基于动作捕捉技术的数字化舞蹈教学方法研究

王露晨等

摘要：本文针对舞蹈学习的复杂性，提出基于动作捕捉技术的舞蹈教学方法，利用动作捕捉技术将一整段复杂的舞蹈动作分解成很多小段，建立舞蹈教学姿态数据库，制成教学动画，指导学生根据小段舞蹈动作进行学习模仿，从而重构出整套舞蹈动作，实现教学。

关键词：舞蹈教学；动作捕捉技术；姿态数据库；教学动画；三维立体教学

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2016）06-0071-04

引言

计算机辅助教学的深入应用，不仅丰富了教学内容，而且弥补了传统教学方法存在的多种弊端。动作捕捉技术与舞蹈教学的有效结合，就是计算机辅助教学的一种表现形式，实现了三维虚拟世界与现实技术的完美结合。[1]近年来研究人员在动作捕捉的应用方面进行了广泛研究。有的将动作捕捉技术与中国木偶戏相结合[2]，提出了一套木偶戏数字化的技术方案；有的使用动作捕捉系统对高尔夫球员挥杆时的臀部和躯干运动进行研究[3]，计算出躯干、髋部的运动与挥杆之间的关系，为高尔夫运动的科学训练提供了理论上的支持；有的利用动作捕捉技术开发了一个虚拟的篮球训练系统[4]，用户可以通过该系统自己训练罚球课程；有的提出了基于动作捕捉技术的动画制作方法和流程[5]，对动画制作过程中的动画合成和消除滑步等技术进行了阐述。由此可见动作捕捉技术应用之广泛。

作为一种艺术表演形式，舞蹈是一种伴随着韵律的肢体运动，越来越多的人开始投身于舞蹈学习中。但舞蹈的学习并非易事，如学习者的个体差异性、对韵律的掌握度、教练与学员的心理等因素都会对学习进度产生影响。为改善这种情况，笔者提出利用动作捕捉技术来辅助舞蹈的教学研究，将捕捉到的舞蹈表演者的三维运动数据转化为数字化的抽象运动，建立三维人体运动的数据库，生成教学动画，对改变传统舞蹈教学的弊端，提高教育教学质量有着重要的意义。

三维动作捕捉技术

1.动作捕捉系统

动作捕捉（Motion Capture）是实时地准确测量、记录物体在真实三维空间中的运动轨迹或姿态，并在虚拟三维空间中重建运动物体每一时刻运动状态的高新技术。技术涉及尺寸测量、物理空间里的物体的定位及方位测定等可以由计算机直接处理数据[6]，在运动物体关键部位设置追踪器，用动作捕捉系统记录物体移动的过程，再经过计算机处理后得到三维空间坐标数据。动作捕捉系统按原理可分为机械式、声学式、电磁式、光学式。[7]其中，光学式动作捕捉系统给予表演者充分的空间尽情表演，不受空间及机械设备的限制，并且能通过高精度摄像机捕捉到高速运动的动作或物体。笔者利用光学式动作捕捉系统来获取运动三维数据，光学式动作捕捉系统通过高精度的摄像机拍摄指定范围内的人体的运动，为了便于捕捉以及对三维数据进行有效处理，要求表演者身穿单色服装，并在人体的关键运动部位贴上高反射Marker标记点（如图1），将捕捉到的三维数据转换到计算机上，当计算机识别三维数据后，可用于建立模型、骨架数据库，全面实现高精度实时三维运动数据捕捉[8]，动作捕捉数据生成的主要流程如图2所示。

2.动作捕捉技术的应用

动作捕捉系统被应用到各个领域，利用动作捕捉技术实现了对我国非物质文化遗产的保护，有利于非物质文化遗产的永久保存[9]；利用动作捕捉技术制作影视动画，使我们的视觉体验也变得更加直观，如影片《阿凡达》《猩球崛起》以及近期上映的《寻龙诀》中充分利用动作捕捉技术，高精度摄像机快速实时地捕捉人体的运动，并通过计算机将运动与模型绑定；医疗康复诊断领域利用动作捕捉系统对人体运动进行分析，有助于医学工作者对病症进行正确的诊断及采取有效的治疗；在体育训练领域，利用动作捕捉技术对运动员动作进行追踪、检测与分析，可以提高运动水平，减少和避免运动中的意外损伤等。[10]

基于动作捕捉技术的数字化舞蹈教学方法研究

1.动作捕捉技术应用的必要性

传统的舞蹈教学形式普遍为教师口述动作要领以及亲身示范舞蹈动作演示给学生看，要学生当堂领会动作的要领。但传统的运动教学，因受各类因素的影响，常常使教师不得不反复演示讲解，而教师的口传身教教学形式又很单一；学生也只注重动作练习，缺乏主动思考的能力，这都影响了教学效率。

动作捕捉技术辅助教学将弥补传统教学形式的不足，学生可根据自身情况，针对性地学习动作技术，通过三维数据的反馈，在与标准动作的不断对照中学习，大大提高了学习效率。

2.基于动作捕捉技术的数字化舞蹈教学方法

首先，应设定表演者的舞蹈动作及其运动范围。其次，对表演者的舞蹈动作进行三维数据的捕捉并建立三维舞蹈教学模型数据库。最后，将舞蹈动作数据库制成三维动画应用到教学实践中，教学设计的流程如图3所示。

