王鵬杰，李 威，宋海玉，王 波，張恒博，劉勇奎

(大連民族學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116605)

運(yùn)用運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)的少數(shù)民族舞蹈藝術(shù)保護(hù)

王鵬杰，李 威，宋海玉，王 波，張恒博，劉勇奎

(大連民族學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116605)

分析了運(yùn)用傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行少數(shù)民族舞蹈藝術(shù)保護(hù)存在的問題，總結(jié)了國內(nèi)外相關(guān)的研究工作;給出了一個(gè)利用運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)進(jìn)行少數(shù)民族舞蹈藝術(shù)保護(hù)的研究方案，包括從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理到數(shù)據(jù)壓縮索引組織的整個(gè)過程。

運(yùn)動(dòng)捕獲;民族舞蹈;數(shù)據(jù)處理

少數(shù)民族舞蹈是在不同的地理環(huán)境、社會(huì)生活、風(fēng)俗習(xí)慣和各自的經(jīng)濟(jì)文化條件下，經(jīng)過長期的歷史發(fā)展過程而形成的，是少數(shù)民族非物質(zhì)文化遺產(chǎn)中的一顆璀璨的明珠。但是，隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加快與外來舞蹈文化的涌入，很多少數(shù)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(shù)民族舞蹈文化保護(hù)的形勢(shì)已經(jīng)非常嚴(yán)峻，對(duì)少數(shù)民族舞蹈文化的搶救、保護(hù)、傳承已經(jīng)迫在眉睫、刻不容緩。

1 傳統(tǒng)技術(shù)存在的問題

少數(shù)民族文化保護(hù)與發(fā)展工程被列為國家“十一五”期間重點(diǎn)建設(shè)工程。各級(jí)政府對(duì)少數(shù)民族舞蹈的保護(hù)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(cè)［1］，詳細(xì)記錄了各民族的舞蹈藝術(shù)精華。同時(shí)，各級(jí)地方政府和文化管理部門，也采取一系列有效的保護(hù)方式，運(yùn)用文字記錄、攝影、攝像等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段，詳盡地記錄保存少數(shù)民族原生態(tài)的舞蹈藝術(shù)。文字、圖表、錄像雖是舞蹈藝術(shù)保存的一個(gè)重要舉措，但是，用這種方式保存的舞蹈藝術(shù)文字和影像資料有以下兩個(gè)突出的缺點(diǎn):

(1)不能實(shí)現(xiàn)以多視角、可交互、立體動(dòng)態(tài)的舞蹈藝術(shù)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(shù)據(jù)的可重用性與可編輯性差。保存的數(shù)據(jù)不能運(yùn)用到動(dòng)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(yīng)用到動(dòng)畫創(chuàng)作中。這樣對(duì)少數(shù)民族舞蹈文化的傳承和弘揚(yáng)有很大的限制。在動(dòng)漫、影視等數(shù)字出版產(chǎn)業(yè)中，各國無不在利用其虛擬的角色傳導(dǎo)與弘揚(yáng)其本民族的文化，比如美國Disney的米老鼠、唐老鴨，日本的藍(lán)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(duì)少數(shù)民族舞蹈藝術(shù)進(jìn)行保護(hù)的最好方式是將少數(shù)民族舞蹈藝術(shù)運(yùn)用和融入到動(dòng)漫、影視等數(shù)字出版產(chǎn)業(yè)中去。

2 國內(nèi)外相關(guān)研究及存在的問題

運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)于20世紀(jì)70年代開始應(yīng)用于Disney的動(dòng)畫制作。20世紀(jì)80年代，美國Carnegie Mellon University的圖形研究所、華盛頓大學(xué)的Animation Research Labs實(shí)驗(yàn)室展開了對(duì)運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)的研究。隨后，很多廠商，如Vicon、Polhemus、Sega Interactive等開始推出自己的運(yùn)動(dòng)捕獲設(shè)備，使得這項(xiàng)技術(shù)逐漸走向?qū)嵱没?。同時(shí)，相關(guān)的科研機(jī)構(gòu)也在探索這種新技術(shù)的可能應(yīng)用。比如，伊利諾伊大學(xué)開展的“Hummingbird”項(xiàng)目曾嘗試將演員的舞蹈運(yùn)動(dòng)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到另外一地，并實(shí)時(shí)播放。日本也有將運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)與舞蹈藝術(shù)保護(hù)相結(jié)合的研究工作。國內(nèi)的運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)的研究與應(yīng)用起步較晚，浙江大學(xué)的CAD＆CG國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院計(jì)算研究所、北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等先后開展了對(duì)運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)進(jìn)行的研究，這些研究多集中于運(yùn)動(dòng)合成、風(fēng)格化處理等。

