虚拟现实技术在舞蹈教学中的应用现状及设计要求_刘炼

85LearningResourceandTechnology学习资源与技术2014.6 中国电化教育 总第329期虚拟现实技术在舞蹈教学中的应用现状及设计要求*刘 炼，孙慧佳(东北师范大学音乐学院，吉林长春130024)摘要：该文从促进舞蹈教育改革、推进舞蹈教育信息化的目的出发，介绍了国内外舞蹈及相关领域虚拟现实教学系统的开发情况——我国舞蹈教学虚拟现实系统开发处于起步阶段，而美日等国则方兴未艾，为我们在此领域的发展提供了参考和范例。在此基础上，文章对舞蹈教学虚拟现实系统的使用要求、功能要求和构成要求进行了探讨，并对舞蹈教学虚拟现实系统未来的发展前景进行了展望。关键词：虚拟现实；舞蹈教学；动作技能中图分类号：G434文献标识码：A舞蹈是一门实践性很强的学科，其教学过程中大部分的知识和技能信息都需要学生在对老师舞蹈动作的模仿与感受中获得。实践性强的舞蹈教学很难像其他学科的教学一样，采取网络教学、远程教学等现代化的教育方式。因为在这些教学方式中，学生只通过观看动作教学视频来进行学习，很难对舞蹈的动作表现获得身临其境、传情达意的感受，对学生动作学习的效果教师也无法及时进行评价和反馈。同时，传统的课堂教学方式毕竟受到时间空间的限制，学生在课后对学习内容的复习也会受到影响。虚拟现实技术的应用在很大程度上为这些问题的解决提供了可能性。虚拟现实技术作为计算机领域中新兴的一种人机交互手段，可以为使用者提供一个与真实世界相似的三维虚拟世界，具有沉浸性、交互性和想象性的特点。虚拟现实系统可以通过头盔、手套等输入设备接收来自使用者的动作或其他指令信息，在系统中进行处理并通过一些输出设备对人的视觉、听觉、触觉等感官产生影响，使人产生如同在真实世界中进行某种行为一样的感受。虚拟现实技术兼具虚拟性与真实性的特点使其在人们的社会生活中获得了广泛的应用。近年来，虚拟现实技术逐渐走入教育者的视野，在教育教学改革领域获得了快速的发展。特别是在一些实践性较强的学科教育当中，虚拟现实技术的应用更加受到教育者的重视。在传统的教育方式当中学生必须通过实践才能习得知识的学习过程可以在虚拟的环境下完成，既大幅度降低了实践教学的成本，又可以解决传统实践教学方式的时空限制问题。舞蹈教师也开始逐渐认识到虚拟现实技术在舞蹈教学方面的优势。一、虚拟现实技术在舞蹈教学应用的现状分析(一)外研究现状1.动作训练领域的虚拟现实实践虚拟现实系统可以对参与者的动作进行反馈，使参与者在虚拟世界中产生身临其境的感受，因此很早就被应用于动作训练领域的模拟实践。动作训练与舞蹈教学存在很大的相似性，动作训练领域的虚拟现实系统开发起步较早，其对应用于舞蹈教学的虚拟现实系统开发具有奠基作用，因此笔者首先对动作训练领域的虚拟现实实践进行简单梳理。R.Sidharta和C.Cruz-Neira曾设计出让参与者与虚拟对手进行拳击比赛的虚拟系统[1]；伊利诺伊大学的杨振宇等人曾在美国计算机协会举办的多媒体国际会议上展示了其团队设计的虚拟交谊舞系统[2]。当虚拟现实应用设计引入动作捕捉技术之后，人机交互的水平得到了很大程度的提升，因为在虚拟现实系统中可以引入一些游戏元素，参与者可以在人机的动作交互中获得更多乐趣，取得更好的动作训练效果。*本文系文化部文化艺术科学研究项目“产业形态区域舞蹈创作策略研究”(项目编号：12DE22)成果。文章编号:1006—9860(2014)06—0085—04境86LearningResourceandTechnology学习资源与技术2014.6 中国电化教育 总第329期一些虚拟现实的应用系统致力于以新的动作训练方式取代传统的师徒相授的教学手段。应用动作捕捉技术，计算机系统可以跟踪学习者的动作轨迹并对其进行监督与校正。蔡平涛等人设计出用于太极动作训练的虚拟现实系统[3]，系统会生成太极教练和学习者的虚拟影像，学习者可以对教练的影像进行观察并进行动作模仿，直到自己在系统中的虚拟影像的动作与教练影像动作一致为止。