者休閑娛樂(lè)，有的兼有故事情節(jié)，主要是提供家庭娛樂(lè)。對(duì)于有目的的舞蹈動(dòng)作的學(xué)習(xí)以及公共場(chǎng)所的群體娛樂(lè)來(lái)說(shuō)，有明顯的不足。而本文中集成的廣場(chǎng)舞一體機(jī)設(shè)備，主要致力于服務(wù)公共文化，廣場(chǎng)舞的內(nèi)容針對(duì)中國(guó)特有的廣場(chǎng)文化，可以在作為學(xué)習(xí)廣場(chǎng)舞的工具同時(shí)提供給大眾新奇有趣的游戲娛樂(lè)體驗(yàn)[15]。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 節(jié)拍控制

音樂(lè)是舞蹈游戲中非常重要的組成部分，對(duì)于游戲整體的風(fēng)格界定、節(jié)奏控制以及游戲開(kāi)發(fā)過(guò)程中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分等具有十分重要的作用。例如在游戲菜單控制部分，玩家切換選項(xiàng)需實(shí)時(shí)地切換當(dāng)前的背景音樂(lè)，使玩家能夠?qū)Ω枨幸粋€(gè)預(yù)覽；在游戲開(kāi)始階段，標(biāo)準(zhǔn)舞蹈動(dòng)作的播放以及玩家動(dòng)作的實(shí)時(shí)錄制及評(píng)價(jià)、游戲特效的播放、UI的節(jié)奏控制等均要依靠節(jié)拍控制。

圖2 音樂(lè)節(jié)拍控制的觀察者模式

由于游戲中有若干游戲?qū)ο缶枰蕾囈魳?lè)節(jié)拍進(jìn)行更新，所以需要獨(dú)立的音樂(lè)節(jié)拍組件，在合適的時(shí)機(jī)為其他模塊發(fā)送事件。該模塊具有“一對(duì)多”的特點(diǎn)，并且“多”端容易變更，所以使用“觀察者模式”進(jìn)行設(shè)計(jì)[18]，如圖2所示。觀察者模式就是把觀察者和被觀察的對(duì)象分開(kāi)，將動(dòng)作評(píng)價(jià)模塊、UI模塊、提示模塊以及背景控制模塊等作為觀察者，音樂(lè)節(jié)拍作為被觀察的對(duì)象，觀察者會(huì)根據(jù)被觀察者的數(shù)據(jù)變化，自身進(jìn)行相應(yīng)的處理。這樣就可以把各個(gè)模塊清晰地劃分出來(lái)，提高系統(tǒng)整體的重用性和可維護(hù)性。在游戲的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，筆者設(shè)置了專門的節(jié)拍控制模塊，采用觀察者模式，對(duì)游戲整體進(jìn)行節(jié)奏控制。

2.2 動(dòng)作評(píng)價(jià)算法

2.2.1 動(dòng)作評(píng)價(jià)算法相關(guān)研究

傳統(tǒng)的舞蹈學(xué)習(xí)方法有視頻教學(xué)法、真人演示教學(xué)等，針對(duì)沒(méi)有或者只有少量跳舞經(jīng)驗(yàn)的人群，視頻教學(xué)法因?yàn)槿鄙賹?duì)照物，并且沒(méi)有動(dòng)作是否標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果低下，動(dòng)作偏差較大。另一方面，真人教學(xué)能達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果，但是要消耗大量的人力，不能隨時(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)。所以本文在設(shè)計(jì)廣場(chǎng)舞游戲時(shí)考慮采用動(dòng)作評(píng)價(jià)算法，對(duì)玩家動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，達(dá)到良好的學(xué)習(xí)效果。

