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1、 专 业 学 位 硕 士 学 位 论 文 数字媒体技术在体育舞蹈教学中的应用研究 Application Research of Digital Media Technology in Sports Dance Teaching 作 者 姓 名 ： 查 艳 工 程 领 域 ： 软件工程 学 号： 41217132 指 导 教 师 ： 陈 志 奎 完 成 日 期 ： 2 0 1 4 年 4 月 太 sl 理 工 太 # Dalian University of Technology 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。
2、尽我所知， 除文中已经注明引用内容和致谢的地方 外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他 已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所 做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学 位 论文 题 目 ： 数 字 媒休 技 术在 休 育舞 蹈 教学 中 的 应 用 研 究 作 者 签 名 ： ， 為 命 i 日 期 ： 年 上 月 / 日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘 要 随着多媒体技术中的虚拟现实 (Virtual Reality ,VR)技术的飞速发展，体育舞蹈仿真 教 学系统越来越受到体
3、育教学科研工作者和计算机技术研宂人员的重视。虚拟现实技术 能够为 教学工作者和舞者提供先进、科学的训练手段，扩大教学的应用范围，同时体育 舞蹈仿真也 能够反过来促进计算机技术的发展。 本文主要应用虚拟现实仿真技术对体育舞蹈的排练进行了初步研宄，实现了一个体 育舞 蹈排练与演练虚拟仿真系统，该系统能够为体育舞蹈创编人员对队形的安排、动作 的力学合 理性、声舞的协调提供技术参数，可以作为体育舞蹈创编人员的有力辅助工具。 本文主要研 究内容包括：首先对基于 VR 的体育仿真系统研宄现状做了回顾和总结，为 了对体育舞蹈编 演进行计算机仿真，本文分三大块对舞蹈过程中无法回避的虚拟人动画 技术、舞者动作编
4、辑 和声舞的和谐性展开探讨。最后将这三块工作融合到最终的体育舞 蹈编排系统当中。 在虚拟人动画技 术方面，传统方式为教师对动作进行逐帧人工标示，工作量很大、 运动 捕获成本高、人工识别精度不足。本文采用线性插值和四元数球面插值相结合的方 法对捕获 到的运动信息进行插值，解决了单独某种插值算法带来的动画帧间跳跃的问 题，让最终合成 的人体动画自然、流畅、逼真。初始的动画还有很多问题，为了让计算 机对动作做出的修改 回归到动作主体上，本文对每个刚体动作片段都做了细致精确地数 据分析，采用基于关键帧 样条插值算法解决位置偏移问题，四元数插值算法解决动作主 体或动作肢体旋转问题，让计 算机动作辅助编排
5、系统做出的 动作修改完全回归到虚拟人 动画中。实验仿真表明使用本文系 统的教练和学员都可以实时全角观察自己的动作，教 练设计的修改动作在动画中也可以完美 显示。实现了从基于经验的训练分析方法到基于 人体运动模拟与仿真的人体运动分析方法的 转变。 在舞者动作编辑方面，本文首先给出了一个要求：待编排的两个动作片段须首末姿 势形 似，这在实际操作中是很容易做到的。先利用运动捕捉技术获取现实生活中的人体 运动参数， 再运用偏移映射、动作仿射变换和运动镜像等方法将用户选定的动作片段编 排称为一个新的 动作序列。实验证明该算法效果 良好。 在声舞的协调方面，本文首先从动作序列与音频乐段的相互关系入手，解析
6、了乐曲、 乐 段的情感分类，在此基础上构建了基于情感类型的动作片段库。在完成对视频、音频 的感情 解析和关系分类后，提出了如何实现在计算机中将两者同步展示的技术，提出了 音频、视频 同步模型的可行的实现方法。 关键词：虚拟环境；体育舞蹈；虚拟人群仿真；碰撞检测；路径规划；实时绘制 数字媒 体 技术在体育 舞 蹈教学中的 应 用研 宂 Application Research of Digital Media Technology in Sports Dance Teaching Abstract With the rapid development of Virtual Reality (VR
7、) technology, simulation teaching system for sports dance obtains more and more attention by scholars working in sports teaching and research and development of computer technology. VR provides teachers and dancers with advanced scientific training methods and widens training scope. Meanwhile, sport
