龐新 郭瑾 劉丹 高偉

摘要：為拓寬大學生知識領域，激發(fā)其創(chuàng)新意識，提高其實踐能力，促進學科專業(yè)從單一型向多學科交叉融合型轉變，根據(jù)師范類地方高校藝術專業(yè)特點，將動作捕捉系統(tǒng)與影視、體育、美術和舞蹈專業(yè)結合，進行實踐教學?；趧幼鞑蹲较到y(tǒng)的學科交叉教學能夠提高影視動畫制作效率，使動畫效果更逼真、更精細;能夠規(guī)范體育運動和舞蹈動作姿勢，使學習興趣和學習效率顯著提高。通過在學科交叉教學中應用動作捕捉系統(tǒng)，可提高大學生創(chuàng)新能力、實踐能力，培養(yǎng)跨學科人才，同時為其它學科交叉教學提供借鑒。

關鍵詞：學科交叉;動作捕捉;人才培養(yǎng);角色動畫

DOI： 10. 11907/rjdk.191746

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：G434

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7800（2020）004-0263-05

0 引言

隨著社會的進步、科技的發(fā)展，許多復雜問題很難依靠單一學科知識解決，而是需要在多領域、多學科、多層次和多角度上交叉融合，共同解決問題。學科交叉往往會大范圍引發(fā)學科研究范圍的變革[1]。在學科交叉邊緣地帶，知識互相交融，技術互相借鑒，更容易激發(fā)創(chuàng)新思維.產(chǎn)生創(chuàng)新意識，同時也蘊藏著巨大的創(chuàng)業(yè)機遇，學科交叉被很多學者認為是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑[2]。在掌握本學科理論知識、技術實踐的基礎上，不斷吸收其它學科知識，拓寬視野，擴展科學研究范圍，轉變固有的思維方法，在分析問題時從整體出發(fā)，從多學科角度分析和解決問題，從而得出創(chuàng)造性成果，學科交叉極大提高了大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

學科交叉領域主要研究有：劉俊曉等[3]用二模共現(xiàn)分析方法對教育技術學與相鄰學科的學科交叉主題進行識別分析，為教育技術領域人員與其它自然科學、人文社會科學等領域人員開展交叉融合研究與實踐提供參考;曹蘇群等[4]提出一種多學科交叉復合創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，從知識平臺、培養(yǎng)方式、特色教育及創(chuàng)業(yè)輔導等方面展開闡述，對提高學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力效果顯著;胡煜寒等[5]從學科交叉視角出發(fā)，指出培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的重要性，提出了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才培養(yǎng)若干措施。建議高等院校在遵循學科自身發(fā)展規(guī)律前提下，積極主動打破學科條塊分割界限，大力促進相關學科交叉與融合;Johnson等[6]通過跨學科繼續(xù)專業(yè)教育培訓，為專業(yè)人員提供學習機會，促進交流和協(xié)作;Wermann等[7]對工業(yè)4.0跨學科演示平臺進行了詳細研究，討論了平臺對學校教育的作用。

以上研究關注的重點是多學科交叉視域下的培養(yǎng)方案、課程體系、創(chuàng)業(yè)平臺等，在人才培養(yǎng)模式具體應用到實踐層面的研究還不夠充分，尤其針對藝術類專業(yè)進行學科交叉教育的研究很少。本文分析地方師范院校藝術專業(yè)在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育方面的特點，進行“計算機與藝術專業(yè)交叉融合培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才”研究，取得了一些成果，總結了一些值得交流推廣的經(jīng)驗。

1 研究背景

隨著教育改革的深入，筆者院校在加強校企合作、建設創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺、建立眾創(chuàng)空間基礎上，大力推進學科交叉創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育工作。遼寧師范大學現(xiàn)有4個藝術類學院，分別是體育學院、音樂學院、美術學院、影視藝術學院。藝術類專業(yè)知識與其它專業(yè)交叉較少，大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育主要集中在本學科，很少與其它學科進行交流合作。計算機與信息技術學院現(xiàn)有5個專業(yè)，有動作捕捉實驗室、動畫與游戲軟件實驗室、影視作品創(chuàng)作實訓室等20多個實驗室，包含動作捕捉系統(tǒng)、三維數(shù)字掃描系統(tǒng)、非線性編輯系統(tǒng)、彩擴系統(tǒng)等設備。在信息化、網(wǎng)絡化、大數(shù)據(jù)和人工智能時代，計算機技術已經(jīng)滲透到生產(chǎn)、生活各領域，可以作為輔助工具、開發(fā)工具，為藝術類學科發(fā)展提供有力支撐。本文以藝術類學科為出發(fā)點，依托計算機實驗室，設計了一系列基于藝術專業(yè)與計算機專業(yè)交叉融合的實踐教學項目，積極吸收具有一定專業(yè)特長的藝術類學生參與到項目中。在共同完成項目過程中，不同專業(yè)學生不但把自己的專業(yè)特長發(fā)揮出來，而且使專業(yè)知識和技能更加精熟，也加強了對其它學科知識的學習，擴大了各自的知識面，開闊了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)視野，增強了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識，提高了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