動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)的主要工作是讓計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)地感知場(chǎng)景中的人“在哪里”，并判斷出人在“干什么”。進(jìn)行動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)第一步需要進(jìn)行姿態(tài)估計(jì)。姿態(tài)評(píng)估主要是指在具體的輸入圖像序列的基礎(chǔ)上，識(shí)別出每一幀人體各部位的姿態(tài)參數(shù)。例如身體的各個(gè)部位在整個(gè)三維空間內(nèi)的所處位置和方向就是一組姿態(tài)參數(shù)，這部分通常由動(dòng)作捕捉設(shè)備完成。動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)是在姿態(tài)估計(jì)的基礎(chǔ)上，從運(yùn)動(dòng)幀中提取特征，通過(guò)計(jì)算參考動(dòng)作序列和對(duì)比動(dòng)作序列的特征向量之間的距離，得到2個(gè)動(dòng)作序列的相似度。由于動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)算法很大程度上依賴于姿態(tài)估計(jì)的結(jié)果，所以姿態(tài)估計(jì)的準(zhǔn)確度會(huì)對(duì)動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度有一定影響，因此需要對(duì)動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行一些預(yù)處理工作，例如數(shù)據(jù)降噪等，然后再進(jìn)行動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)。

筆者對(duì)幾種流行的動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究，分別有靜態(tài)匹配法、基于DTW(動(dòng)態(tài)時(shí)間歸整，Dynamic Time Warping)的動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)算法、基于自適應(yīng)關(guān)節(jié)權(quán)重的DTW動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)算法、基于插值小波關(guān)鍵幀提取的動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)算法等。動(dòng)作相似度的評(píng)價(jià)具有一定的難度，因?yàn)槊總€(gè)動(dòng)作都具有多維性，并且動(dòng)作數(shù)據(jù)在采集的時(shí)候會(huì)伴有很多噪聲，不同個(gè)體對(duì)動(dòng)作的表現(xiàn)差異性也較高，還有動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)的實(shí)時(shí)性要求等，這些因素都給動(dòng)作評(píng)價(jià)增加了難度[17]。

自適應(yīng)關(guān)節(jié)權(quán)重的DTW動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)方法是針對(duì)骨架的結(jié)構(gòu)特性對(duì)動(dòng)作特征進(jìn)行改進(jìn)，而基于插值小波關(guān)鍵幀提取的動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)方法則是針對(duì)動(dòng)作的時(shí)序特征進(jìn)行改進(jìn)，這2種改進(jìn)方法在不同維度上針對(duì)動(dòng)作特征進(jìn)行改進(jìn)，因此本文采用將這2種方法進(jìn)行融合的方法，使用插值小波提取出動(dòng)作序列的關(guān)鍵幀，再通過(guò)DTW對(duì)對(duì)比動(dòng)作序列和參考動(dòng)作序列進(jìn)行匹配，在匹配時(shí)采用自適應(yīng)關(guān)節(jié)權(quán)重的方法來(lái)計(jì)算2個(gè)動(dòng)作幀的距離，最后將匹配的關(guān)鍵幀之間的平均距離歸一化后作為動(dòng)作相似度評(píng)分。

2.2.2 動(dòng)作評(píng)價(jià)算法實(shí)現(xiàn)

自適應(yīng)關(guān)節(jié)權(quán)重和插值小波的動(dòng)作評(píng)價(jià)算法的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程表述如下：

1．?dāng)?shù)據(jù)降噪。

首先采用Faber-Schauder插值小波與均值濾波結(jié)合的方法對(duì)采集到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)降噪。在噪聲小的背景下，劇烈動(dòng)作中的一些動(dòng)作細(xì)節(jié)容易被當(dāng)作噪聲，適合使用插值小波[23]；在噪聲較大的背景下，結(jié)合均值濾波能夠獲得較好的降噪效果。

2．自適應(yīng)關(guān)節(jié)權(quán)重的評(píng)價(jià)方法。

從運(yùn)動(dòng)特性出發(fā)，將動(dòng)作序列劃分為多個(gè)子片段，采用級(jí)聯(lián)的關(guān)節(jié)方向數(shù)據(jù)作為特征，計(jì)算對(duì)比得出動(dòng)作的關(guān)節(jié)權(quán)重，可以計(jì)算得到任意2幀之間的距離。