8、s dance simulation can stimulate the development of computer science. This thesis mainly studies how to apply VR to rehearse sports dance and constructs a simulation system for sports dance rehearsal. This system can provide technology parameters of sports dance, such as arrangement of parade format
9、ion, reasonableness of mechanics, and coordination of acoustic and dance. It is a powerful tool for practitioners. This thesis is arranged as follows. First, we review the current research of sports simulation system based on VR. Then we discuss the virtual human animation, motion edition, and coord
10、ination of acoustic and dance to simulate the design and rehearsal of sports dance. At last, we corporate these three aspects into sports dance designing system. In the respect of human animation production, the frames are labeled manually in conventional algorithm, which has three weaknesses: high
11、workload, hard to capture motion, low precision. In this thesis, we combine linear interpolation with four-element spherical interpolation to interpolate the captured motion information. This resolves the problem of Animation frame skipping by using one individual interpolation and makes the animati
12、on natural and smooth. The original animation always has many problems. To let amelioration focus on action subject, we have done precise data analysis on every motion of rigid body, solved the problem of shift and rotation by using key-frame interpolation and four element spherical interpolation. T
13、he experiments shows that both coach and students can observe their real-time motions and designed motions also can be displayed perfectly. The proposed system turns the training method from experience-based to simulation-based. We request that two motion fragments must be similar on start and end p
14、ostures in editing dancers motions. This is operable in practice. The proposed method obtains human motion parameters in real life, then uses methods of hybrid displacement mapping, affine transformation, and motion image to produce a new motion series from motion fragments selected by user. It work
15、s well in experiment. In regard to the coordination of acoustic and dance? we first classify the musics by affection after analyzing the relation between motion and music and then construct a motion - i i - 大连理 工 大学专业学 位 硕士学位论 文 database based on affection style. At last, we investigate the technolo
