运用运动捕获技术的少数民族舞蹈艺术保护

王鹏杰，李 威，宋海玉，王 波，张恒博，刘勇奎

(大连民族学院计算机科学与工程学院，辽宁大连 116605)

运用运动捕获技术的少数民族舞蹈艺术保护

王鹏杰，李 威，宋海玉，王 波，张恒博，刘勇奎

(大连民族学院计算机科学与工程学院，辽宁大连 116605)

分析了运用传统技术进行少数民族舞蹈艺术保护存在的问题，总结了国内外相关的研究工作;给出了一个利用运动捕获技术进行少数民族舞蹈艺术保护的研究方案，包括从数据采集、数据处理到数据压缩索引组织的整个过程。

运动捕获;民族舞蹈;数据处理

少数民族舞蹈是在不同的地理环境、社会生活、风俗习惯和各自的经济文化条件下，经过长期的历史发展过程而形成的，是少数民族非物质文化遗产中的一颗璀璨的明珠。但是，随着现代化进程的加快与外来舞蹈文化的涌入，很多少数民族舞蹈面临失传的局面，如回族的脚踏舞、壮族的禾楼舞等。少数民族舞蹈文化保护的形势已经非常严峻，对少数民族舞蹈文化的抢救、保护、传承已经迫在眉睫、刻不容缓。

1 传统技术存在的问题

少数民族文化保护与发展工程被列为国家“十一五”期间重点建设工程。各级政府对少数民族舞蹈的保护与传承都给予高度的重视。由文化部、国家民委牵头组织编写的《中国民族民间舞蹈集成》共10册［1］，详细记录了各民族的舞蹈艺术精华。同时，各级地方政府和文化管理部门，也采取一系列有效的保护方式，运用文字记录、摄影、摄像等现代科学技术手段，详尽地记录保存少数民族原生态的舞蹈艺术。文字、图表、录像虽是舞蹈艺术保存的一个重要举措，但是，用这种方式保存的舞蹈艺术文字和影像资料有以下两个突出的缺点:

(1)不能实现以多视角、可交互、立体动态的舞蹈艺术的展示。比如拍摄的视频只能在拍摄的角度观看，不能和视频中的角色交互。

(2)数据的可重用性与可编辑性差。保存的数据不能运用到动画、影视、游戏等文化娱乐作品中。比如，拍摄的图片或视频只能供观看，而不能应用到动画创作中。这样对少数民族舞蹈文化的传承和弘扬有很大的限制。在动漫、影视等数字出版产业中，各国无不在利用其虚拟的角色传导与弘扬其本民族的文化，比如美国Disney的米老鼠、唐老鸭，日本的蓝精灵、铁臂阿童木等虚拟角色，无不寄寓和浸染着鲜明的民族文化。所以，对少数民族舞蹈艺术进行保护的最好方式是将少数民族舞蹈艺术运用和融入到动漫、影视等数字出版产业中去。

2 国内外相关研究及存在的问题

运动捕捉技术于20世纪70年代开始应用于Disney的动画制作。20世纪80年代，美国Carnegie Mellon University的图形研究所、华盛顿大学的Animation Research Labs实验室展开了对运动捕获技术的研究。随后，很多厂商，如Vicon、Polhemus、Sega Interactive等开始推出自己的运动捕获设备，使得这项技术逐渐走向实用化。同时，相关的科研机构也在探索这种新技术的可能应用。比如，伊利诺伊大学开展的“Hummingbird”项目曾尝试将演员的舞蹈运动通过网络传递到另外一地，并实时播放。日本也有将运动捕捉技术与舞蹈艺术保护相结合的研究工作。国内的运动捕获技术的研究与应用起步较晚，浙江大学的CAD＆CG国家重点实验室、中科院计算研究所、北京航空航天大学虚拟现实国家重点实验室等先后开展了对运动捕获技术进行的研究，这些研究多集中于运动合成、风格化处理等。

要建立少数民族舞蹈运动数据库，需要采集、处理和存储大量的数据，因此，高效的数据存储与检索等数据处理算法成为关键。国内外的学者在这个领域展开了很多的研究［2－11］。Arican［2］采用对每个小片段的运动数据用Bezier曲线来近似，然后执行Clustered PCA(Principal component analysis)以降维，而对与环境接触的部分，则单独采用DCT(Discrete Cosine Transformation)的方法进行处理。而Liu等［3］则将运动数据分割成简单的片段，然后对每个分段分别计算PCA以进行数据降维，对降维后的数据，进一步运用自适应的基于样条曲线的关键帧提取方法进行处理。Chattopadhyay等［4］根据运动矩阵的浮点数分布情况构建索引，使得每个浮点数都可用一个索引来表示，从而有效地压缩了数据。Beaudoin等［5］将自适应小波方法运用到运动数据压缩算法中，对与环境接触的部分，采用了优化的小波压缩方法进行处理，并用逆向运动学的方法进行矫正。Gu等［6］根据三维骨节组织成的层次结构，对层次结构的每个部分，确定其运动的模式并构建相应的模式库，然后，整个的运动可以由这个模式库的索引来编号。这样，可以利用这个模式进行运动的压缩和检索。Tournier等［8］运用 PGA(Principal Geodesics Analysis)去近似运动的姿势，利用逆向运动学对PGA的参数进行匹配和优化，最后只需要保留末端效应器及根节点轨迹的相关参数，就能有效的对数据进行还原。国内也有很多学者提出了一些有影响力的运动捕获数据处理算法［9－11］。

