虛擬現實技術在舞蹈教學中的應用現狀及設計要求 *

劉 煉，孫慧佳

(東北師范大學 音樂學院，吉林 長春 130024)

虛擬現實技術在舞蹈教學中的應用現狀及設計要求*

劉 煉，孫慧佳

(東北師范大學 音樂學院，吉林 長春 130024)

該文從促進舞蹈教育改革、推進舞蹈教育信息化的目的出發，介紹了國內外舞蹈及相關領域虛擬現實教學系統的開發情況——我國舞蹈教學虛擬現實系統開發處于起步階段，而美日等國則方興未艾，為我們在此領域的發展提供了參考和范例。在此基礎上，文章對舞蹈教學虛擬現實系統的使用要求、功能要求和構成要求進行了探討，并對舞蹈教學虛擬現實系統未來的發展前景進行了展望。

虛擬現實；舞蹈教學；動作技能

舞蹈是一門實踐性很強的學科，其教學過程中大部分的知識和技能信息都需要學生在對老師舞蹈動作的模仿與感受中獲得。實踐性強的舞蹈教學很難像其他學科的教學一樣，采取網絡教學、遠程教學等現代化的教育方式。因為在這些教學方式中，學生只通過觀看動作教學視頻來進行學習，很難對舞蹈的動作表現獲得身臨其境、傳情達意的感受，對學生動作學習的效果教師也無法及時進行評價和反饋。同時，傳統的課堂教學方式畢竟受到時間空間的限制，學生在課后對學習內容的復習也會受到影響。

虛擬現實技術的應用在很大程度上為這些問題的解決提供了可能性。虛擬現實技術作為計算機領域中新興的一種人機交互手段，可以為使用者提供一個與真實世界相似的三維虛擬世界，具有沉浸性、交互性和想象性的特點。虛擬現實系統可以通過頭盔、手套等輸入設備接收來自使用者的動作或其他指令信息，在系統中進行處理并通過一些輸出設備對人的視覺、聽覺、觸覺等感官產生影響，使人產生如同在真實世界中進行某種行為一樣的感受。

虛擬現實技術兼具虛擬性與真實性的特點使其在人們的社會生活中獲得了廣泛的應用。近年來，虛擬現實技術逐漸走入教育者的視野，在教育教學改革領域獲得了快速的發展。特別是在一些實踐性較強的學科教育當中，虛擬現實技術的應用更加受到教育者的重視。在傳統的教育方式當中學生必須通過實踐才能習得知識的學習過程可以在虛擬的環境下完成，既大幅度降低了實踐教學的成本，又可以解決傳統實踐教學方式的時空限制問題。舞蹈教師也開始逐漸認識到虛擬現實技術在舞蹈教學方面的優勢。

一、虛擬現實技術在舞蹈教學應用的現狀分析

(一)國外研究現狀

1.動作訓練領域的虛擬現實實踐

虛擬現實系統可以對參與者的動作進行反饋，使參與者在虛擬世界中產生身臨其境的感受，因此很早就被應用于動作訓練領域的模擬實踐。動作訓練與舞蹈教學存在很大的相似性，動作訓練領域的虛擬現實系統開發起步較早，其對應用于舞蹈教學的虛擬現實系統開發具有奠基作用，因此筆者首先對動作訓練領域的虛擬現實實踐進行簡單梳理。

R. Sidharta和C. Cruz-Neira曾設計出讓參與者與虛擬對手進行拳擊比賽的虛擬系統[1]；伊利諾伊大學的楊振宇等人曾在美國計算機協會舉辦的多媒體國際會議上展示了其團隊設計的虛擬交誼舞系統[2]。當虛擬現實應用設計引入動作捕捉技術之后，人機交互的水平得到了很大程度的提升，因為在虛擬現實系統中可以引入一些游戲元素，參與者可以在人機的動作交互中獲得更多樂趣，取得更好的動作訓練效果。

一些虛擬現實的應用系統致力于以新的動作訓練方式取代傳統的師徒相授的教學手段。應用動作捕捉技術，計算機系統可以跟蹤學習者的動作軌跡并對其進行監督與校正。蔡平濤等人設計出用于太極動作訓練的虛擬現實系統[3]，系統會生成太極教練和學習者的虛擬影像，學習者可以對教練的影像進行觀察并進行動作模仿，直到自己在系統中的虛擬影像的動作與教練影像動作一致為止。