16、gy of showing motion and music synchronously in computer and the feasible impletion method of the model synchronizing audio and video. Key Words: virtual environment; sports dance; group calisthenics; virtual crowds simulation; collision avoidance; real-time rendering i l l - 数字媒 体 技术在体育 舞 蹈教学中的 应 用
17、研 宄 目 录 m . I Abstract . II 弓 I 言 . 1 1 体育系统仿真概述 . 4 1.1 体育仿真系统及其功能要求 . 5 1.1.1 基于 VR 的体育训练仿真系统 . 6 1.1.2 系统功能要求 . 6 1.2 系统关键技术 . 7 1.2.1 虚拟人动画技术 . 7 1.2.2 编辑技术动作 . 8 1.2.3 声舞的协调 . 8 1.3 系统研究开发现状 . 8 2 体育舞蹈动作编排辅助系统架构 . 11 2.1 肢体技术动作合成技术现状 . 11 2.2 体育舞蹈动作编排辅助系统 . 11 2.3 关键模块设计 . 13 2.3.1 音乐分段与特征识别 .
18、13 2.3.2 运动数据库设计 . 16 2.3.3 运动检索 . 17 2.3.4 运动合成 . 18 2.3.5 运动编辑 . 18 2.3.6 碰撞检测 . 19 2.3.7 带器械的运动合成 . 20 3 虚拟人动画技术 . 22 3.1 人体结构分析 . 22 3.2 虚拟人动画模型 . 23 3.2.1 运动学人体运动模型 . 23 3.2.2 动力学人体运动模型 . 25 3.3 虚拟人运动控制 . 25 3.3.1 基于关键帻技术 . 26 3.3.2 基于插补算法 . 26 - I V - 大连理 工 大学专业学 位 硕士学位论 文 3.3.3 四元数插值 . 26 3.4
19、 其它动画技术 . 28 3.5 本文采用的三维动画生成方法 . 29 4 翰賴 . 30 4.1 算法原理 . 30 4.2 公共帧的选取 . 31 4.3 相关动作编排 . 31 4.4 不相关性动作片断的编排算法 . 33 4.5 实验结果及分析 . 35 5 声 舞 协 调 . 38 5.1 音频乐段与动作序列的对应 . 39 5.2 基于流媒体的音频与视频的同步 . 40 5.2.1 同步多媒体系统 . 40 5.2.2 同步控制 . 41 5_2.3 媒体同步控制单元 . 41 5.2.4 音视频同步模型的具体实现 . 42 &. 44 参 考 文 献 . 46 致 m . 49
20、大连理工大学学位论文版权使用授权书 . 50 雄理工 大 学专业学位 硕 士学位论 文 (1) 数字媒体技术概述 数字媒体技术就是通过计算机把文本、图形、图像、声音、动画和视频等多种媒体 综合起来，对 它们进行采样量化、编辑修改、编码压缩、重建显示和存储传输等处理， 并使之建立起逻辑连接。计 算机以其无可比拟的便捷、精确、高效、存储方便和易于修 改等优点不断刷新各项纪录。近年来多媒 体技术的快速发展，软件的不断升级，让计算 机在设计表演领域的广泛应用获得了广阔前景，多媒体 技术不仅以崭新的形式给舞台视 觉表现带来了一场革命，人们的审美理念也隨之发生了很大的变化。 随着多媒体技术的 广泛应用，舞
21、美艺术正突破传统手工时代的局限性和封闭性，舞台被设计成一个时 空艺 术相结合的综合体，其中既有文学、音乐所具有的时间性、听觉性，也有绘画、建筑所 带来的空 间性、视觉性 13。舞美艺术的功能性不但要扩展了观众和编者的视觉范围， 还拓展人们的思维能力。 计算机技术在舞美创作及图形设计方面所起的重要作用，给体 育舞蹈从业者提供了新的思路，计算机 完全可以成为一种全新的 “ 舞台语言 ” ，人们也 有足够的理由相信计算机与体育舞蹈的联合必将激发 更多的创作激情和艺术灵性。 (2) 体育舞蹈教学现状 1986 年体育舞蹈自国外传入中国， 1987 年起进入北京少数几所大专院校， 1992 年 北京市高
22、校体 育舞蹈协会成立，同年首届高校体育舞蹈比赛在北京医科大学成功举办， 1991 年体育舞蹈课被教育部 列入高等师范院校体育科系的必修课程，此后各地的高校先 后将体育舞蹈引入课堂并取得了骄人的成 绩。 表 1.1 学习体育舞蹈前后 SCL-90 量表统计对照表 Tab. 1.1 SCL-90 statistical table before and after studying sports dance 因子 实验前 实验后 P 躯体化 强迫症状 1.49+0.86 1.71 0.56 1.510.53 1.59 士 0.80 0.05 0.05 数字媒 体 技术在体育 舞 蹈教学中的 应 用
23、研 究 1 2 表 1. 2 学习体育舞蹈前后 SCL-90 量表统计对照表 Tab. 1.2 SCL-90 statistical table before and after studying sports dance 因子 实验前 实验后 P 恐怖 妄想 1.34 土 0_55 1.460_53 1.31 0.41 1.41 0.86 0.05 精神病性 1.37 0.52 1.330_43 0;i-) /音符间的间隔 THO = Sound_Temp_THO; TLO - Sound_Temp_TLO +12; /力口 12 是对 _中断症时的补偿 while(TFl=0); TH1
