光學式動作捕捉在三維動畫中的應用

摘 要：隨著電影工業的發展，三維動畫制作技術的應用已經越來越廣泛了，同時作為21世紀朝陽產業的動畫產業近年來備受國家的重視。動畫制作技術是動畫產業中極為重要的環節之一，對當前動畫產業的大步前進有著重要作用。作為一項動畫制作技術——動作捕捉在國內的應用已越來越被重視。在紛繁復雜的動作捕捉系統中有著許多技術分類，特別以光學式動作捕捉儀為代表。動作捕捉技術的廣泛應用體現了中國動畫技術硬件實力的提升。

關鍵詞：光學式動作捕捉；三維動畫；動畫生產

0 引言

影視動畫技術日新月異的發展無疑是造就一個個虛擬世界的現實條件，無論是影響一代人的《星戰》系列，還是風靡世界的《阿凡達》，大導演們天馬行空的想象在熒屏上變成絢麗多彩的視覺奇觀，均得益于計算機三維動畫技術的發展。不少好萊塢商業電影中虛擬角色的動作表演細膩到與現實真假難辨，幾乎每一次都成功迷惑觀眾挑剔的眼睛。殊不知，這些虛擬演員表演的成功大都歸功于動作捕捉設備——通過動作捕捉設備采集真人演員的動作數據，為虛擬演員的逼真表演提供了基礎和前提。

本文通過研究動作捕捉技術在影視動畫中的應用，闡述動作捕捉技術在動畫制作中的應用過程，并在分析三維動畫制作流程的基礎上，探索動作捕捉在動畫制作過程中的優勢，從而提高動畫制作的質量與速度。

1 三維動畫

1995年皮克斯公司制作的世界上第一部全電腦制作的動畫長片《玩具總動員》在全美上映，引起動畫界的軒然大波。《玩具總動員》被稱為是繼《米老鼠》賦予動畫片聲音以及《白雪公主》賦予動畫片色彩之后的第三次飛躍——賦予動畫片3D效果。計算機三維動畫從此打破動畫界二維的壟斷地位，并以其巨大的更新及應用潛力為全球影視動畫產業不斷注入活力。

三維動畫與二維動畫相對應，主要是以三維軟件為基礎制作的帶有縱深及360度可視的3D動畫。三維動畫制作技術包括了：三維建模，材質貼圖，骨骼綁定，動畫制作以及燈光渲染。三維動畫制作的流程：故事腳本>分鏡頭>設計稿>三維建模>三維動畫制作>燈光渲染>后期合成>剪輯配音>輸出成片。

2 光學式動作捕捉概述

“動作捕捉”英文為：“Motion capture”，Motion capture 技術涉及尺寸測量、物理空間里物體的定位及方位測定等方面，可以由計算機直接理解處理的數據。在運動物體的關鍵部位設置跟蹤器，由 Motion capture 系統捕捉跟蹤器位置，再經過計算機處理后向用戶提供可以在動畫制作中應用的數據。當數據被計算機識別后，動畫師即可以在計算機產生的鏡頭中調整、控制運動的物體。到目前為止，常用的運動捕捉技術從原理上說可分為機械式、聲學式、電磁式和光學式。光學式動作捕捉通過對目標上特定光點的監視和跟蹤來完成運動捕捉的任務。目前常見的光學式運動捕捉大多基于計算機視覺原理。從理論上說，對于空間中的一個點，只要它能同時為兩部相機所見，則根據同一時刻兩部相機所拍攝的圖像和相機參數，可以確定這一時刻該點在空間中的位置。當相機以足夠高的速率連續拍攝時，從圖像序列中就可以得到該點的運動軌跡。

3 基于VICON系統的光學動作捕捉在三維動畫制作中的應用

目前光學動作捕捉在全球主要有兩大系統：一是美國的MotionanAlysis公司生產的“魔神”動作捕捉系統，二是英國Vicon公司生產的“vicon”動作捕捉系統，本文闡述基于VICON系統的光學動作捕捉在三維動畫制作中的應用過程。

（1）鏡頭校準。在進行動作捕捉之前，要做的第一步是進行捕捉場地的鏡頭校準。鏡頭校準：VICON公司采用了動態線性技術，該技術是目前唯一能夠實現高精度校準的技術。首先，使用“L”字形的桿，校準設備，確定鏡頭所捕獲的虛擬空間的XYZ軸，同時確定軟件中虛擬鏡頭與實際空間中的鏡頭保持位置的一致。然后使用500（150）毫米長的“T”字形桿創建攝像機線性參數。以便更加精準地捕捉標定點在空間中的運動軌跡。

（2）貼“Marker”點。根據之前對人體運動骨骼的分析，我們將人體分了49個部分，但是我們在做動作捕捉的時候，先不把手指考慮在內，把手看成一個整體。所以剩下的為49-30+2=21個部分。所以在貼點前我們充分考慮到：所貼的點如何才能更好地驅動骨骼。

在這里我們使用的“Maker”點數是41，頭部4個點；頸1個點；大臂2個點；小臂2個點；手3個點；胸部5個點（前胸2個點，后背3個點）；臀部4個點；大腿2個點；小腿1個點；腳踝1個點；腳跟1個點；腳掌1個點；腳尖1個點。

在貼點時注意左右胳臂的不對稱性，這樣的不對稱才能讓鏡頭更容易辨認出角色的左右。但是也不能差別太大，太大了左右胳臂的動作會有偏差。

（3）動作捕捉。動作捕捉的過程是一個較為簡單的操作過程，演員根據動畫劇本的要求，盡量好的完成動作的表演，動作捕捉的操作人員此時記錄下演員的動作數據即可。

（4）動作匹配。下面的工作是將之前做好的角色與動作數據匹配，讓動作數據驅動骨骼生成動畫。打開Motionbuilder軟件，首先導入動作捕捉數據，將Actor與動作數據形體位置對應好。然后進行匹配。打開Navigator > Actor Settings > Marker Settings > Create創建角色設置。

接下來將動作數據點一一對應地拖到Actor Settings里面人物模型的適當位置里，進行動作數據點與之所驅動的部位匹配。匹配完成之后勾選 Active，這樣動作數據就和Actor建立了關系。現在的動作數據就可驅動角色做動作了。

接下來將我們之前在MAYA中所做的角色導入Motionbuilder，與匹配好的帶動作信息的Actor相關聯。J下面，之前在maya中制作的角色就可在動作捕捉的數據驅動下運動起來了。最終，我們通過光學動作捕捉的制作，得出一個三維動畫動作制作效率對比（以6人工作小組為參照）：

可見，動作捕捉技術的應用在縮短制作周期、降低制作成本、提高制作效率方面發揮了積極有效的作用。

4 結束語

在影視動畫的制作過程中，動作的制作是非常耗時耗力耗資的工作。三維動畫的動作是一門技術，其中人物說話的口型變化、喜怒哀樂的表情、走路動作等，都要符合自然規律，制作要盡可能細膩、逼真。動捕捉系統最大的特性就是高效率，可以將傳統制作動畫的效率提高百倍。隨著動作捕捉技術的不斷完善，光學動作捕捉將會得到越來越廣泛的應用。

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