（1）建立教学模型数据库

运用动作捕捉技术能够对演员的舞蹈动作进行分段的实时追踪、检测、记录，将获取的舞蹈三维数据用于构建舞蹈教学数据库，对舞蹈的教学演示提供了有利的帮助，同时避免了因学生的个体差异性导致的教学延误等问题。

运用动作捕捉技术获取的三维数据最终需要以具体的模型呈现在计算机上，生成动画用于教学时播放演示，学生通过动作捕捉系统将学习的舞蹈动作与教师的标准动作进行分段比较，能够快速查找出不足之处，便于局部矫正。笔者以基本舞蹈动作为基础，建立了具有教学意义的逼真的人物运动模型，所采用的是MotionBuilder建模软件。首先，在数据编辑器中将运动数据与Marker标识点匹配，运动数据驱动骨架模型的运动。其次，导入MotionBuilder，使骨架模型与已有的人体模型Actor进行匹配，使Actor与舞蹈演员的动作保持一致，以此完成角色模型的建立（如下页图4），通过对教师与学生的舞蹈动作进行捕捉，可以实现实时检测舞蹈动作的准确性与规范性。

（2）动作捕捉技术辅助舞蹈教学启示

首先，通过动作捕捉技术将教师的标准舞蹈动作制成三维教学动画，课前学生自行学习教学动画中的舞蹈动作，观看动画的同时在头脑中勾画出姿态动作，不懂或不明确的动作，可以从多角度的分段进行反复演示。其次，学生进行实际演示，用高精度三维摄像机捕捉自身的动作，并将其与教师的标准动作进行对比。最后，教师可通过三维数据的对比给予学生针对性的指导，帮助学生掌握标准的舞蹈动作要领。这样的教学给了我们以下的启示：

①从技术应用上看，动作捕捉技术建立教学模型数据库，并生成教学动画视频，使多媒体辅助舞蹈教学更加具有直观性、形象性、生动性等特点，充分发挥了虚拟现实技术的作用，分析学生的学习情况，为学生的舞蹈动作学习提供学习导航与建议。学生实现了自主学习、探究性学习，教师可从旁辅助学生的学习，使学生的“学”与教师的“教”更符合数字化教学理念，在技术层面也更具可行性。

②从教学形式上看，教学方法的创新使教师充分意识到动作捕捉技术的教学优势，进而摆脱了传统教学方法的束缚，创造了室内训练教学，可针对不同的舞蹈形式，利用动作捕捉技术通过细节的演示和实时的效果反馈，快速有效地帮助学生观察自身动作的完成情况，弥补动作的不规范之处。

③基于动作捕捉技术的数字化舞蹈教学形式是计算机科学、教育技术学和教育心理学等学科的交叉，通过吸取、借鉴其他领域的新理论、新技术和新方法，化解传统教学模式的弊端，从而大幅度提高教学质量，改善教学效率，使动作捕捉技术在计算机辅助教学领域有创造性的进步与发展。

结束语

本文提出了利用动作捕捉技术辅助舞蹈的数字化教学方法，充分实现了现实与虚拟场景的实时交互，便于教师对学生舞蹈学习的量化分析，针对局部舞蹈动作的不规范性进行实时的纠正与改进，使舞蹈教学模式从纯理论的“口传身教”变成生动、直观的三维动画教学模式，进入数字化教学模式，从而真正使动作捕捉技术越来越广泛地应用到教学当中。

参考文献：

[1]向泽锐，支锦亦，徐伯初，李娟.运动捕捉技术及其应用研究综述[J]，计算机应用研究，2013，8（30）：2241-2245.

[2]吴志峰.基于运动捕捉技术的传统木偶戏数字化研究[J].艺苑，2009（9）：51-53.

[3]Myers J， Lephart S， Tsai Y S.The role of upper torso and pelvis rotation in driving performance during the golf swing[J].Journal of Sports Sciences，2008，26（2）：181-188.

[4]Covaci A， Postelnicu C C， PanfirR A N， et al.A virtual reality simulator for basketball free-throw skills development[C].Proc of DoCEIS，2012：105-112.

[5]黄波士，陈福民.动作捕捉及其在动画制作中的应用[J].计算机工程，2005，31（13）：168-170.

[6]Wei Xiaopeng， Liu Rui， Zhang Qiang.Review of the techniques for motion capture data processing[J].Computer Aided Drafting， Design and Manufacturing，2012，22（1）：1-11.

[7]Xin Jun，Lin Ch C W， Sun Mingting.Digital video transcoding[J].Proceedings of the IEEE，2005，93（1）：84-97.

[8]Marius-Calin SILAGHI SILAGHI， Ralf PL?NKERS， Ronan BOULIC， et al.Local and global skeleton fitting techniques for optical motion capture[J].LNCS Springer Verlag Heidelberg，1998，26（11）：26-40.

[9]吴晓雨，张宜春，沈萦华，严先机.基于动作捕捉技术的民族舞蹈三维数字化方法研究[J].计算机与现代化，2013（01）：112-115.

[10]马新娟.基于视频处理的下肢运动分析及实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.