2 動作捕捉技術與應用

動作捕捉技術在國內(nèi)也稱運動捕捉，其將追蹤器固定在運動物體關鍵部位，在一定時空域內(nèi)由系統(tǒng)捕捉到追蹤器的位置信息，再將信息傳輸?shù)接嬎銠C處理，得到三維空間坐標數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)對物體運動精確記錄，甚至臉部肌肉活動都能精準記錄下來。依據(jù)工作原理不同，動作捕捉設備可分為機械式、聲學式、電磁式、慣性導航式和光學式[8]。

動作捕捉技術廣泛應用于數(shù)字化保護、游戲和影視動畫制作、人體工程學、生物力學、人機工程、虛擬現(xiàn)實、數(shù)字化教學和3D步態(tài)分析等領域[9]。Mullerpatan等[10]在復合瑜伽中采用12組攝像機進行三維運動捕捉，探究了脊柱、上肢和下肢的運動學，幫助治療骨骼肌疾病;蘇本躍等[11]使用動作捕捉系統(tǒng)錄制數(shù)據(jù)，并將基于函數(shù)型數(shù)據(jù)分析的人體動態(tài)行為識別方法應用于數(shù)據(jù)集，較好地描述人體動態(tài)行為的連續(xù)性與周期性;劉曉平等[12]提出基于譜聚類的面向運動足跡自動檢測方法，可應用于大部分運動表演者的平地運動數(shù)據(jù)，克服了現(xiàn)有方法的不足;妮麗等[13]運用動作捕捉技術驅動人體三維模型“替身”進行實時運動，優(yōu)化了遠程實時授課交互功能;謝寧等[14]針對藝術家的動作捕捉，基于PCPE的正則化策略學習方法，利用IRL算法實現(xiàn)了針對個性風格的照片水墨畫藝術風格轉化;王歡等[15]提出一種基于哈希學習的高效編碼與快速檢索算法，實現(xiàn)從大規(guī)模動作捕捉數(shù)據(jù)庫中快速檢索相似序列段。

3 學科交叉實踐教學

本文采用光學式動作捕捉系統(tǒng)，分別對影視、體育、舞蹈專業(yè)3個學科進行教學，如圖1所示。該系統(tǒng)擁有高感度近紅外CMOS傳感器，分布于12臺專業(yè)攝像機中。進行動作捕捉時，通過對攝像機焦距、光圈、灰度色階和架設角度等參數(shù)的調(diào)整適應不同采集環(huán)境，跟蹤記錄近紅外線標識球的反射信號，精準捕捉標識球所標識的關鍵點在三維空間的運動軌跡。

3.1 動作捕捉技術與影視專業(yè)結合

遼寧師范大學影視藝術學院設有動畫專業(yè)，培養(yǎng)具有較高審美能力、藝術素養(yǎng)，能夠熟練應用數(shù)字技術和影視動畫軟件設計二維、三維動畫作品的人才。三維動畫技術能夠從多角度展示，給人一種身臨其境的感覺，在影視作品、角色動畫中應用越來越多。影視動畫中的角色表演需要完成許多復雜的動作，即便是用動畫軟件制作也會耗費大量時間、人力和財力，某些復雜動作有時很難準確做出來。但使用動作捕捉技術，能夠實現(xiàn)精確、流暢、細致的效果?？梢哉f，現(xiàn)在的影視動畫作品不是畫出來的，而是演出來的。圖2是基于動作捕捉技術的動畫制作流程，導演、演員和動畫師由影視學院學生擔任，動作捕捉師由計算機專業(yè)學生擔任。

（1）動作設計：導演根據(jù)角色性格特點、劇情需要、內(nèi)外環(huán)境變化，為角色制定一系列動作，包括表情動作、肢體動作、常規(guī)運動和非常規(guī)運動動作等。