高村正彦等人设计出基于动作捕捉技术的军事训练系统[4]，使用者戴上头盔，与虚拟教练进行攻防训练。系统将会对使用者的无效防守进行提示，还会对其防守动作、受到攻击前的预警措施进行评估。课题组的实验表明，一些新兵在经过了虚拟现实系统的训练之后，在攻防训练上有着明显的进步。这表明，虚拟系统的反馈信息在动作学习方面可以起到促进作用。以上动作训练领域的虚拟现实实践在教学方式、人机交互方式、技术实现手段等方面都进行了先期尝试，为应用于舞蹈教学的虚拟现实系统的开发与设计在理念与技术上都奠定了一定的基础。2.舞蹈教学领域的虚拟现实实践当前已经有研究者进行了用于舞蹈教学的虚拟现实系统的研发。达乌塞夫等人设计了一种能同步展示舞蹈教学的动作视频、三维动画、音乐、说明文字和拉班舞谱的舞蹈学习系统[5]。使用者可以一边模仿舞蹈动作，一边在这些信息之间自由切换，从而获得对舞蹈动作不同视角的理解。索加等人利用三维剪辑技术设计了一套当代舞学习系统[6]，系统中由一个虚拟人在三维空间中展示动作细节。使用者认为，系统中设计的教师评价等反馈环节对舞蹈学习有着很大的帮助。中村俊辅等人开发了一套由定时振动设备和自移屏组成的舞蹈教学辅助系统[7]。定时振动设备主要用于提醒学习者动作的时间点，而自移屏则向学习者展示动作的具体过程。系统会根据学习者的动作生成一个实时的虚拟影像呈现在屏幕上，这样学习者就可以观察到自身动作与教学影像动作的差异所在。八村等人在整合了动作捕捉技术和虚拟现实技术的基础上开发出一套舞蹈训练系统[8]。学习者需要佩戴一个头盔显示器，显示器中的画面由两个舞蹈的虚拟形象重叠而成，一个是职业舞蹈演员的动作形象，另一个是学习者自身舞蹈动作构成的虚拟形象。通过两个虚拟形象的重叠对比，学习者可以很容易地发现自身动作与职业舞蹈演员动作的差异所在。在这个系统中，学习者模仿动作与其虚拟影像的动作同步完成，这在一定程度上也对学习者的使用经验提出了较高的要求。香港城市大学的制作团队与日本的研究人员野村拓合作开发了用于自学舞蹈的舞蹈教学虚拟现实系统[9]。使用者需要穿着一套用于捕捉动作信息的专用服装，然后模仿虚拟教师的舞蹈动作就可以学习舞蹈。在模仿动作完成之后，系统还会对使用者的学习情况进行反馈，包括对每个部位动作完成程度的分数反馈、将使用者虚拟形象的舞蹈动作与虚拟教师的舞蹈动作对比而找出动作错误的部位等。因为这套教学系统在动作捕捉点的设置上较为细致，因此系统可以收集足够多的数据来对使用者的学习情况进行反馈和评价。(二)国内研究现状目前，国内将虚拟现实系统用于舞蹈教学的实践才刚刚起步，而且系统的开发并非专门针对舞蹈教学，而是兼具舞蹈编排、舞蹈制作等多项功能。此外，针对某一特殊风格舞蹈的虚拟现实系统的开发实践也成为国内此领域研究的特色。陈芳的虚拟舞蹈模拟可视系统[10]通过拉班舞谱对舞蹈动作的分析得到相应舞蹈动作的二维数据，然后通过计算机对舞蹈动作进行编辑，建立起三维的虚拟人体模型以及虚拟舞蹈动作库，并以OpenGL为平台来实现舞蹈场景和角色模型的设计。虚拟舞蹈模拟可视系统拥有多种功能，可以用于舞蹈动作编排、舞蹈制作领域，使用者可以将编排好舞蹈以三维动画的方式进行播放。而以虚拟舞蹈模拟可视系统为基础也可以进行舞蹈专业的计算机辅助教学。许怡的三维舞蹈虚拟化可视化系统[11]在拉班力效分析与空间分析的基础上，对舞蹈动作进行信息采集，然后形成虚拟舞蹈形象。使用者可以根据自己的需要利用系统进行舞蹈的编排或舞蹈动作的学习。使用者还可以根据需要对虚拟舞蹈形象的人数与服装，舞蹈选用的音乐和场景，甚至是舞蹈形象的表情等内容进行设定。三维舞蹈虚拟化可视化系统主要侧重于对舞蹈编排的应用设计，虽然兼具计算机辅助舞蹈教学的功能，但功能相对较为简单。郭瑾等人在实现机器人舞蹈的研究过程中采用了舞蹈虚拟现实的技术[12]。课题组先在计算机系统中分析机器人舞蹈动作的规律和方法，并建立起舞蹈动作的关键帧数据库，以此为基础建构了三维虚拟人的仿真骨骼舞蹈模型，仿真实现了机器人的舞蹈动作。