為了適應(yīng)不同體型的用戶，采用關(guān)節(jié)方向的時(shí)間序列數(shù)據(jù)描述人體骨架姿態(tài)，動(dòng)作序列可以表示為P=[p1，p2，…,pi，…，pT]，其中pi為第i個(gè)關(guān)節(jié)方向的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，T為關(guān)節(jié)數(shù)量。采用固定時(shí)間長(zhǎng)度的動(dòng)作片段劃分方法，那么使用動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整的方法進(jìn)行動(dòng)作序列匹配時(shí)，可以對(duì)不同長(zhǎng)度動(dòng)作序列實(shí)現(xiàn)歸一化。

自適應(yīng)關(guān)節(jié)權(quán)重的計(jì)算方法如下：

1)采用級(jí)聯(lián)的關(guān)節(jié)方向數(shù)據(jù)作為特征。

動(dòng)作序列P由若干幀骨架數(shù)據(jù)組成，每一幀可以看作靜態(tài)人體骨架結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，采用文獻(xiàn)[19]中定義的2個(gè)四元數(shù)距離的度量方式對(duì)關(guān)節(jié)方向數(shù)據(jù)即關(guān)節(jié)的級(jí)聯(lián)四元數(shù)對(duì)靜態(tài)人體骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行相似性度量。

2)自適應(yīng)關(guān)節(jié)權(quán)重計(jì)算。

自適應(yīng)關(guān)節(jié)權(quán)重計(jì)算過(guò)程如下：

①選取時(shí)間片段的長(zhǎng)度，將動(dòng)作序列P劃分為N個(gè)片段。

③統(tǒng)計(jì)每個(gè)關(guān)節(jié)ID(i=1，…，T)在向量TH中出現(xiàn)的次數(shù)，則可以求得關(guān)節(jié)i能量較大的片段占所有片段的比例Si。

④計(jì)算關(guān)節(jié)權(quán)重。取S′中最大的m個(gè)元素直到這些元素相加大于α，比例α可以看作運(yùn)動(dòng)較劇烈關(guān)節(jié)所占的總體權(quán)重，動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)結(jié)果將受到α取值的影響。這些關(guān)節(jié)的權(quán)重ωi計(jì)算如公式(1)所示。

(1)

其余關(guān)節(jié)平分剩余權(quán)重，公式(2)為權(quán)重計(jì)算公式。

(2)

(3)

通過(guò)對(duì)測(cè)試集的實(shí)驗(yàn)后，選擇H=6、α=0.7，分割時(shí)間片段為0.8 s，此時(shí)可得到最優(yōu)解。具體實(shí)驗(yàn)方法參考文獻(xiàn)[21-22]。

3．確定動(dòng)作序列映射關(guān)系。

使用DTW動(dòng)作序列匹配算法確定參考動(dòng)作序列P和對(duì)比動(dòng)作序列Q之間的唯一映射關(guān)系。記錄兩者的匹配關(guān)系集合。

基于DTW的動(dòng)作序列匹配算法描述如下：

1)從第一個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，循環(huán)計(jì)算路徑距離，基于幀間距離度量公式和DTW規(guī)整的3個(gè)條件，選擇其中最小的一個(gè)匹配，加上當(dāng)前距離即可得到路徑的最小距離。

2)重復(fù)上一步驟，直到得到完整的規(guī)整路徑。

3)創(chuàng)建數(shù)組MapFrame，記錄參考動(dòng)作序列P中所有幀在對(duì)比動(dòng)作序列Q中的唯一映射關(guān)系。遍歷規(guī)整路徑，將其映射關(guān)系存入MapFrame。

4．提取多維度動(dòng)作序列關(guān)鍵幀。

基于多尺度Faber-Schauder插值小波和基于中心仿射變換的區(qū)間插值小波[23]的關(guān)鍵幀提取方法對(duì)每個(gè)片段運(yùn)動(dòng)能量最大的關(guān)節(jié)進(jìn)行小波分解，計(jì)算小波系數(shù)，提取P的關(guān)鍵幀，得到關(guān)鍵幀集合Kpr(r=1，…，R)，R為動(dòng)作序列的關(guān)鍵幀數(shù)量，再結(jié)合第3步中得到的匹配關(guān)系集合，得到Q的關(guān)鍵幀Kqr＇(r=1，…，R)，其中r為動(dòng)作序列的關(guān)鍵幀數(shù)量[18，23]。

