安　邦，张　提

(西北民族大学，中国民族信息技术研究院,甘肃兰州730030)

基于运动捕捉技术的藏族舞蹈保护

安邦，张提

(西北民族大学，中国民族信息技术研究院,甘肃兰州730030)

[摘要]随着计算机软硬件技术的飞速发展，人们对于二维画面所带来的感官体验，早以无法得到满足，因此三维立体仿真技术运应而生.三维图像的显示使科学和文化的内容变得直观和立体化.与此同时，诸如我国少数民族舞蹈这样的非物质文化遗产的保护问题迫在眉睫，而文章根据运动捕捉技术和三维建模技术对藏族民间舞蹈进行了数字化保护的研究.

[关键词]红外光学运动捕捉系统;三维建模技术;藏族民间舞蹈;模型驱动

0引言

藏族的很多民间舞蹈已经被收入我国非物质文化遗产名录中，这说明人们希望留住那些不能被文字和图片记载的历史痕迹，并发扬和传承它们[1].那么发现一种用来解决这个问题的关键技术就显得非常重要.

目前，国内外三维运动捕捉技术已经逐渐兴起，不断趋于成熟，不同研究领域的学者也试图应用这种高端技术来解决科学研究过程中的各种问题.在一门技术成熟的时候，我们就应该致力于挖掘它更广泛的应用，来服务于广大群众.

1三维运动捕捉分析系统

1.1　三维运动捕捉技术的工作原理

运动捕捉系统是一种用于准确测量运动物体在三维运动状况的高技术设备.它基于计算机图形学原理，通过排布在空间中的数个视频捕捉设备将运动物体(跟踪器)的运动状况以图像的形式记录下来，然后使用计算机对该图象数据进行处理，得到不同时间计量单位上不同物体(跟踪器)的空间坐标(X,Y,Z).

按照工作原理可以将现在主流的三维运动捕捉技术分为机械式运动捕捉技术、光学式运作捕捉技术、声学式运动捕捉技术和电磁式运动捕捉技术.本次实验研究中我们选用被动式光学运动捕捉系统,即Vicon红外三维运动捕捉系统[2].

1.1.1机械式运动捕捉技术

它主要是使用机械装置来记录运动轨迹，这种机械装置是由一种识别转动角度的传感器连接钢结构的连杆组成[3].所以当物体产生运动时还是以运动物体上的关键节点为对象，观察记录其运动轨迹，此时装置中可以识别角度的传感器就开始记录节点的转动角度数据，就可以计算节点的运动轨迹.

1.1.2光学式运动捕捉技术

现在常用的光学式运动捕捉系统分为两类[4]，一类是主动式光学捕捉系统，另一类就是被动式光学运动捕捉系统，分类方式是根据运动体的发光方式决定的.光学式运动捕捉系统就是根据摄像机接受被记录物体的光信号，从而进行运动轨迹的跟踪和检测.

1.1.3声学式运动捕捉技术

这种技术的实现是将能够发声的超声波发生器安装在运动物体上，然后在运动物体周围设定一个空间，根据对时间和距离做计算得出运动物体的轨迹[5].

1.1.4电磁式运动捕捉技术

将接收器安装在运动物体上，使运动物体在发射源产生的磁场空间内做动作，接收器可以感应到磁场的变化，完成运动数据捕捉的工作[6].

1.2　国内外运动捕捉分析系统的主要应用

运动捕捉的实质就是将被测物体在物理空间中位置和方向的变换信息记录到一个PC中的一个过程，因而运动捕捉是一个能够以高速且高精度的方式产生丰富、逼真动画数据的方法.另外，在音乐、舞蹈、手语等动作识别方面，医学、生物力学、虚拟现实游戏[7]、影视动画、机器人等多个领域存在十分重要的应用价值.

2藏族舞蹈的运动捕捉实验设计与分析

2.1　三维运动捕捉系统工作环境的搭建

工作环境的搭建主要有运动捕捉设备的采选，其中包括：摄像机、核心处理器、PC电脑、信息转换盒等.其次是三维运动空间坐标数据采集环境的搭建.运动数据的采集需要有大小合适的场地，要求所有用于捕捉运动数据的摄像头的拍摄范围能够覆盖整个场地空间的任何角落，这样才能保证数据采集的准确度和识别率.

图1捕捉空间及设备图图2演员运动空间图

2.2　藏族舞蹈动作数据采集

想要采集到藏族舞蹈动作的三维运动数据，就需要在舞蹈演员身上贴上反光点，利用三维运动捕捉系统的摄像头采集运动数据.

反光球粘贴的位置设计是根据人体工程学原理，结合研究对象——民间舞蹈的特点，在人体周身选择39个关键点进行数据采集.这些关键点包括：头部4个采集点，上肢19个采集点，腰部骨盆处4个采集点，下肢12个采集点，如图3所示.

运动数据的采集分为两部分，第一部分是静态数据的采集，目的是为了建立演员的骨骼模型.当演员在做舞蹈动作的时候，软件通过计算静态骨骼模型的数据进行成像.第二部分是动态数据的采集.

2.3　藏族舞蹈运动数据的分析处理

由于运动捕捉得到的原始数据还不能直接用于研究，需要对其进行一些预处理.藏族舞蹈运动数据的分析处理主要分为以下几个步聚：①利用Vicon系统自带的功能给所有输入电脑的三维数据点标上名称；②补全采集过程中的缺失标志点；③删除冗余噪声点；④抖动数据点的平滑处理.

