Kinect骨骼數(shù)據(jù)驅(qū)動的實時角色動畫實驗教學(xué)設(shè)計

摘要：針對動作捕捉技術(shù)教學(xué)實驗實施不便、實驗設(shè)備搭建和維護麻煩等問題，提出利用Kinecc鏡頭采集骨骼運動數(shù)據(jù)，實時驅(qū)動三維虛擬角色動作并記錄輸出動畫的方法，論述實時角色動畫實驗教學(xué)設(shè)計過程。

關(guān)鍵詞：實時角色動畫；Kinect鏡頭；實驗教學(xué)；教學(xué)設(shè)計

0.引言

隨著增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實和動作捕捉等高級計算機視覺技術(shù)的發(fā)展，計算機三維動畫的應(yīng)用范圍日益寬廣，在建筑場景交互展示、城市虛擬規(guī)劃、工業(yè)產(chǎn)品展示、角色動畫等領(lǐng)域均有較大市場，特別是《阿凡達》《變形金剛》《星球黎明》等一系列融合了三維建模、動作捕捉等計算機三維動畫技術(shù)的電影熱映以后，以動作捕捉技術(shù)為核心，演員實時驅(qū)動三維虛擬角色進行動作，記錄生成動畫的角色動畫制作方式變得流行。

目前各個高校開設(shè)的三維動畫課程在角色動畫部分都以講授傳統(tǒng)動畫技術(shù)為主，大致分為關(guān)鍵幀動畫技術(shù)和渲染輸出技術(shù)兩大模塊，對上述新興的實時角色動畫制作技術(shù)較少涉及。

1.動作捕捉與實時角色動畫技術(shù)的特點

近年來，隨著在動畫制作、影視特效、體感交互等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，動作捕捉及實時角色動畫技術(shù)取得了長足發(fā)展。目前普遍應(yīng)用的運動捕捉方式為電磁式和光學(xué)式兩大類，無論使用哪種，一般都要求演員穿著專業(yè)的運動捕捉服記錄動作，如圖1所示。

運動捕捉基于計算機圖形學(xué)原理，通過傳感器——光學(xué)攝像頭或電磁傳感器將運動物體（如人）的運動狀態(tài)記錄下來，最終得到基于時間維度的各個觀測點的三維空間坐標(biāo)，其運動數(shù)據(jù)質(zhì)量的高低取決于捕捉觀測點的準(zhǔn)確程度，因此在對運動狀態(tài)記錄精度要求較高的應(yīng)用（如大型電影、面部表情動畫、運動分析、精細肢端動作交互等）中均需使用專業(yè)運動捕捉服裝并在服裝上準(zhǔn)確設(shè)置觀測點標(biāo)志，如光學(xué)式捕捉系統(tǒng)用的反光球或電磁式傳感器與電纜。

上述動作捕捉得到的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)精度較高，實時l生好，《變形金剛》《星球黎明》等電影的拍攝普遍采用此種方式。但對于教學(xué)實驗而言，角色動畫實驗學(xué)時有限，每次實驗都穿著服裝并進行標(biāo)定并不現(xiàn)實；同時，動作捕捉服裝及其附件價格較高，受設(shè)備數(shù)量和維護需要等限制也難以在本科生課程實驗中應(yīng)用。

2.基于Kinect鏡頭的實時角色動畫實驗環(huán)境搭建

微軟發(fā)布的Kinect價格較低，能實時采集RGB彩色圖像和深度數(shù)據(jù)并可同時提供兩人的骨骼數(shù)據(jù)追蹤，鏡頭采用USB口與計算機相連，即插即用，硬件設(shè)置簡單易行，如圖2所示。

Kinect鏡頭可用于體感捕捉的原因是：設(shè)備本身提供了可以采集對象在立體空間中的深度信息的鏡頭組。基于Kinect鏡頭和計算機平臺的實時角色動畫制作實驗開發(fā)環(huán)境可以用圖3表示。

上圖中層①為硬件基礎(chǔ)層，核心部件是Kinect的傳感器，包括鏡頭角度驅(qū)動馬達、攝像頭和麥克風(fēng)陣列。實驗中主要用到的是鏡頭組。Kinect的鏡頭共有2個，一個用于RGB彩色圖像采集，一個用于深度信息采集。還有一個紅外發(fā)射器，具體的原理可以參閱微軟公司的Kinect產(chǎn)品網(wǎng)頁。