以上研究虽然得到很多运动捕获数据的压缩与检索算法，但是，这些压缩处理方法都是有损的方法，有损的方法会带来视觉的伪迹(artifact)。在影视制作中，制作人员对小的伪迹采用手工调节的方法予以解决，而对于得到的大规模的舞蹈运动数据库，这种手工的方法变得不现实，必须设计无损的压缩处理方法。对于运动检索处理方法来说，当前的方法都是针对一般运动的方法，存在检索结果准确率不高、响应时间长等缺点。而我国的少数民族舞蹈有其特定的动作集合，这些动作具有鲜明的民族特色，要想达到高效快速的检索，必须针对各民族的舞蹈运动特点，考虑少数民族舞蹈运动上下文，设计专用的运动检索算法。

3 研究方案设计

3.1 运动捕获技术

运动捕捉技术(Motion Capture)是记录人体运动信息以供分析、回放和重用的技术。捕捉的数据既可简单到记录身体关键部位的三维空间位置，也可复杂到记录面部表情的细致运动。基于运动捕获的数据生成方法是首先捕获真人的运动如图1(a)，然后将捕获的运动映射到计算机生成的虚拟角色上的过程如图1(b)。当前运动捕捉的设备主要分为机械式、声学式、光学式等几种，其中应用最广的是光学设备。大连民族学院运动捕获车间的东锐三维运动捕获系统就是一个典型的光学运动捕获设备。在一个光学式运动捕捉系统中，一般使用6个以上的相机环绕排列在拍摄场地。拍摄场地中央的表演模特会被要求穿上单色的特制服装，并在身体的关键部位，如关节、腕、肘、头部等位置贴上 Marker(特制的标志或发光点)。之后，相机将同时连续高速拍摄模特的动作，并将捕捉到的Marker的图像数据保存，然后进行分析和处理。通过识别和区分这些Marker，由计算机计算出贴在表演模特身上的Marker在三维空间的位置，进而得到其运动轨迹。图1(a)为对身带Marker的演员进行运动采集，记录采集得到的三维运动轨迹，这些运动轨迹可以重定向到图1(b)的一个三维虚拟角色上。

图1 运动捕获数据的采集及重新利用

由于当前的运动捕获技术可以记录下人体的舞蹈运动的三维轨迹，从而可以实现多视角、可交互、立体动态的舞蹈艺术的保存和展示。更重要的是，经过运动数据采集后，这些运动数据可以“重现”到一个虚拟人物身上，使得保存的舞蹈运动数据可以运用到动画、影视、游戏等数字出版作品中。因而，与传统的文字、摄像、摄影等“死”的保护方式不同，用运动捕获技术保留的少数民族舞蹈艺术是“活”的艺术，能真正做到少数民族舞蹈文化的保护、传承、弘扬。

3.2 研究方案及说明

运用运动捕获技术进行少数民族舞蹈艺术保护的总体研究方案如图2。

图2 研究方案总体流程

具体说明如下:

(1)选择具有代表性的少数民族舞蹈，采用光学式运动捕捉系统对舞蹈舞姿进行数据采集，这样就得到了演员在三维空间中的运动轨迹。

(2)采集得到的运动数据有很多噪音，并且有错位和漏洞，需要对数据进行去噪和配准。

(3)去噪和配准后的数据量往往比较庞大，对庞大的数据需要进行数据的压缩处理，以节省存储空间。采用Bezier曲线、NURBURS曲线进行运动数据关键帧的提取;采用PCA、PGA、LLE(Locally linear embedding)等方法对数据进行降维处理。这样在行和列上均对数据进行处理，从而高效地存储数据。同时，庞大的运动数据需要进行高效索引，以提高运动数据的检索速度，采用基于特征空间的索引方法对运动数据进行高效索引。这种索引方式能有效地提高检索的速度，并且索引占用的存储空间很小。通过以上两步，可以生成一个对运动数据进行管理的系统，使得用户可以交互式地从压缩后的运动数据集中提出需要的运动片段。

(4)把运动捕获设备捕获的数据重新定向到具有不同大小和比例的虚拟人模型上，从而可以充分利用少数民族舞蹈艺术。

4 结语

运用运动捕获技术建立少数民族舞蹈运动数据库既能有效地保存少数民族舞蹈艺术，又能将这些舞蹈运动重用到影视、动漫、游戏等数字出版物中。从而为民族舞蹈的保护、创编和开发利用提供数据基础与新的手段。这无论对于繁荣中国的少数民族文化事业、促进少数民族地区经济发展，还是对于维护民族团结、促进各民族的平等与和谐共处都具有重要的意义。

利用运动捕获技术进行少数民族舞蹈艺术保护还有很多技术需要探索和研究，同时，需要投入大量的资金、人力、物力进行运动数据的采集和处理。刚刚闭幕的党的十七届六中全会提出要大力发展文化产业，并促使其成为国民经济的支柱产业，胡锦涛总书记也做了关于文化建设和文化体制改革的重要讲话。相信不久的未来，会有越来越多资金和研究人员投入到对少数民族舞蹈这种文化瑰宝进行保护的工作中。

［1］中国民族民间舞蹈集成编辑部.中国民族民间舞蹈集成［M］.北京:中国舞蹈出版社，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］杨涛，肖俊，吴飞，等.基于分层曲线简化的运动捕获数据关键帧提取［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2006，18(11):1691 －1697.

［10］沈军行，孙守迁，潘云鹤。从运动捕获数据中提取关键帧［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2004，16(5):719－723.

［11］朱登明，王兆其.基于运动序列分割的运动捕获数据关键帧提取［J］.计算机辅助设计与图形学学报，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

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DC10040113)。

王鹏杰(1978－)，男，河南周口人，讲师，主要从事计算机图形学研究。

(责任编辑 刘敏)