（2）前期準備：動作捕捉的前期準備越充分，越有利于節(jié)約時間，節(jié)省成本。導演要根據(jù)劇本中的情節(jié)設計角色動作，并把這些動作繪制成分鏡，與動作演員進行溝通，使演員明白動作的類型、幅度、時長等。動作捕捉師先為演員講解動作捕捉時的注意事項，之后演員按照導演的要求提前熟悉動作、道具等。導演與動作捕捉師溝通，使其明白導演的意圖，商定哪些動作不適合用動作捕捉，需要其它手段輔助;對適合捕捉的動作，根據(jù)難易程度與類型編排動作捕捉的前后次序，這樣可以提高動作捕捉效率，避免浪費。

（3）動作捕捉：首先架設好12臺近紅外高感度專業(yè)攝像機，這樣可以同時在12個角度對演員進行拍攝。然后讓動作演員身著單一顏色緊身服裝，在頭、胸、關節(jié)處等部位固定高反射標識球，攝像機捕捉到標識球反射的信息，可以迅速精準地計算出運動目標點的三維空間位置坐標。動作捕捉環(huán)境部署好后，軟件系統(tǒng)需要通過演員固定姿勢測試，實現(xiàn)角色動作校準，這些固定姿勢分別是T形姿勢、N形姿勢等。動作校準后開始正式動作采集，動作演員在規(guī)定范圍內(nèi)完成指定動作，拍攝停止后，三維窗口顯示出三維運動數(shù)據(jù)。

（4）動作捕捉數(shù)據(jù)優(yōu)化：動作捕捉的數(shù)據(jù)并不都滿足要求，在采集過程中要實時檢測，不符合要求的動作需要重新采集。有些數(shù)據(jù)需要修正，可以通過差值計算、濾波處理、減少冗長關鍵幀、修正動作細節(jié)等技術進行。

（5）角色建模與綁定骨骼：影視動畫作品最終是以角色模型展示動作和故事情節(jié)的，動畫師需要按照導演要求設計角色模型，以便將動作捕捉的數(shù)據(jù)綁定到模型上.使角色模型的動作逼真、形象。創(chuàng)建角色模型需要完成骨骼綁定，沒有骨骼系統(tǒng)就無法通過動作捕捉數(shù)據(jù)驅動模型運動。

（6）數(shù)據(jù)與角色模型綁定：動作捕捉數(shù)據(jù)與角色模型的綁定在Autodesk MotionBuilder軟件中完成。先導人數(shù)據(jù)，軟件中的Actor工具能夠自動設置動作捕捉數(shù)據(jù)并將其傳輸至角色模型;再將動作捕捉數(shù)據(jù)中的各個跟蹤點與相應角色模型在骨骼上的關鍵節(jié)點進行映射，這樣動作演員的數(shù)據(jù)就可驅動動畫角色模型運動。

（7）建立動作庫：動畫師會把修正好的動作進行分類并存儲建庫。這種動作數(shù)字化的創(chuàng)作方法極大提高了動畫制作的效率，動作庫的創(chuàng)建也為后續(xù)動畫作品的制作節(jié)約了成本。

這個項目擴展了影視學院學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)業(yè)能力。

3.2 動作捕捉技術與體育、美術專業(yè)結合

近年來，隨著計算機技術的普及和數(shù)字教育應用，動作捕捉技術不斷用于體育訓練等項目，用以輔助體育訓練數(shù)字化、科學化。與傳統(tǒng)體育教學相比，動作捕捉技術能夠實時捕捉運動員的動作，精確記錄運動員肢體在三維空間的運動軌跡，并將其數(shù)字化，方便分析和長期保存。這一測量過程可以減少主觀因素造成的誤差，可同一時刻測得多個角度大量的數(shù)據(jù)信息，可實時、精確、形象地進行教學反饋。對于獲得的數(shù)據(jù)還可進行分析與設計，深入挖掘其價值，制作出適合自主學習的材料。因此，在運動項目教育教學過程中，把動作捕捉技術與傳統(tǒng)教學結合起來，解決傳統(tǒng)教學中的弊端和問題，提高教學質量和學習效率，具有較高的研究意義和實用價值。在國外，Evansab等[16]人采用動作捕捉系統(tǒng)對高爾夫球員的動作進行了實驗與分析;國內(nèi)一些學者利用動作捕捉技術對排球、籃球、太極拳等體育運動項目進行了研究[17]。

本項目選擇對原地推鉛球這一運動進行動作捕捉。選擇原因如下：①對推鉛球來說，動作很重要。推鉛球這一運動不是越強壯、越有力氣就一定推得遠，技巧和標準動作起到很大作用。即使是同一個運動員，動作標準與否對結果影響也很大。標準的動作可以把全身力量最終匯集到手上，而不是分散到其它部位，即動作決定最終作用在鉛球上的力的大小和方向，促使鉛球具有最大速度，飛行更遠距離;②推鉛球的動作主要分持球、預擺、推球、隨后動作4個部分，相較于球類等對抗激烈的運動，該項目動作較少，且變化不多。另外，推鉛球僅需較小的活動空間。這些特點使得推鉛球運動很適合動作捕捉。這一實踐項目分4個階段完成，如圖3所示。