5．進(jìn)行相似度評(píng)價(jià)。

將上一步中得到的多維度的動(dòng)作特征對(duì)P和Q進(jìn)行相似度評(píng)價(jià)，即計(jì)算2個(gè)序列中所有關(guān)鍵幀的距離并進(jìn)行平均，得到DIST(P，Q)。

(4)

根據(jù)公式(5)歸一化之后得到相似度評(píng)價(jià)。評(píng)分越高，相似度越高。

(5)

廣場(chǎng)舞愛(ài)好者大部分為中老年人，因此在學(xué)習(xí)一套全新的舞蹈時(shí)對(duì)教練的依賴程度較高。采用體感設(shè)備采集動(dòng)作，并通過(guò)動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)算法對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，則可以在一定程度解決該問(wèn)題。在動(dòng)作實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)中，跟隨體感運(yùn)動(dòng)教練的主體數(shù)據(jù)需要具有較高的跟隨性和實(shí)時(shí)性，一套較為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)體系是推廣農(nóng)村公共文化應(yīng)用的技術(shù)保障。

3 游戲設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則及策略

廣場(chǎng)舞作為具有中國(guó)特色文化的表現(xiàn)形式，針對(duì)的用戶主要以中老年人尤其是中老年婦女為主。他們?cè)诿刻斓奶囟〞r(shí)段自發(fā)聚集到廣場(chǎng)、公園、社區(qū)空地、操場(chǎng)等空地，由領(lǐng)舞人攜帶音響設(shè)備，進(jìn)行1～2 h的跳舞運(yùn)動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，廣場(chǎng)舞組織以及進(jìn)行的過(guò)程中存在一些問(wèn)題，比如初學(xué)者不能隨時(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)及練習(xí)、需要組織者攜帶音樂(lè)播放器、資源共享困難、舞蹈資源更新不及時(shí)等。鑒于受眾人群定位、使用場(chǎng)景以及存在問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)該游戲有如下原則和策略：

1)考慮到用戶對(duì)新鮮事物的接受能力，為了讓游戲更廣泛地服務(wù)于群眾，游戲菜單流程設(shè)計(jì)盡量做到簡(jiǎn)單易操作。

2)游戲進(jìn)行中要對(duì)玩家的表現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋，讓玩家及時(shí)了解自己的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整并且增加游戲樂(lè)趣，得到鼓勵(lì)。

3)實(shí)時(shí)對(duì)玩家進(jìn)行動(dòng)作評(píng)價(jià)，進(jìn)行階段式的評(píng)價(jià)，如“太棒了”、“再接再厲”等，最后得出總的評(píng)價(jià)。

4)對(duì)伴奏歌曲對(duì)應(yīng)的動(dòng)作進(jìn)行難度區(qū)分，能夠滿足不同年齡和不同活動(dòng)能力的玩家。

5)采用鏡像的舞蹈動(dòng)作教學(xué)，提高游戲浸入感。

6)體感與傳統(tǒng)交互結(jié)合，菜單選擇不使用體感控制，避免誤操作以及降低使用門檻。

筆者設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)這個(gè)游戲是想給中國(guó)喜愛(ài)廣場(chǎng)舞的廣大群眾提供便利，享受廣場(chǎng)舞的樂(lè)趣，它不只是一種運(yùn)用體感技術(shù)的跳舞游戲，還是一個(gè)引導(dǎo)、教習(xí)和組織廣場(chǎng)舞的平臺(tái)。考慮到絕大多數(shù)的玩家的需求，包含的舞曲涵蓋不同的年齡層，既有熱情洋溢的青春舞曲，又有廣為流傳的流行音樂(lè)，還有針對(duì)老年人的較為舒緩，節(jié)奏較慢的活動(dòng)操。另外考慮到不同的性別需求，還有針對(duì)中老年男性用戶的太極拳等，種類豐富，形式多樣。