高村正彥等人設計出基于動作捕捉技術的軍事訓練系統[4]，使用者戴上頭盔，與虛擬教練進行攻防訓練。系統將會對使用者的無效防守進行提示，還會對其防守動作、受到攻擊前的預警措施進行評估。課題組的實驗表明，一些新兵在經過了虛擬現實系統的訓練之后，在攻防訓練上有著明顯的進步。這表明，虛擬系統的反饋信息在動作學習方面可以起到促進作用。

以上動作訓練領域的虛擬現實實踐在教學方式、人機交互方式、技術實現手段等方面都進行了先期嘗試，為應用于舞蹈教學的虛擬現實系統的開發與設計在理念與技術上都奠定了一定的基礎。

2.舞蹈教學領域的虛擬現實實踐

當前已經有研究者進行了用于舞蹈教學的虛擬現實系統的研發。達烏塞夫等人設計了一種能同步展示舞蹈教學的動作視頻、三維動畫、音樂、說明文字和拉班舞譜的舞蹈學習系統[5]。使用者可以一邊模仿舞蹈動作，一邊在這些信息之間自由切換，從而獲得對舞蹈動作不同視角的理解。索加等人利用三維剪輯技術設計了一套當代舞學習系統[6]，系統中由一個虛擬人在三維空間中展示動作細節。使用者認為，系統中設計的教師評價等反饋環節對舞蹈學習有著很大的幫助。

中村俊輔等人開發了一套由定時振動設備和自移屏組成的舞蹈教學輔助系統[7]。定時振動設備主要用于提醒學習者動作的時間點，而自移屏則向學習者展示動作的具體過程。系統會根據學習者的動作生成一個實時的虛擬影像呈現在屏幕上，這樣學習者就可以觀察到自身動作與教學影像動作的差異所在。

八村等人在整合了動作捕捉技術和虛擬現實技術的基礎上開發出一套舞蹈訓練系統[8]。學習者需要佩戴一個頭盔顯示器，顯示器中的畫面由兩個舞蹈的虛擬形象重疊而成，一個是職業舞蹈演員的動作形象，另一個是學習者自身舞蹈動作構成的虛擬形象。通過兩個虛擬形象的重疊對比，學習者可以很容易地發現自身動作與職業舞蹈演員動作的差異所在。在這個系統中，學習者模仿動作與其虛擬影像的動作同步完成，這在一定程度上也對學習者的使用經驗提出了較高的要求。

香港城市大學的制作團隊與日本的研究人員野村拓合作開發了用于自學舞蹈的舞蹈教學虛擬現實系統[9]。使用者需要穿著一套用于捕捉動作信息的專用服裝，然后模仿虛擬教師的舞蹈動作就可以學習舞蹈。在模仿動作完成之后，系統還會對使用者的學習情況進行反饋，包括對每個部位動作完成程度的分數反饋、將使用者虛擬形象的舞蹈動作與虛擬教師的舞蹈動作對比而找出動作錯誤的部位等。因為這套教學系統在動作捕捉點的設置上較為細致，因此系統可以收集足夠多的數據來對使用者的學習情況進行反饋和評價。

(二)國內研究現狀

目前，國內將虛擬現實系統用于舞蹈教學的實踐才剛剛起步，而且系統的開發并非專門針對舞蹈教學，而是兼具舞蹈編排、舞蹈制作等多項功能。此外，針對某一特殊風格舞蹈的虛擬現實系統的開發實踐也成為國內此領域研究的特色。

陳芳的虛擬舞蹈模擬可視系統[10]通過拉班舞譜對舞蹈動作的分析得到相應舞蹈動作的二維數據，然后通過計算機對舞蹈動作進行編輯，建立起三維的虛擬人體模型以及虛擬舞蹈動作庫，并以OpenGL為平臺來實現舞蹈場景和角色模型的設計。虛擬舞蹈模擬可視系統擁有多種功能，可以用于舞蹈動作編排、舞蹈制作領域，使用者可以將編排好舞蹈以三維動畫的方式進行播放。而以虛擬舞蹈模擬可視系統為基礎也可以進行舞蹈專業的計算機輔助教學。