層②為鏡頭設(shè)備的驅(qū)動層，設(shè)備通用性較高，開發(fā)系統(tǒng)具有良好的平臺移植能力。Kinect鏡頭的驅(qū)動安裝非常簡單，需要調(diào)用的部分主要是設(shè)備訪問、視頻流控制和鏡頭組堆棧。

層③是自然人機接口NUI的API部分，也包括有音頻識別等功能的API。

要實現(xiàn)骨骼數(shù)據(jù)的實時傳輸，需要借助微軟發(fā)布的Kinect SDK，這個二次開發(fā)包中提供了軟件類庫和開發(fā)工具，通過它可以捕獲體感交互中需要的自然數(shù)據(jù)，如人體的骨骼信息（動作信息）、深度信息（距離信息）、圖像信息等。Kinect鏡頭采集的骨骼數(shù)據(jù)如圖4所示。

3.Kinect骨骼數(shù)據(jù)驅(qū)動的實時角色動畫實驗教學(xué)設(shè)計

筆者以三維動畫設(shè)計課程中的“角色動畫制作實驗項目”為例，給出實時角色動畫實驗教學(xué)設(shè)計。

3.1實驗項目概述

傳統(tǒng)的角色動畫實驗教學(xué)中主要利用3DSMax軟件中的骨骼動畫技術(shù)完成角色動作的關(guān)鍵幀編輯，完成后將動作存儲為BIP文件，最后綁定角色模型和BIP動作并渲染生成動畫。筆者給出的方法主要是利用Kinect鏡頭實時采集演員動作并生成BVH動作數(shù)據(jù)，通過3DSMax腳本加載后實時驅(qū)動綁定好骨骼的角色模型，進而記錄為動畫。使用該方法，學(xué)生實驗操作簡單易行，能體會到流行的實時角色動畫制作流程，調(diào)動學(xué)習(xí)熱情，為學(xué)生進一步學(xué)習(xí)高級角色動畫技術(shù)打下基礎(chǔ)。

3.2實驗關(guān)鍵步驟

（1）設(shè)備連接：Kinect硬件連接后利用系統(tǒng)中安裝的Kinect for windows Developer Toolkit進行測試，可以通過調(diào)用其中的Skeleton Basic.WPF來進行，以正確顯示綠色的骨骼線條。

（2）角色導(dǎo)入：打開3DSMax軟件，加載角色模型（已綁定好骨骼BIPED），加載實時BVH腳本。

（3）實時動作捕捉：實驗演員在Kinect鏡頭前的有效范圍內(nèi)（離鏡頭1.4～3.8米）按預(yù)先編排的動作腳本進行動作。

（4）保存動作文件：設(shè)置渲染器并渲染輸出動畫。

Kinect骨骼數(shù)據(jù)驅(qū)動的實時動畫制作如圖5所示。

3.3實驗設(shè)計

本實驗需6學(xué)時，分兩次課進行，中間間隔1周，學(xué)生有較充分的課下準(zhǔn)備時間。第1次課要求學(xué)生熟悉硬件設(shè)備環(huán)境和操作規(guī)程，完成角色模型的骨骼綁定對齊。第2次課要求學(xué)生進行實時動作捕捉并輸出結(jié)果，除了得到動畫視頻文件外，還可以得到相應(yīng)的動作文件BIP或BVH。

通過本次實驗項目實踐，學(xué)生將完整掌握Kinect骨骼數(shù)據(jù)驅(qū)動的實時角色動畫制作技術(shù)，熟悉動作數(shù)據(jù)文件處理，為將來進行大型或精細動作的角色動畫制作打下基礎(chǔ)。實驗項目同時培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新性思維，使學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容緊跟技術(shù)的發(fā)展。

4.結(jié)語

實時角色動畫制作技術(shù)與傳統(tǒng)的關(guān)鍵幀編輯制作方法相比，具有效率高、效果好、制作周期短等優(yōu)勢，有較廣泛的應(yīng)用市場。該實驗教學(xué)設(shè)計在學(xué)院3個專業(yè)、共計4輪的三維動畫設(shè)計教學(xué)中進行了實踐，深受師生歡迎。由于Kinect鏡頭成本低廉，動作捕捉時無須穿著專業(yè)捕捉服裝，實驗容易實施，且設(shè)備安裝維護方便，實驗效果良好；通過結(jié)合實際動畫制作項目，構(gòu)造虛擬教學(xué)情境，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和參與度，實現(xiàn)了科技化教學(xué)。