3.2 游戲流程

為降低使用門檻，筆者不選擇使用體感動(dòng)作進(jìn)行菜單選擇，而是在安裝廣場(chǎng)舞游戲的一體機(jī)設(shè)備上采用觸屏，玩家手動(dòng)選擇歌曲。歌曲具有不同的難度區(qū)分，難度對(duì)應(yīng)表示節(jié)奏快慢以及動(dòng)作復(fù)雜度，玩家根據(jù)自身情況進(jìn)行選擇。選中歌曲后，系統(tǒng)統(tǒng)一所有模塊時(shí)間，然后進(jìn)入跳舞的主界面。由于舞蹈游戲有節(jié)拍控制，游戲流程控制部分對(duì)動(dòng)作序列預(yù)處理、動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)及舞蹈流程等做控制。預(yù)處理部分則研究了使用插值小波對(duì)動(dòng)作序列進(jìn)行降噪處理的方法。動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)模塊是該應(yīng)用系統(tǒng)的核心組成部分，首先根據(jù)歌曲配置文件把舞蹈動(dòng)作劃分成片段，并實(shí)時(shí)采集用戶動(dòng)作，用戶動(dòng)作片段與配置文件劃分的動(dòng)作片段時(shí)間長(zhǎng)度相同，然后對(duì)動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪，對(duì)用戶動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)分。節(jié)拍控制模塊基于歌曲配置和Unity3D引擎的時(shí)間管理器，動(dòng)態(tài)生成強(qiáng)、弱拍，并將其生成消息傳遞給動(dòng)作評(píng)價(jià)模塊。動(dòng)作評(píng)價(jià)的流程如圖3所示。

圖3 動(dòng)作評(píng)價(jià)流程圖

整個(gè)評(píng)價(jià)過(guò)程對(duì)玩家不可見(jiàn)，但是系統(tǒng)會(huì)給出諸如“繼續(xù)努力”、“完美”等評(píng)語(yǔ)，激勵(lì)玩家繼續(xù)進(jìn)行游戲。歌曲結(jié)束后，系統(tǒng)顯示總體得分以及獲得星級(jí)，然后返回主界面。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 總體架構(gòu)

廣場(chǎng)舞體感游戲軟件采用三層結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，分別是數(shù)據(jù)層、控制層和表現(xiàn)層。

1)數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)讀取歌曲配置文件和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)配置文件，把迭代器作為中間的抽象層，為控制層和表現(xiàn)層提供便捷的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口。其中，歌曲配置文件存儲(chǔ)每首歌的節(jié)拍類型、節(jié)拍數(shù)量、動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)的節(jié)拍間隔和動(dòng)作提示圖片顯示的節(jié)拍間隔等；評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)文件則存儲(chǔ)動(dòng)作相似度評(píng)分和與其等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2)控制層包括音樂(lè)節(jié)拍控制、動(dòng)作序列預(yù)處理、動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)以及舞蹈流程控制系統(tǒng)。動(dòng)作序列預(yù)處理模塊使用插值小波對(duì)采集的動(dòng)作序列進(jìn)行降噪處理。動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)模塊對(duì)用戶動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)分。節(jié)拍控制模塊基于歌曲配置和Unity3D引擎的時(shí)間管理器，將強(qiáng)弱拍消息傳遞給動(dòng)作評(píng)價(jià)模塊以及表現(xiàn)層部分模塊。舞蹈流程控制模塊負(fù)責(zé)整體流程控制，包括音樂(lè)與舞蹈動(dòng)畫同步、暫停以及舞蹈結(jié)束判定等功能。

3)表現(xiàn)層包括三維場(chǎng)景中的可視元素以及用戶界面等，用于接收用戶輸入的數(shù)據(jù)并顯示數(shù)據(jù)，為用戶提供體感虛擬互動(dòng)場(chǎng)景。其中，用戶積分模塊用于累計(jì)每次動(dòng)作評(píng)價(jià)的積分并顯示；動(dòng)作提示模塊用于顯示上一個(gè)、當(dāng)前以及下一個(gè)動(dòng)作的提示圖；場(chǎng)景互動(dòng)模塊控制場(chǎng)景中的三維模型與用戶的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)同步；評(píng)價(jià)顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示對(duì)用戶的舞蹈動(dòng)作的評(píng)價(jià)，其中數(shù)據(jù)來(lái)源于邏輯層的動(dòng)作評(píng)價(jià)模塊；完成度顯示模塊用于讓用戶了解當(dāng)前歌曲的完成度；動(dòng)畫控制模塊實(shí)現(xiàn)了事先采用動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采集的標(biāo)準(zhǔn)舞蹈動(dòng)作在三維模型上的播放。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 游戲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3.2 模塊分工設(shè)計(jì)