24、= Sound_Temp_THl; TL1 - Sound Temp TL1; TF1=0; _ if(SL=0) LDivl=0; LDiv2=LDiv-LDivl; /算出不发音的长度 if(SL!=0) TR0=1; for(i=LDivl;i0;i-) 2.3.2 运动数据库设计 Point+=2; T one=SovindPoint; Length=SoundPoint+1 ; BeepIO = 0; #endif 利用运动传感设备可以得到运动员精确、全角的运动，但是这些运动也只是特定人 以特 定方式表演的特定运动，强烈的的个人色彩使得计算机工作者很难对运动数据进行 修改重用。 因此
25、作者在设计运动数据库时给库中的运动加入了额外的关联信息，主要有 运动间约束、运 动间关系和运动分类等 22_24。 本文所设计的运动数据库主要有三种运动：难度动作、连接动作和器械动作，见图 2.2。本文所设计的数据库与传统方法有很大不同，文献 22, 23, 24中的图节点是一个关 键 帧，而本文系统中的图节点是一个 “ 难度动作 ” 作为连续动作的选择点或转折点。根 据 “ 难 度动作 ” 是跳、转、平衡和软翻四大类中的哪一种 就可以是这一个关键帧，还是 一小段连续 的运动。图 2.2 中的边代表 “ 连接动作 ” ，连接动作又分为两种，徒手连接 动作和与器械 (绳、圈、球、棒、带 )相关的
26、连接动作，每段与器械相关的连接动作都对 - 1 5 - 数字媒体技术在体育舞蹈教学中的应用研宄 应于一段与其长度相同、紧密配合的难度动作，连接动作起到了将两个难度动作平滑连 接过 渡的作用。 从舞蹈设计者指定的若千个难度动作可以得到运动图上的若干个顶点，从这些顶点 出发 就可以得到连接顶点的 “ 边 ” ，这些 “ 边 ” 其实就是用来连接 “ 难度动作 ” 的连接 动作，由 于连接两个顶点的边可能不止一条，那么多个连接动作就可以作为连接动作的 “ 候选 ” 提供 给舞蹈设计者。如图 2.2 所示，图中列出的是基于高校体育舞蹈课程中所要 求的徒手成套动 作中挑选出的二十个 “ 难度动作 ” ，
27、外围矩形框代表的运动，九个 “ 连 接动作 ” 样本，椭圆 框代表连接运动。通过椭圆框的连接动作可以将任意两个难度动作 连接起来，从而得到一个 新的运动片断。 图 2. 3 节拍跟踪程序 Fig. 2.3 Beat tracking program _ 1 6 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图 2.4 运动图实例 Fig. 2.4 Examples of sports motion map 2 . 3 . 3 运 动 检 索 运动检索可分为脱机和实时两个部分，建立好运动数据库后，舞蹈设计者从大量的 真实 运动片段中就可以建立起运动数据库有向图脱机部分，脱机部分主要是将 “ 难度动 作 ”
28、从真 实运动库之中检索出来，计算出其出现、结束的时间点，然后舞蹈设计者通过 主观判断 “ 难 度动作 ” 的前后可与其连接的动作片段，也称为 “ 连接动作 ” 。实时检索 部分只需要在己经 建立好的动作 “ 图 ” 上按照点线的连接关系进行深度或广度搜索即可。 实时部分用于根据舞 蹈设计者选择的难度动作从建立好的有向图中选择相应的一系列 顶点和边，将这些标定好的 难度动作和连接动作加入到有向图结构中去。 只有定义了运动帧之间的相似性后才能够将一个 “ 难度动作 ” 从 “ 原始运动片断 ” 中 自动定位出来。本文采用基于四元数的方法来定义帧间距离 21: D( t , / 2 ) = m tx
29、) - m( t2 )| | = ald ql (/,), q, ( t2 ) (2.1) - 1 7 - B! 数字媒体技术在体育舞蹈教学中的应用研宄 其中 a,， f = l， 2.表征了人体第 z 个关节的重要程度，为一正数， &(和以 f2)为两个四 元数，火仏 (AU 仏 )表示其距离，通过式 (2.1)就可以得到帧 与帧之间的距离，距离 值表 明这两个帧之间的相似程度，值越小那么相似度越高，通过计算 “ 难度动作 ” 帧与 “ 原始运 动 ” 帧之间的距离，就可以定位到 “ 难度动作 ” 在 “ 原始运动 ” 中的位置。 2 . 3 . 4 运 动 合 成 舞蹈设计者做好以上工作后
30、，根据指定图上的顶点和边进而确定 “ 难度动作 ”“ 连 接 动作 ” ，将顶点和边依次连接起来形成的路径中涉及到的所有运动片断连接起来，即 为满足 舞蹈设计者要求的最终运动。遍历所得路径转化为连续平滑运动时需要进行相应 的坐标转 换，由于原始运动片断中人体根节点的 (x， z)平面坐标记录的是表演者空间位 置的三维坐标， 因此在将一个顶点的出边代表的运动和该节点的入边代表的运动连接起 来 时 ，需 要 对 该 顶 点 出 边 代 表 的 整 个 运 动 乘 以 一 个 变 换 矩 阵 初 始 为 单 位 矩 阵 ， 当 动作从一条边结束并 开始进入下一条边时， M 都乘以将相邻两条边对齐时对
31、应的变换 矩阵 70，； (：。， 2。并更新迭 代。 7，； (： ()， 2()表示绕 轴旋转 0，在； 平面上平移 (： )1： ()， 2()所形成 的矩阵。 2 . 3 . 5 运 动 编 辑 运动编辑技术种类繁多，涉及的领域宽泛。我们主要探讨的运动编辑操作有运动路 径 编辑 (Motion Path Editing)、运动混合 (Motion Blending)和运动编辑约束 （ Motion Editing with Constraints)。运动混合技术可以将多个运动片断连接到成一个新的运动片 断，本文采用线性插值法来计算重叠部分的混合运动。根据 (2-2) 其中 i5 代表帧， j?为一调节帧序号的整数， a 为一加权系数 (ae(0， l)，对一段运动為帧 到 為 帧 与 另 一 段 运