（1）培訓項目組學生，獲取推鉛球標準動作并存儲在數(shù)據(jù)庫中，制作動作演示動畫。首先，邀請專業(yè)體育教師演示推鉛球動作，由計算機教師和小組成員為其進行動作捕捉。因為要把這套動作數(shù)據(jù)作為標準數(shù)據(jù)，作為后續(xù)工作的基礎，所以要多捕捉幾次，從中選擇最好的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化和保存;其次，由計算機教師和體育教師為項目組學生講解如何獲取動捕數(shù)據(jù);怎么使用數(shù)據(jù)分析工具對數(shù)據(jù)進行處理;怎樣用學生數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)進行對比;找出錯誤動作，分析錯誤原因。項目組學生必須熟練掌握上述知識和技能;最后，小組中比較擅長三維動畫制作的美術專業(yè)學生與體育教師溝通，將關鍵動作制作成多角度教學演示動畫。

（2）推鉛球教學。學生在課前先觀看推鉛球教學演示動畫，對推鉛球相關理論、技術進行了解。上課過程中，教師為學生講解動作要領、注意事項，并演示給大家看。接下來學生按照教師的講解進行練習，教師對動作不標準的學生進行指導。

[11] 蘇本躍，蔣京.基于函數(shù)型數(shù)據(jù)分析方法的人體動態(tài)行為識別[J].自動化學報，2017（5）：866-876.

[12]劉曉平，陸勁挺.運動捕捉數(shù)據(jù)中足跡的譜聚類檢測方法[J].中國圖象圖形學報，2014 ，19（9）：1306-1315.

[13] 妮麗，蔣云平.遠程實時授課交互功能的優(yōu)化[J].軟件導刊，2011. 10（3）：179-181.

[14]謝寧，趙婷婷，等.基于創(chuàng)意序列學習的藝術風格學習與繪制系統(tǒng)[J].軟件學報，2018.29（4）：1071-1084.

[15]王歡，屠長河.基于哈希學習的動作捕捉數(shù)據(jù)的編碼與檢索[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2016，28（ 12）：2151-2158.

[16]EVANSAB K. HORANAB S A， NEAL R J，et al. Repeatability ofthree-dimensional thorax and pelvis kinematics in the golf swingmeasured using a field-based motion capture system[J].Sports Bio-mechanics， 2012， 11（ 12）： 262-272.

[17]韓麗，劉祺.融合動作捕捉技術的排球教學模式探究[J].中國教育信息化，2015（2）：77-80.

[18]SHI Y Y Research on the inheritance method of minority music anddance art based on motion capture technology[Z].Proceedings of thelst International Symposium on Education. Culture and Social Sci-ences（ ECSS 2019）， 2019： 218-222.

[19]蔡群，呂俊.基于動作捕捉技術的貴州少數(shù)民族舞蹈數(shù)字化保護研究[J].貴州大學學報（自然科學版），2009（ 4）：91-94.

[20] 吳曉雨，張宜春.基于動作捕捉技術的民族舞蹈三維數(shù)字化方法研究[J].計算機與現(xiàn)代化，2013（1）：112-114， 118

[21] BAKOCIANNI. SOPHIA， KAVAKLI. et al. Teaching traditionaldance using e-learning tools： experience from the wehdance project[J]. Bakogianni Sophia， 2007（ 26）： 5-9

[22] 陳思喜.基于運動捕捉的民間舞蹈保護研究[J].西昌學院學報（自然科學版），2012（ 4）：132-134.

（責任編輯：杜能鋼）

基金項目：遼寧省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（201810165048）;遼寧師范大學教學改革項目（201810165036）

作者簡介：龐新（1978-），男，碩士，遼寧師范大學計算機與信息技術學院實驗師，研究方向為計算機教育、計算機動畫與游戲、計算機網(wǎng)絡;郭瑾（1974-），女，碩士，遼寧師范大學計算機與信息技術學院副教授、碩士生導師，研究方向為軟件開發(fā)理論與應用、圖形圖像、計算機教育;劉丹（1981-），女，博士，遼寧師范大學計算機與信息技術學院副教授、碩士生導師，研究方向為數(shù)字化教學、計算機視覺;高偉（1972-），男，碩士，遼寧師范大學計算機與信息技術學院副教授、碩士生導師，研究方向為計算機圖形學、虛擬現(xiàn)實技術、機器學習。本文通訊作者：郭瑾。