本游戲軟件的制作由策劃、美術(shù)和程序3大部分組成，圖5是根據(jù)系統(tǒng)的整體模塊劃分的分工示意圖。

策劃在前期進(jìn)行游戲設(shè)計(jì)并且在后期進(jìn)行游戲整合，包括策劃方案的編寫與修改與游戲合成；美術(shù)的工作是制作游戲中用到的相關(guān)美術(shù)資源，包括2D圖片、3D模型、特效等，由策劃描述主要需求，美術(shù)根據(jù)游戲整體風(fēng)格以及策劃方案的需求制作；程序的工作是將策劃設(shè)計(jì)好的游戲劃分為不同模塊并實(shí)現(xiàn)這些模塊，其中包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、場(chǎng)景搭建、UI控制以及體感游戲的體感控制部分等。

圖5 分工劃分示意圖

3.3.3 數(shù)據(jù)配置

不同歌曲的節(jié)拍類型、節(jié)拍數(shù)量、動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)的節(jié)拍間隔和動(dòng)作提示圖片顯示的節(jié)拍間隔等各不相同，因此對(duì)于每套舞蹈的歌曲進(jìn)行獨(dú)立數(shù)據(jù)配置，并在系統(tǒng)主場(chǎng)景中讀取該配置文件。歌曲、動(dòng)作評(píng)價(jià)和動(dòng)作提示需要滿足如下的層次關(guān)系：該系統(tǒng)共包含若干首歌，每首歌包含若干個(gè)小節(jié)、動(dòng)作評(píng)價(jià)、特效以及動(dòng)作提示，因此可以采用XML格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述。

配置文件格式如下所示，方括號(hào)的內(nèi)容表示屬性，項(xiàng)目符號(hào)及縮進(jìn)表示XML的層次結(jié)構(gòu)，對(duì)于單首歌曲來(lái)說(shuō)，具體描述如下：

歌曲1[實(shí)際歌曲名，程序中歌曲名，場(chǎng)景ID，角色I(xiàn)D，每分鐘節(jié)拍數(shù)]

·小節(jié)劃分

若干相同小節(jié)[節(jié)拍類型，節(jié)拍次數(shù)]

·動(dòng)作評(píng)價(jià)

單次評(píng)價(jià)[間隔節(jié)拍數(shù)，關(guān)節(jié)權(quán)重(共6個(gè))]

·特效

單個(gè)特效[特效ID，小節(jié)位置，節(jié)拍位置，持續(xù)時(shí)間，是否設(shè)置初始位置，位置坐標(biāo)]

·動(dòng)作提示

單次提示[等待節(jié)拍數(shù)，文字內(nèi)容]

系統(tǒng)數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)存儲(chǔ)配置文件和解析配置文件，存儲(chǔ)配置文件模塊將運(yùn)行時(shí)的歌曲配置數(shù)據(jù)按照預(yù)先定義的規(guī)則，存儲(chǔ)為XML文件，設(shè)立專門的解析配置文件模塊對(duì)XML進(jìn)行解析，數(shù)據(jù)寫入運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。這樣的數(shù)據(jù)配置方式能夠保持配置文件中的數(shù)據(jù)與實(shí)際的舞蹈動(dòng)作節(jié)拍一致。對(duì)系統(tǒng)動(dòng)作評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，以及整體舞蹈的體驗(yàn)有很大的提高。

4 游戲?qū)崿F(xiàn)

