運用運動捕獲技術的少數民族舞蹈藝術保護

王鵬杰，李 威，宋海玉，王 波，張恒博，劉勇奎

(大連民族學院計算機科學與工程學院，遼寧大連 116605)

運用運動捕獲技術的少數民族舞蹈藝術保護

王鵬杰，李 威，宋海玉，王 波，張恒博，劉勇奎

(大連民族學院計算機科學與工程學院，遼寧大連 116605)

分析了運用傳統技術進行少數民族舞蹈藝術保護存在的問題，總結了國內外相關的研究工作;給出了一個利用運動捕獲技術進行少數民族舞蹈藝術保護的研究方案，包括從數據采集、數據處理到數據壓縮索引組織的整個過程。

運動捕獲;民族舞蹈;數據處理

少數民族舞蹈是在不同的地理環境、社會生活、風俗習慣和各自的經濟文化條件下，經過長期的歷史發展過程而形成的，是少數民族非物質文化遺產中的一顆璀璨的明珠。但是，隨著現代化進程的加快與外來舞蹈文化的涌入，很多少數民族舞蹈面臨失傳的局面，如回族的腳踏舞、壯族的禾樓舞等。少數民族舞蹈文化保護的形勢已經非常嚴峻，對少數民族舞蹈文化的搶救、保護、傳承已經迫在眉睫、刻不容緩。

1 傳統技術存在的問題

少數民族文化保護與發展工程被列為國家“十一五”期間重點建設工程。各級政府對少數民族舞蹈的保護與傳承都給予高度的重視。由文化部、國家民委牽頭組織編寫的《中國民族民間舞蹈集成》共10冊［1］，詳細記錄了各民族的舞蹈藝術精華。同時，各級地方政府和文化管理部門，也采取一系列有效的保護方式，運用文字記錄、攝影、攝像等現代科學技術手段，詳盡地記錄保存少數民族原生態的舞蹈藝術。文字、圖表、錄像雖是舞蹈藝術保存的一個重要舉措，但是，用這種方式保存的舞蹈藝術文字和影像資料有以下兩個突出的缺點:

(1)不能實現以多視角、可交互、立體動態的舞蹈藝術的展示。比如拍攝的視頻只能在拍攝的角度觀看，不能和視頻中的角色交互。

(2)數據的可重用性與可編輯性差。保存的數據不能運用到動畫、影視、游戲等文化娛樂作品中。比如，拍攝的圖片或視頻只能供觀看，而不能應用到動畫創作中。這樣對少數民族舞蹈文化的傳承和弘揚有很大的限制。在動漫、影視等數字出版產業中，各國無不在利用其虛擬的角色傳導與弘揚其本民族的文化，比如美國Disney的米老鼠、唐老鴨，日本的藍精靈、鐵臂阿童木等虛擬角色，無不寄寓和浸染著鮮明的民族文化。所以，對少數民族舞蹈藝術進行保護的最好方式是將少數民族舞蹈藝術運用和融入到動漫、影視等數字出版產業中去。

2 國內外相關研究及存在的問題

運動捕捉技術于20世紀70年代開始應用于Disney的動畫制作。20世紀80年代，美國Carnegie Mellon University的圖形研究所、華盛頓大學的Animation Research Labs實驗室展開了對運動捕獲技術的研究。隨后，很多廠商，如Vicon、Polhemus、Sega Interactive等開始推出自己的運動捕獲設備，使得這項技術逐漸走向實用化。同時，相關的科研機構也在探索這種新技術的可能應用。比如，伊利諾伊大學開展的“Hummingbird”項目曾嘗試將演員的舞蹈運動通過網絡傳遞到另外一地，并實時播放。日本也有將運動捕捉技術與舞蹈藝術保護相結合的研究工作。國內的運動捕獲技術的研究與應用起步較晚，浙江大學的CAD＆CG國家重點實驗室、中科院計算研究所、北京航空航天大學虛擬現實國家重點實驗室等先后開展了對運動捕獲技術進行的研究，這些研究多集中于運動合成、風格化處理等。