图3　人体采集点标记图及简称

我们将采集到的运动数据附到我们的角色模型上，用以实现骨骼模型的动作驱动，使一个具有藏族民族特色的角色模型依据采集到的运动数据做出舞蹈动作，实现舞蹈的数字化还原，因此我们需要将采集处理后的数据进行输出.在做数据分析时，要将原始数据转出ASCII码文件，这样就可以将数据输出.

3藏族舞蹈角色模型设计与实现

3.1　藏族舞蹈角色模型的建立

利用Maya软件，采用多边形建模方式进行角色模型的生成，所设计的人体结构建模分为头部建模、躯干建模和四肢建模三部分，如图4所示.

图4　三维角色模型

3.1.1头部建模

在Maya软件中建立一个立方体多边形用来挤压出头部以及颈部的模型，然后将立方体进行平滑处理，如图所示，调整头部的线段，使其更接近人类的头部结构框架.在头部模型中根据人的面部结构画出眼、鼻和嘴的定位线.在定位线附近添加约束线来制作眼、鼻和嘴的轮廓，挤压成面部器官.接下来在头部下方挤压出颈部，并通过约束线段调整颈部的结构.通过同样的方法建立立方体制作出耳部轮廓，最后对头部模型做出细微的调整，完成头部的建模.

3.1.2躯干建模

与头部的建模方法相同，创建出一个长方体多边形，通过添加约束线挤压处胸部和腹部的大致轮廓.如图所示，人脸的身体结构是左右对称的，制作出躯干的半个模型，在后面的过程中通过软件的镜像功能完成整体躯干的制作.

3.1.3四肢建模

模型的四肢是通过在躯干模型上的对应位置挤压而成的，如图所示，从躯干上方挤出手臂的轮廓，调整三角肌、肱二头肌的形态等.从躯干模型的下方挤压出臀部的轮廓，紧接着制作大腿、膝盖和小腿部分的轮廓.

3.2　藏族舞蹈角色模型的骨骼创建及骨骼与角色模型的绑定

藏族舞蹈的角色模型创建完成之后，需要为模型绘制一个骨骼来控制模型的动作，方法就是在Maya软件中进行创建.当利用Maya软件完成全身骨骼模型的创建之后，就需要将骨骼和模型进行绑定，使骨骼发生运动时能够带动模型产生运动，这个过程就叫做蒙皮，同样，需要在Maya软件中完成，操作十分简便.

3.3　藏族舞蹈运动数据与角色模型骨骼运动的绑定

当利用运动捕捉系统采集的藏族舞蹈的运动数据之后，使其导出运动数据的.BVH格式.BVH文件是目前应用比较广泛的用来记录人体特征动画的文件格式[8].它包含了角色模型骨骼关节在X轴、Y轴和Z轴上的旋转数据，还包含了关节之间相对位置的数据，以及骨骼长度的数据.

Maya集成的全身反动力学插件HIK，即人类角色方向动力学，能够轻松实现角色动画的绑定，使骨骼关节进行解算.利用HIK可以快速地实现运动捕捉的BVH文件绑定到Maya创建的角色模型上.首先需要创建HIK骨架，来控制角色模型骨骼的运动，然后将运动捕捉的数据文件加载到这个HIK骨架上，进而实现对角色模型的运动控制.

3.4　藏族舞蹈角色模型的造型设计

为了贴近藏族人民的风俗和习惯，符合藏族的民族特色，最后需要对藏族舞蹈角色模型进行造型设计.主要包括角色模型头发的创建，以及其他配饰的创建.同样，需要在Maya软件中完成这些操作.当完成这些操作后，一个基于运动捕捉的藏族舞蹈的角色模型就算初步完成了.这个模型就可以按照采集到的运动数据进行运动，这样就可以数字化还原藏族舞蹈的基本运动轨迹.

4结论

本次实验研究可以分为两个部分，第一部分是根据人体工程学原理，通过三维运动捕捉系统采集藏族舞蹈的舞蹈数据，保持运动数据；第二部分是采用建模软件建立具有民族特色的角色模型，将采集到的运动数据数字化还原出来.

通过实验研究，我们可以将生产生活中具有历史意义和价值的事物通过运动捕捉技术进行采集并保存下来，后期再利用建模软件在任意时间和空间内通过三维立体成像的形式表现出来，从而实现数字化保护、文化宣传、教育教学和产业化的应用.

参考文献：

[1] 黄优强.藏族锅庄舞发展研究[J].美与时代(中旬刊)，四川体育科学，2013，(1):29-32.

[2] Vicon红外三维运动捕捉系统使用手册[CD].北京冠一科仪有限公司动捕设备培训材料,2013-09-10.

[3] 周美兰.基于标志点的人体姿态重构研究[D].长沙：湖南大学,2013:66.

[4] 陈加.基于多目视频的三维人体运动跟踪系统关键技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2012.

[5] 徐展.人脸表情运动捕捉移植的研究[D].北京：北京交通大学,2009.93.

[6] 王征.基于视频的三维人体重建和运动捕捉[D].天津：天津大学,2009.107.

[7] 周韬.动作捕捉系统在虚拟现实中的应用[D].西安：西安电子科技大学,2013.

[8] 郭力，何明耕，陈雷霆.基于BVH驱动的OGRE骨骼动画[J].柴达木开发研究，2013，(2):46-49.

[作者简介]安邦(1987—),男，山东济宁人，硕士研究生，主要从事虚拟仿真方面的研究.

[基金项目]西北民族大学研究生科研创新项目.

[收稿日期]2015-08-20

[中图分类号]TP311.52

[文献标识码]A

[文章编号]1009-2102(2015)03-0051-04