要建立少數(shù)民族舞蹈運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫，需要采集、處理和存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，因此，高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與檢索等數(shù)據(jù)處理算法成為關(guān)鍵。國內(nèi)外的學(xué)者在這個(gè)領(lǐng)域展開了很多的研究［2－11］。Arican［2］采用對(duì)每個(gè)小片段的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)用Bezier曲線來近似，然后執(zhí)行Clustered PCA(Principal component analysis)以降維，而對(duì)與環(huán)境接觸的部分，則單獨(dú)采用DCT(Discrete Cosine Transformation)的方法進(jìn)行處理。而Liu等［3］則將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分割成簡單的片段，然后對(duì)每個(gè)分段分別計(jì)算PCA以進(jìn)行數(shù)據(jù)降維，對(duì)降維后的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步運(yùn)用自適應(yīng)的基于樣條曲線的關(guān)鍵幀提取方法進(jìn)行處理。Chattopadhyay等［4］根據(jù)運(yùn)動(dòng)矩陣的浮點(diǎn)數(shù)分布情況構(gòu)建索引，使得每個(gè)浮點(diǎn)數(shù)都可用一個(gè)索引來表示，從而有效地壓縮了數(shù)據(jù)。Beaudoin等［5］將自適應(yīng)小波方法運(yùn)用到運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)壓縮算法中，對(duì)與環(huán)境接觸的部分，采用了優(yōu)化的小波壓縮方法進(jìn)行處理，并用逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法進(jìn)行矯正。Gu等［6］根據(jù)三維骨節(jié)組織成的層次結(jié)構(gòu)，對(duì)層次結(jié)構(gòu)的每個(gè)部分，確定其運(yùn)動(dòng)的模式并構(gòu)建相應(yīng)的模式庫，然后，整個(gè)的運(yùn)動(dòng)可以由這個(gè)模式庫的索引來編號(hào)。這樣，可以利用這個(gè)模式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的壓縮和檢索。Tournier等［8］運(yùn)用 PGA(Principal Geodesics Analysis)去近似運(yùn)動(dòng)的姿勢(shì)，利用逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)PGA的參數(shù)進(jìn)行匹配和優(yōu)化，最后只需要保留末端效應(yīng)器及根節(jié)點(diǎn)軌跡的相關(guān)參數(shù)，就能有效的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行還原。國內(nèi)也有很多學(xué)者提出了一些有影響力的運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)處理算法［9－11］。

以上研究雖然得到很多運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)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(huì)帶來視覺的偽跡(artifact)。在影視制作中，制作人員對(duì)小的偽跡采用手工調(diào)節(jié)的方法予以解決，而對(duì)于得到的大規(guī)模的舞蹈運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫，這種手工的方法變得不現(xiàn)實(shí)，必須設(shè)計(jì)無損的壓縮處理方法。對(duì)于運(yùn)動(dòng)檢索處理方法來說，當(dāng)前的方法都是針對(duì)一般運(yùn)動(dòng)的方法，存在檢索結(jié)果準(zhǔn)確率不高、響應(yīng)時(shí)間長等缺點(diǎn)。而我國的少數(shù)民族舞蹈有其特定的動(dòng)作集合，這些動(dòng)作具有鮮明的民族特色，要想達(dá)到高效快速的檢索，必須針對(duì)各民族的舞蹈運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，考慮少數(shù)民族舞蹈運(yùn)動(dòng)上下文，設(shè)計(jì)專用的運(yùn)動(dòng)檢索算法。

3 研究方案設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)