許怡的三維舞蹈虛擬化可視化系統[11]在拉班力效分析與空間分析的基礎上，對舞蹈動作進行信息采集，然后形成虛擬舞蹈形象。使用者可以根據自己的需要利用系統進行舞蹈的編排或舞蹈動作的學習。使用者還可以根據需要對虛擬舞蹈形象的人數與服裝，舞蹈選用的音樂和場景，甚至是舞蹈形象的表情等內容進行設定。三維舞蹈虛擬化可視化系統主要側重于對舞蹈編排的應用設計，雖然兼具計算機輔助舞蹈教學的功能，但功能相對較為簡單。

郭瑾等人在實現機器人舞蹈的研究過程中采用了舞蹈虛擬現實的技術[12]。課題組先在計算機系統中分析機器人舞蹈動作的規律和方法，并建立起舞蹈動作的關鍵幀數據庫，以此為基礎建構了三維虛擬人的仿真骨骼舞蹈模型，仿真實現了機器人的舞蹈動作。再利用舞蹈動作關鍵幀的過渡函數來實驗機器人舞蹈動作的過渡和順暢。實驗利用NOBODY 機器人舞蹈視頻實現了三維虛擬人骨骼模型的仿機器人的舞蹈動畫。

陳啟祥等人進行的面向編鐘樂舞的舞蹈動作虛擬仿真研究[13]以編鐘樂舞的動作風格分析為基礎，致力于編鐘樂舞舞蹈動作虛擬系統的開發和研究，以期為編鐘樂舞動作庫的舞蹈編排系統開發提供基礎。

二、舞蹈教學虛擬現實系統的設計要求

(一)舞蹈教學虛擬現實系統的使用要求

應用于舞蹈教學的虛擬現實系統的設計要達到以下要求：

首先，舞蹈教學虛擬現實系統要能夠使教學的參與者產生身臨其境的真實體驗。因為舞蹈教學有著很強的實踐性，教學過程需要保持生動性，教師的細微動作與表情都會對教學效果和學生的心理產生影響。因此，用于舞蹈教學的虛擬現實系統一定要能夠使教學的參與者產生如同身處舞蹈課堂的真實體驗，也就是說要能使學生在計算機虛擬的數據世界中產生如同在課堂當中學習舞蹈的幻覺，這樣才能使學生全身心地投入到舞蹈動作的學習當中。如果虛擬現實系統達不到這樣的要求，就會分散使用者的注意力，很難讓人沉浸在舞蹈的學習氛圍中。為了達到這個目標，應用于舞蹈教學的虛擬現實系統應該對使用者的視覺、聽覺、觸覺等多種感官形成刺激，充分調動人類的感知器官，使教學過程中的刺激所產生的效果更接近于傳統的教學方式，使使用者產生身臨其境的真實體驗。

其次，應用于舞蹈教學的虛擬現實系統要能為使用者提供實時的、方便的人機交互手段，操作簡單實用。簡單實用的操作系統也是使使用者產生真實體驗的前提。使用者既可以方便地將自身的舞蹈動作信息輸入系統當中，又能夠實時地從虛擬現實系統中獲得反饋的教學信息，讓使用者及時做出調整。為了達到這樣的要求，用于舞蹈教學的虛擬現實系統必須要具有實時方便的人機交互手段，不會產生延遲感，而且還需要具有高速計算能力的計算機設備來處理大量的數據信息，否則人與計算機交互的時候會出現較為明顯的時間延遲，會使使用者產生與傳統教學方式不同的心理經驗，影響教學過程中的真實感，降低教學的效果。

(二)舞蹈教學虛擬現實系統的功能要求

1.演示

要學習一段舞蹈，學生首先需要看到專業的舞蹈動作演示，因此，演示也是舞蹈教學虛擬現實系統最基本的功能要求。舞蹈動作的演示在虛擬現實系統中可由OpenGL根據事先制作好的舞蹈動作數據庫中的數據繪制三維動畫來完成。為了方便觀察，學生還可以改變演示的速度與視角。除了在最初的觀察階段需要有動畫演示外，在學生模仿的階段虛擬教師的動畫演示也需要出現在屏幕上以供學生學習。