要建立少數民族舞蹈運動數據庫，需要采集、處理和存儲大量的數據，因此，高效的數據存儲與檢索等數據處理算法成為關鍵。國內外的學者在這個領域展開了很多的研究［2－11］。Arican［2］采用對每個小片段的運動數據用Bezier曲線來近似，然后執行Clustered PCA(Principal component analysis)以降維，而對與環境接觸的部分，則單獨采用DCT(Discrete Cosine Transformation)的方法進行處理。而Liu等［3］則將運動數據分割成簡單的片段，然后對每個分段分別計算PCA以進行數據降維，對降維后的數據，進一步運用自適應的基于樣條曲線的關鍵幀提取方法進行處理。Chattopadhyay等［4］根據運動矩陣的浮點數分布情況構建索引，使得每個浮點數都可用一個索引來表示，從而有效地壓縮了數據。Beaudoin等［5］將自適應小波方法運用到運動數據壓縮算法中，對與環境接觸的部分，采用了優化的小波壓縮方法進行處理，并用逆向運動學的方法進行矯正。Gu等［6］根據三維骨節組織成的層次結構，對層次結構的每個部分，確定其運動的模式并構建相應的模式庫，然后，整個的運動可以由這個模式庫的索引來編號。這樣，可以利用這個模式進行運動的壓縮和檢索。Tournier等［8］運用 PGA(Principal Geodesics Analysis)去近似運動的姿勢，利用逆向運動學對PGA的參數進行匹配和優化，最后只需要保留末端效應器及根節點軌跡的相關參數，就能有效的對數據進行還原。國內也有很多學者提出了一些有影響力的運動捕獲數據處理算法［9－11］。

以上研究雖然得到很多運動捕獲數據的壓縮與檢索算法，但是，這些壓縮處理方法都是有損的方法，有損的方法會帶來視覺的偽跡(artifact)。在影視制作中，制作人員對小的偽跡采用手工調節的方法予以解決，而對于得到的大規模的舞蹈運動數據庫，這種手工的方法變得不現實，必須設計無損的壓縮處理方法。對于運動檢索處理方法來說，當前的方法都是針對一般運動的方法，存在檢索結果準確率不高、響應時間長等缺點。而我國的少數民族舞蹈有其特定的動作集合，這些動作具有鮮明的民族特色，要想達到高效快速的檢索，必須針對各民族的舞蹈運動特點，考慮少數民族舞蹈運動上下文，設計專用的運動檢索算法。

3 研究方案設計

3.1 運動捕獲技術

運動捕捉技術(Motion Capture)是記錄人體運動信息以供分析、回放和重用的技術。捕捉的數據既可簡單到記錄身體關鍵部位的三維空間位置，也可復雜到記錄面部表情的細致運動。基于運動捕獲的數據生成方法是首先捕獲真人的運動如圖1(a)，然后將捕獲的運動映射到計算機生成的虛擬角色上的過程如圖1(b)。當前運動捕捉的設備主要分為機械式、聲學式、光學式等幾種，其中應用最廣的是光學設備。大連民族學院運動捕獲車間的東銳三維運動捕獲系統就是一個典型的光學運動捕獲設備。在一個光學式運動捕捉系統中，一般使用6個以上的相機環繞排列在拍攝場地。拍攝場地中央的表演模特會被要求穿上單色的特制服裝，并在身體的關鍵部位，如關節、腕、肘、頭部等位置貼上 Marker(特制的標志或發光點)。之后，相機將同時連續高速拍攝模特的動作，并將捕捉到的Marker的圖像數據保存，然后進行分析和處理。通過識別和區分這些Marker，由計算機計算出貼在表演模特身上的Marker在三維空間的位置，進而得到其運動軌跡。圖1(a)為對身帶Marker的演員進行運動采集，記錄采集得到的三維運動軌跡，這些運動軌跡可以重定向到圖1(b)的一個三維虛擬角色上。

圖1 運動捕獲數據的采集及重新利用

由于當前的運動捕獲技術可以記錄下人體的舞蹈運動的三維軌跡，從而可以實現多視角、可交互、立體動態的舞蹈藝術的保存和展示。更重要的是，經過運動數據采集后，這些運動數據可以“重現”到一個虛擬人物身上，使得保存的舞蹈運動數據可以運用到動畫、影視、游戲等數字出版作品中。因而，與傳統的文字、攝像、攝影等“死”的保護方式不同，用運動捕獲技術保留的少數民族舞蹈藝術是“活”的藝術，能真正做到少數民族舞蹈文化的保護、傳承、弘揚。

3.2 研究方案及說明

運用運動捕獲技術進行少數民族舞蹈藝術保護的總體研究方案如圖2。

圖2 研究方案總體流程

具體說明如下:

(1)選擇具有代表性的少數民族舞蹈，采用光學式運動捕捉系統對舞蹈舞姿進行數據采集，這樣就得到了演員在三維空間中的運動軌跡。

(2)采集得到的運動數據有很多噪音，并且有錯位和漏洞，需要對數據進行去噪和配準。

(3)去噪和配準后的數據量往往比較龐大，對龐大的數據需要進行數據的壓縮處理，以節省存儲空間。采用Bezier曲線、NURBURS曲線進行運動數據關鍵幀的提取;采用PCA、PGA、LLE(Locally linear embedding)等方法對數據進行降維處理。這樣在行和列上均對數據進行處理，從而高效地存儲數據。同時，龐大的運動數據需要進行高效索引，以提高運動數據的檢索速度，采用基于特征空間的索引方法對運動數據進行高效索引。這種索引方式能有效地提高檢索的速度，并且索引占用的存儲空間很小。通過以上兩步，可以生成一個對運動數據進行管理的系統，使得用戶可以交互式地從壓縮后的運動數據集中提出需要的運動片段。

(4)把運動捕獲設備捕獲的數據重新定向到具有不同大小和比例的虛擬人模型上，從而可以充分利用少數民族舞蹈藝術。

4 結語

運用運動捕獲技術建立少數民族舞蹈運動數據庫既能有效地保存少數民族舞蹈藝術，又能將這些舞蹈運動重用到影視、動漫、游戲等數字出版物中。從而為民族舞蹈的保護、創編和開發利用提供數據基礎與新的手段。這無論對于繁榮中國的少數民族文化事業、促進少數民族地區經濟發展，還是對于維護民族團結、促進各民族的平等與和諧共處都具有重要的意義。

利用運動捕獲技術進行少數民族舞蹈藝術保護還有很多技術需要探索和研究，同時，需要投入大量的資金、人力、物力進行運動數據的采集和處理。剛剛閉幕的黨的十七屆六中全會提出要大力發展文化產業，并促使其成為國民經濟的支柱產業，胡錦濤總書記也做了關于文化建設和文化體制改革的重要講話。相信不久的未來，會有越來越多資金和研究人員投入到對少數民族舞蹈這種文化瑰寶進行保護的工作中。

［1］中國民族民間舞蹈集成編輯部.中國民族民間舞蹈集成［M］.北京:中國舞蹈出版社，1990.

［2］ARIKAN O.Compression of motion capture［J］.ACM Transactions on Graphics，2006，25(3):890–897.

［3］LIU G，MCMILLAN L.Segment－based human motion compression and indexing［C］.Proceedings of ACM SIGGRAPH/Eurographics Symposium on Computer animation，Vienna，2006:127–135.

［4］CHATTOPADHYAY S，BHANDARKAR S M，LI Kang.Human Motion Capture Data Compression by Model－Based Indexing:A Power Aware Approach［J］.IEEE transactions on visualization and computer graphics，2007，13(1):5－14.

［5］BEAUDOIN P，POULIN P，VAN DE PANNE M.Adapting wavelet compression to human motion capture clips［C］.Proceedings of Graphics Interface 2007，Montreal，2007:313–318.

［6］GU Q，PENG J L，DENG Z G.Compression of human motion capture data using motion pattern indexing［J］.computer graphics forum，2009，28(1):1－12.

［7］DENG Z，GU Q，LI Q.Perceptually consistent example－ based human motion retrieval［C］.Proc.ACM Symp.on Interactive 3D Graphics and Games，2009.

［8］TOURNIER M，WU X M，NICOLAS C，et al.Motion Compression using Principal Geodesic Analysis［C］.Proceedings of Eurographics 2009.Munich，2009:355－364.

［9］楊濤，肖俊，吳飛，等.基于分層曲線簡化的運動捕獲數據關鍵幀提取［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2006，18(11):1691 －1697.

［10］沈軍行，孫守遷，潘云鶴。從運動捕獲數據中提取關鍵幀［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2004，16(5):719－723.

［11］朱登明，王兆其.基于運動序列分割的運動捕獲數據關鍵幀提取［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2008，20(6):787－792.

Exploration of Chinese Minority Dances
Protection by Using Motion Capture Techniques

WANG Peng －jie，LI Wei，SONG Hai－yu，WANG Bo，ZHANG Heng－bo，LIU Yong－kui
(College of Computer Science＆ Engineering，Dalian Nationality University，Dalian Liaoning 116605，China)

In this paper，we analyze the problems of current minority dances protection methods，and give a brief survey of related work on this topic.Then，we give the technique process pipeline by using motion capture techniques for the protection of minority dances，which includes data capturing，data processing，data compression and data index.

motion capture;minority dances;data processing

TP391.0

A

1009－315X(2012)01－0072－04

2011－11－11

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(DC10040113)。

王鵬杰(1978－)，男，河南周口人，講師，主要從事計算機圖形學研究。

(責任編輯 劉敏)