運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)(Motion Capture)是記錄人體運(yùn)動(dòng)信息以供分析、回放和重用的技術(shù)。捕捉的數(shù)據(jù)既可簡單到記錄身體關(guān)鍵部位的三維空間位置，也可復(fù)雜到記錄面部表情的細(xì)致運(yùn)動(dòng)?；谶\(yùn)動(dòng)捕獲的數(shù)據(jù)生成方法是首先捕獲真人的運(yùn)動(dòng)如圖1(a)，然后將捕獲的運(yùn)動(dòng)映射到計(jì)算機(jī)生成的虛擬角色上的過程如圖1(b)。當(dāng)前運(yùn)動(dòng)捕捉的設(shè)備主要分為機(jī)械式、聲學(xué)式、光學(xué)式等幾種，其中應(yīng)用最廣的是光學(xué)設(shè)備。大連民族學(xué)院運(yùn)動(dòng)捕獲車間的東銳三維運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)就是一個(gè)典型的光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕獲設(shè)備。在一個(gè)光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)中，一般使用6個(gè)以上的相機(jī)環(huán)繞排列在拍攝場地。拍攝場地中央的表演模特會(huì)被要求穿上單色的特制服裝，并在身體的關(guān)鍵部位，如關(guān)節(jié)、腕、肘、頭部等位置貼上 Marker(特制的標(biāo)志或發(fā)光點(diǎn))。之后，相機(jī)將同時(shí)連續(xù)高速拍攝模特的動(dòng)作，并將捕捉到的Marker的圖像數(shù)據(jù)保存，然后進(jìn)行分析和處理。通過識(shí)別和區(qū)分這些Marker，由計(jì)算機(jī)計(jì)算出貼在表演模特身上的Marker在三維空間的位置，進(jìn)而得到其運(yùn)動(dòng)軌跡。圖1(a)為對(duì)身帶Marker的演員進(jìn)行運(yùn)動(dòng)采集，記錄采集得到的三維運(yùn)動(dòng)軌跡，這些運(yùn)動(dòng)軌跡可以重定向到圖1(b)的一個(gè)三維虛擬角色上。

圖1 運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)的采集及重新利用

由于當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)可以記錄下人體的舞蹈運(yùn)動(dòng)的三維軌跡，從而可以實(shí)現(xiàn)多視角、可交互、立體動(dòng)態(tài)的舞蹈藝術(shù)的保存和展示。更重要的是，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集后，這些運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)可以“重現(xiàn)”到一個(gè)虛擬人物身上，使得保存的舞蹈運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)可以運(yùn)用到動(dòng)畫、影視、游戲等數(shù)字出版作品中。因而，與傳統(tǒng)的文字、攝像、攝影等“死”的保護(hù)方式不同，用運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)保留的少數(shù)民族舞蹈藝術(shù)是“活”的藝術(shù)，能真正做到少數(shù)民族舞蹈文化的保護(hù)、傳承、弘揚(yáng)。

3.2 研究方案及說明

運(yùn)用運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)進(jìn)行少數(shù)民族舞蹈藝術(shù)保護(hù)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(shù)民族舞蹈，采用光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)對(duì)舞蹈舞姿進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這樣就得到了演員在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡。

(2)采集得到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)有很多噪音，并且有錯(cuò)位和漏洞，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪和配準(zhǔn)。

(3)去噪和配準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)量往往比較龐大，對(duì)龐大的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的壓縮處理，以節(jié)省存儲(chǔ)空間。采用Bezier曲線、NURBURS曲線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)關(guān)鍵幀的提取;采用PCA、PGA、LLE(Locally linear embedding)等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理。這樣在行和列上均對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而高效地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，龐大的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行高效索引，以提高運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的檢索速度，采用基于特征空間的索引方法對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)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(chǔ)空間很小。通過以上兩步，可以生成一個(gè)對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的系統(tǒng)，使得用戶可以交互式地從壓縮后的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)集中提出需要的運(yùn)動(dòng)片段。

(4)把運(yùn)動(dòng)捕獲設(shè)備捕獲的數(shù)據(jù)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(shù)民族舞蹈藝術(shù)。

4 結(jié)語

運(yùn)用運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)建立少數(shù)民族舞蹈運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫既能有效地保存少數(shù)民族舞蹈藝術(shù)，又能將這些舞蹈運(yùn)動(dòng)重用到影視、動(dòng)漫、游戲等數(shù)字出版物中。從而為民族舞蹈的保護(hù)、創(chuàng)編和開發(fā)利用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與新的手段。這無論對(duì)于繁榮中國的少數(shù)民族文化事業(yè)、促進(jìn)少數(shù)民族地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還是對(duì)于維護(hù)民族團(tuán)結(jié)、促進(jìn)各民族的平等與和諧共處都具有重要的意義。

利用運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)進(jìn)行少數(shù)民族舞蹈藝術(shù)保護(hù)還有很多技術(shù)需要探索和研究，同時(shí)，需要投入大量的資金、人力、物力進(jìn)行運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集和處理。剛剛閉幕的黨的十七屆六中全會(huì)提出要大力發(fā)展文化產(chǎn)業(yè)，并促使其成為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，胡錦濤總書記也做了關(guān)于文化建設(shè)和文化體制改革的重要講話。相信不久的未來，會(huì)有越來越多資金和研究人員投入到對(duì)少數(shù)民族舞蹈這種文化瑰寶進(jìn)行保護(hù)的工作中。

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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?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(DC10040113)。

王鵬杰(1978－)，男，河南周口人，講師，主要從事計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究。

(責(zé)任編輯 劉敏)