2.動作捕捉

僅僅是觀察動態三維舞蹈形象還凸顯不出虛擬現實系統在舞蹈教學領域的優勢，舞蹈教學虛擬現實系統還應該能夠實時地對學生模仿的舞蹈動作進行捕捉并將其呈現于屏幕之上，還需要將學生模仿的舞蹈動作與虛擬教師的舞蹈動作進行對比找出其差異所在，這樣就能更好地對學生的學習行為進行反饋，提高學生的學習效果。

3.反饋

科學的指導對提高學生的學習效果和學習效率有著十分重要的意義，舞蹈教學虛擬現實系統可以通過多種途徑的反饋來實現對學生學習行為的指導。舞蹈教學虛擬現實系統的反饋可以包括：觀察系統呈現的學生自身的舞蹈動作、觀察學生舞蹈動作與虛擬教師舞蹈動作的對比(比如有差異的動作部分標成紅色)、分時段分部位的分數評價，等等。

(三)舞蹈教學虛擬現實系統的構成要求

為了滿足以上各方面的使用要求和功能要求，舞蹈教學虛擬現實系統應該包括四個構成要素：三維制圖系統、動作匹配系統、舞蹈動作數據庫和動作捕捉系統。動作捕捉系統用于獲取使用者的動作信息，并由動作匹配系統將其與舞蹈動作數據庫中的數據進行對比，而三維制圖系統則負責將根據舞蹈動作數據庫生成的虛擬教師的舞蹈形象和動作捕捉系統獲得的使用者的舞蹈形象呈現于屏幕上，使之可視化。

三、虛擬現實技術在舞蹈教學中的應用前景思考

虛擬現實技術在教育領域的廣泛應用是未來教育發展的一個必然趨勢，虛擬現實技術的快速發展必然會引領教育界改革的發展方向。對于實踐性較強的舞蹈學科來說，受到的影響更大。舞蹈教學的生動性和當下性都會對學生的學習效果產生關鍵的影響。傳統教學雖然具有以上優勢，但卻不能很好地適應信息時代教育教學的要求；單純依靠視頻教學的方法又剝離了舞蹈教學本身的生動性，效果不盡如人意。虛擬現實技術在舞蹈教學領域的應用可以在很大程度上解決這些問題，將信息時代的教學方式與傳統舞蹈教學的優勢結合起來，既保持了教學的生動性和當下性，又能夠使舞蹈教學本身突破時間和空間的局限，使其能更好地適應未來教育的發展方向。

虛擬現實技術在未來的舞蹈教育教學領域有著廣闊的發展空間，特別是在舞蹈的數字化教學改革中，虛擬現實技術將發揮前所未有的重要作用。一方面，應用于舞蹈教學的虛擬現實系統的開發和利用使舞蹈的遠程教育成為可能。相對于其他學科的教學來說，舞蹈教學實踐性更為突出，更加依賴傳統課堂上師徒間口傳身授的信息交流。因此，在許多學科遠程教育已形成成熟模式的今天，舞蹈教育的遠程教學卻遲遲未能起步。一個成熟的舞蹈教學虛擬現實系統可以全方位地作用于教師和學生的感官，使他們獲得幾乎與傳統課堂一樣的教學體驗。這樣的舞蹈遠程教學既可以利用遠程教育的方便與靈活，又可以為學習者帶來充分的感官體驗，大幅度地提高舞蹈遠程教育的教學效果，從而使這種新型的數字化教學手段走入舞蹈教育領域成為可能。另一方面，用于舞蹈教學的虛擬現實系統的開發和利用還可以大幅度地提高現有的舞蹈課堂教學水平，提高學生的學習效率，提升教學效果。由于教學資源與授課時空的限制，現在的舞蹈課堂教學同一教學內容重復的次數有限，學生很難有機會在教師的指導下對沒能充分掌握的舞蹈動作進行反復練習。舞蹈教學虛擬現實系統使課堂上的教學資源成為一種數字資源，學生可以在課下反復觀摩練習，并可以根據系統提供的反饋數據不斷調整自己的學習過程，這一過程的實現將對學生的學習效果起到極大的促進作用。

從本文的研究情況來看，目前世界上舞蹈教學虛擬現實系統的研究和開發方興未艾，而在國內教育技術領域還沒有引起足夠的重視。從理論方面來看，舞蹈教學虛擬現實系統的發展還需要更多的理論研究作為支撐；從技術方面來看，舞蹈教學虛擬現實系統的發展需要更多的人材和資金支持。

[1]R. Sidharta, and C. Cruz-Neira. Cyclone Uppercut, a BoxingGame for an Immersive Environment[J]. Advances in Computer Entertainment Technology, 2005,(6):363-364.