再利用舞蹈动作关键帧的过渡函数来实验机器人舞蹈动作的过渡和顺畅。实验利用NOBODY机器人舞蹈视频实现了三维虚拟人骨骼模型的仿机器人的舞蹈动画。87LearningResourceandTechnology学习资源与技术2014.6 中国电化教育 总第329期陈启祥等人进行的面向编钟乐舞的舞蹈动作虚拟仿真研究[13]以编钟乐舞的动作风格分析为基础，致力于编钟乐舞舞蹈动作虚拟系统的开发和研究，以期为编钟乐舞动作库的舞蹈编排系统开发提供基础。二、舞蹈教学虚拟现实系统的设计要求(一)舞蹈教学虚拟现实系统的使用要求应用于舞蹈教学的虚拟现实系统的设计要达到以下要求：首先，舞蹈教学虚拟现实系统要能够使教学的参与者产生身临其境的真实体验。因为舞蹈教学有着很强的实践性，教学过程需要保持生动性，教师的细微动作与表情都会对教学效果和学生的心理产生影响。因此，用于舞蹈教学的虚拟现实系统一定要能够使教学的参与者产生如同身处舞蹈课堂的真实体验，也就是说要能使学生在计算机虚拟的数据世界中产生如同在课堂当中学习舞蹈的幻觉，这样才能使学生全身心地投入到舞蹈动作的学习当中。如果虚拟现实系统达不到这样的要求，就会分散使用者的注意力，很难让人沉浸在舞蹈的学习氛围中。为了达到这个目标，应用于舞蹈教学的虚拟现实系统应该对使用者的视觉、听觉、触觉等多种感官形成刺激，充分调动人类的感知器官，使教学过程中的刺激所产生的效果更接近于传统的教学方式，使使用者产生身临其境的真实体验。其次，应用于舞蹈教学的虚拟现实系统要能为使用者提供实时的、方便的人机交互手段，操作简单实用。简单实用的操作系统也是使使用者产生真实体验的前提。使用者既可以方便地将自身的舞蹈动作信息输入系统当中，又能够实时地从虚拟现实系统中获得反馈的教学信息，让使用者及时做出调整。为了达到这样的要求，用于舞蹈教学的虚拟现实系统必须要具有实时方便的人机交互手段，不会产生延迟感，而且还需要具有高速计算能力的计算机设备来处理大量的数据信息，否则人与计算机交互的时候会出现较为明显的时间延迟，会使使用者产生与传统教学方式不同的心理经验，影响教学过程中的真实感，降低教学的效果。(二)舞蹈教学虚拟现实系统的功能要求1.演示要学习一段舞蹈，学生首先需要看到专业的舞蹈动作演示，因此，演示也是舞蹈教学虚拟现实系统最基本的功能要求。舞蹈动作的演示在虚拟现实系统中可由OpenGL根据事先制作好的舞蹈动作数据库中的数据绘制三维动画来完成。为了方便观察，学生还可以改变演示的速度与视角。除了在最初的观察阶段需要有动画演示外，在学生模仿的阶段虚拟教师的动画演示也需要出现在屏幕上以供学生学习。2.动作捕捉仅仅是观察动态三维舞蹈形象还凸显不出虚拟现实系统在舞蹈教学领域的优势，舞蹈教学虚拟现实系统还应该能够实时地对学生模仿的舞蹈动作进行捕捉并将其呈现于屏幕之上，还需要将学生模仿的舞蹈动作与虚拟教师的舞蹈动作进行对比找出其差异所在，这样就能更好地对学生的学习行为进行反馈，提高学生的学习效果。3.反馈科学的指导对提高学生的学习效果和学习效率有着十分重要的意义，舞蹈教学虚拟现实系统可以通过多种途径的反馈来实现对学生学习行为的指导。舞蹈教学虚拟现实系统的反馈可以包括：观察系统呈现的学生自身的舞蹈动作、观察学生舞蹈动作与虚拟教师舞蹈动作的对比(比如有差异的动作部分标成红色)、分时段分部位的分数评价，等等。(三)舞蹈教学虚拟现实系统的构成要求为了满足以上各方面的使用要求和功能要求，舞蹈教学虚拟现实系统应该包括四个构成要素：三维制图系统、动作匹配系统、舞蹈动作数据库和动作捕捉系统。动作捕捉系统用于获取使用者的动作信息，并由动作匹配系统将其与舞蹈动作数据库中的数据进行对比，而三维制图系统则负责将根据舞蹈动作数据库生成的虚拟教师的舞蹈形象和动作捕捉系统获得的使用者的舞蹈形象呈现于屏幕上，使之可视化。三、虚拟现实技术在舞蹈教学中的应用前景思考虚拟现实技术在教育领域的广泛应用是未来教育发展的一个必然趋势，虚拟现实技术的