4.1 硬件集成

社區(qū)公共文化服務(wù)終端，需要兼具社區(qū)公共文化服務(wù)功能和現(xiàn)代化高科技交互式的數(shù)字體感娛樂(lè)健身功能[24]。適應(yīng)社區(qū)中各層次人群，尤其是老年人和兒童。所以在設(shè)計(jì)時(shí)考慮一些因素諸如：數(shù)字化娛樂(lè)設(shè)施應(yīng)具有體感技術(shù)和交互優(yōu)勢(shì)；產(chǎn)品采用超大觸摸液晶屏，提供超強(qiáng)視覺(jué)體驗(yàn)，操作要快捷簡(jiǎn)單等。另外考慮到體驗(yàn)方式以及體驗(yàn)地點(diǎn)，設(shè)備要做到安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行，防風(fēng)、防雨、防沙、防塵、防盜、防觸電等基本設(shè)計(jì)要求，在外形設(shè)計(jì)上要求美觀和便于移動(dòng)，方便遠(yuǎn)距離地運(yùn)輸和拆裝等。設(shè)備整體外觀如圖6所示。

圖6 體感一體機(jī)設(shè)備整體圖

該一體機(jī)裝置集成了電腦主機(jī)、Kinect攝像頭、音響設(shè)備、大屏觸摸顯示器等設(shè)備。電腦主機(jī)要求操作系統(tǒng)為Win8及以上，USB 3.0以上接口，內(nèi)存4 GB以上，硬盤125 GB以上。另外需配置與交互內(nèi)容兼容的GPU，搭建了服務(wù)信息模塊和基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的交互內(nèi)容體驗(yàn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的內(nèi)容更新和日常維護(hù)。

4.2 游戲介紹

本款廣場(chǎng)舞游戲使用Unity3D游戲引擎設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，使用微軟的Kinect 2.0作為體感信息采集裝置，同時(shí)獲取深度數(shù)據(jù)和色彩數(shù)據(jù)，深度數(shù)據(jù)的圖像分辨率為640×480，刷新頻率為30 Hz。突破圖形引擎的體感數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)，將體感設(shè)備捕捉的動(dòng)作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為平滑的骨骼運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，針對(duì)人體骨骼特點(diǎn)為游戲虛擬角色制定匹配的骨骼節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)三維體感動(dòng)作與三維游戲引擎中的骨骼動(dòng)作映射配置，實(shí)現(xiàn)與虛擬世界的動(dòng)作操控。本文設(shè)計(jì)并集成了體感裝置一體機(jī)，方便游戲內(nèi)容的體驗(yàn)。

歌曲選擇場(chǎng)景中顯示當(dāng)前系統(tǒng)中的歌曲列表，界面左側(cè)顯示歌曲信息。如圖7所示。

圖7 菜單選擇界面

舞蹈動(dòng)作實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)主場(chǎng)景如圖8所示。根據(jù)選擇界面選定的歌曲，進(jìn)入游戲核心界面。根據(jù)所選歌曲的不同，隨機(jī)選中不同游戲場(chǎng)景，作為廣場(chǎng)舞背景。系統(tǒng)在該場(chǎng)景中將動(dòng)捕設(shè)備錄制的標(biāo)準(zhǔn)舞蹈動(dòng)作以三維動(dòng)畫的形式進(jìn)行展現(xiàn)，通過(guò)體感攝像頭將用戶動(dòng)作實(shí)時(shí)映射至場(chǎng)景中的另一個(gè)三維模型，并根據(jù)歌曲配置文件中對(duì)歌曲片段的劃分，對(duì)用戶動(dòng)作進(jìn)行評(píng)價(jià)，為用戶提供了一個(gè)良好的廣場(chǎng)舞自學(xué)平臺(tái)。