[2]Z. Yang, B. Yu, R. Diankov, W. Wu, and R. Bajscy.CollaborativeDancing in Tele-Immersive Environment[A]. ACM.06 Proceedings of the 14th annual ACM international conference on Multimedia[C]. New York: ACM,2006.723-726.

[3]P.T. Chua, R. Crivella, B. Daly, N. Hu, R. Schaaf, D. Ventura, T.Camill,J. Hodgins, and R. Pausch. Tai Chi: Training for Physical Tasks in Virtual Environments[J]. Virtual Reality, 2003,(3):87-94.

[4]T. Komura, B. Lam, R.W.H. Lau, and H. Leung. E-Learning Martial Arts[J].Web-Based Learning, 2006,(6):239-248.

[5]D. Davcev, V. Trajkovic, S. Kalajdziski, and S. Celakoski. Augmented Reality Environment for Dance Learning[J].Information Technology:Research and Education, 2003,(8):189-193.

[6]A. Soga, B. Umino, and M. Hirayama. Automatic Composition for Contemporary Dance Using 3D Motion Clips: Experiment on Dance Training and System Evaluation[J]. Cyber-Worlds, 2009,(9):171-176.

[7]A. Nakamura, S. Tabata, T. Ueda, S. Kiyofuji, and Y. Kuno. Dance Training System with Active Vibro-Devices and a Mobile Image Display[A].IEEE/RSJ International Conference. Intelligent Robots and Systems[C].New York:IEEE,2005.3075-3080.

[8]K. Hachimura, H. Kato, and H. Tamura. A Prototype Dance Training Support System with Motion Capture and Mixed Reality Technologies[A]. IEEE Int'l Workshop. Robot and HumanInteractive Comm[C]. New York: IEEE, 2004. 217-222.

[9]Jacky C.P. Chan, Howard Leung, Jeff K.T. Tang, and Taku Komura.A Virtual Reality Dance Training SystemUsing Motion Capture Technology[A].IEEE Transactions on Learning Technologies[C]. New York:IEEE, 2011. 187-195.

[10]陳芳.虛擬舞蹈模擬可視系統設計[J].裝備制造,2009,(12):109.

[11]許怡.三維舞蹈虛擬化可視化[J].科技向導，2010，(6)：73-74.

[12]郭瑾，高偉，劉德山，徐本強.基于虛擬人設計與實現機器人舞蹈動作的一種方法[J].微型電腦應用,2012,(5):11-14.

[13]陳啟祥, 孫俊逸, 陳曉煒等. 面向編鐘樂舞的舞蹈動作虛擬仿真的研究[J]. 微計算機信息, 2007,(21): 252-254.

劉煉：教授，研究方向為舞蹈編導理論與技法研究(liulian8341@163.com)。

孫慧佳：講師，博士，研究方向為舞蹈文化學。

2014年3月15日

責任編輯：馬小強

The Application and Design Requirements of Virtual Reality Technology in Dance Teaching

Liu Lian, Sun Huijia
(Music School, Northeast Normal University, Changchun Jilin 130024)

This paper introduces the domestic and international exploration in virtual reality teaching system in dance and related fields to promote dance education reform and advancing the dance education informatization. The development of the domestic dance teaching virtual reality system is in the initial stage, while it is burgeoning in American and Japan, which provide us the reference and examples. On this basis, this paper discusses the use requirement, function demands and composition of dance teaching virtual reality system, and prospects for the future of dance teaching virtual reality system.

Virtual Reality; Dance Teaching; Motor Skills

G434

A

1006—9860(2014)06—0085—04

* 本文系文化部文化藝術科學研究項目“產業形態區域舞蹈創作策略研究”(項目編號：12DE22)成果。