圖8 游戲主場(chǎng)景

不同歌曲匹配不同的人物模型，保持玩家在多次體驗(yàn)過(guò)程中的新鮮感。屏幕中間為舞蹈區(qū)域，虛擬角色展示規(guī)范的舞步，玩家在體感攝像機(jī)前模仿舞蹈動(dòng)作。虛擬角色動(dòng)作為鏡像版本，玩家可以直接模仿。屏幕右下方為動(dòng)作提示區(qū)域，根據(jù)音樂(lè)的每個(gè)小節(jié)實(shí)時(shí)進(jìn)行動(dòng)作提示。玩家可以通過(guò)動(dòng)作提示，準(zhǔn)備好下個(gè)小節(jié)的動(dòng)作，再參考虛擬角色的舞步進(jìn)行游戲。在若干個(gè)節(jié)拍完成后，游戲?qū)ν婕覄?dòng)作進(jìn)行一次百分制評(píng)分，在虛擬角色周圍顯示評(píng)價(jià)結(jié)果。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)從高到低依次為：“超完美”、太棒了”、“再接再厲”和無(wú)評(píng)價(jià)。游戲進(jìn)行評(píng)分累計(jì)，在屏幕的左上角顯示當(dāng)前得分。左下角為節(jié)拍進(jìn)度提示器和音樂(lè)振幅顯示，根據(jù)節(jié)拍的完成進(jìn)度，顯示百分比，并跟隨節(jié)拍振動(dòng)，增加節(jié)奏效果。音樂(lè)振幅顯示當(dāng)前歌曲的聲音振幅，提升玩家游戲沉浸感。玩家在游戲過(guò)程中可以隨時(shí)通過(guò)觸摸屏幕暫停游戲。

當(dāng)一套舞蹈動(dòng)作結(jié)束以后，系統(tǒng)將跳轉(zhuǎn)至如圖9所示的結(jié)束界面，根據(jù)歌曲配置文件對(duì)采集到的用戶動(dòng)作進(jìn)行片段劃分，并對(duì)每個(gè)劃分后的動(dòng)作片段使用本文的預(yù)處理及動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)方法對(duì)用戶動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，該場(chǎng)景顯示用戶的總得分以及其總體評(píng)價(jià)星級(jí)。

圖9 游戲結(jié)算界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)集成的廣場(chǎng)舞體感一體機(jī)設(shè)備以及體感游戲進(jìn)行了描述。該系統(tǒng)由動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、實(shí)時(shí)體感動(dòng)作評(píng)價(jià)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)配置工具3個(gè)部分組成。光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)用于對(duì)舞蹈動(dòng)作進(jìn)行采集，結(jié)合適當(dāng)?shù)暮笃谔幚?，得到?biāo)準(zhǔn)舞蹈動(dòng)作；實(shí)時(shí)體感動(dòng)作評(píng)價(jià)系統(tǒng)采用Unity3D三維圖形引擎搭建虛擬體驗(yàn)環(huán)境，以Kinect體感攝像頭作為動(dòng)作采集設(shè)備，基于動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)算法對(duì)用戶動(dòng)作進(jìn)行評(píng)價(jià)；數(shù)據(jù)配置工具則為開(kāi)發(fā)人員提供了快速準(zhǔn)確地制作舞蹈歌曲配置文件的工作流。

體感技術(shù)作為21世紀(jì)熱門的人機(jī)交互方式之一，繼鼠標(biāo)和多點(diǎn)觸摸技術(shù)之后，對(duì)于自然人機(jī)交互的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。而廣場(chǎng)舞在中國(guó)城鄉(xiāng)居民乃至國(guó)外的廣泛普及與體感技術(shù)的有機(jī)結(jié)合恰好給廣場(chǎng)舞提供了一個(gè)交互自然，內(nèi)容豐富的平臺(tái)[24-26]。

筆者搭建的面向農(nóng)村基層公共文化服務(wù)的體感交互應(yīng)用系統(tǒng)，以基層群眾喜聞樂(lè)見(jiàn)的廣場(chǎng)舞為體驗(yàn)內(nèi)容，將體感交互技術(shù)以及動(dòng)作相似度評(píng)價(jià)算法以三維可視化的方式應(yīng)用于農(nóng)村基層廣場(chǎng)文化服務(wù)中，將體感交互技術(shù)與農(nóng)村公共文化服務(wù)進(jìn)行了融合，擴(kuò)充了農(nóng)村公共文化的數(shù)字內(nèi)容。在今后的研究中，筆者將繼續(xù)關(guān)注公共文化領(lǐng)域的需求，運(yùn)用先進(jìn)的交互方式為基層群眾提供使用便利、內(nèi)容豐富的數(shù)字娛樂(lè)平臺(tái)。

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