淺談Kinect與3DSMAX整合技術(shù)在三維動(dòng)畫(huà)中的應(yīng)用

王濤　范坤明

摘 要：三維動(dòng)畫(huà)制作及教學(xué)內(nèi)容中，角色的動(dòng)作生成是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。筆者提出利用Kinect和3DSMAX整合技術(shù)，通過(guò)Kinect的動(dòng)作捕捉技術(shù)，使用戶(hù)的動(dòng)作與模型的動(dòng)作產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)，生成關(guān)鍵幀，然后將這些關(guān)鍵幀制作動(dòng)畫(huà)，并把這種方法運(yùn)用到實(shí)際教學(xué)中。

關(guān)鍵詞：Kinect；3DSMAX；三維動(dòng)畫(huà)

截至2014年底我國(guó)動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值已經(jīng)超過(guò)1000億元，國(guó)內(nèi)核心二次元用戶(hù)規(guī)模達(dá)到4984萬(wàn)人，而泛二次元用戶(hù)規(guī)模達(dá)到1億人。隨著國(guó)內(nèi)動(dòng)漫行業(yè)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，動(dòng)畫(huà)電影，特別是三維動(dòng)畫(huà)電影作品越來(lái)越多地受到投資者和觀眾的青睞，涌現(xiàn)了一大批諸如《瘋狂動(dòng)物城》《功夫熊貓3》《西游記之大圣歸來(lái)》等優(yōu)秀作品，具有廣闊的發(fā)展前景。受此影響，國(guó)內(nèi)對(duì)于三維動(dòng)畫(huà)制作人才的需求也在逐年增加。各大高校也把三維動(dòng)畫(huà)制作引入課堂，開(kāi)設(shè)了相關(guān)課程進(jìn)行教學(xué)。

如今三維動(dòng)畫(huà)制作教學(xué)的主要內(nèi)容包括角色和場(chǎng)景制作兩大部分。針對(duì)角色制作部分又細(xì)分為角色模型創(chuàng)建、貼圖材質(zhì)繪制、骨骼綁定及蒙皮、動(dòng)作制作及關(guān)鍵幀生成、后期動(dòng)畫(huà)合成等幾個(gè)模塊。其中針對(duì)角色動(dòng)作制作及關(guān)鍵幀生成的內(nèi)容，課程教學(xué)的關(guān)鍵在于教授學(xué)生如何制作角色動(dòng)作，并利用關(guān)鍵幀記錄角色的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。所謂關(guān)鍵幀，是指角色或者物體運(yùn)動(dòng)或變化中的關(guān)鍵動(dòng)作所處的那一幀。在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生根據(jù)事前決定的故事內(nèi)容，通過(guò)手動(dòng)調(diào)整角色在某一時(shí)刻各個(gè)骨骼關(guān)節(jié)的位置制作角色的動(dòng)作，并通過(guò)軟件將此幀的內(nèi)容記錄下來(lái)作為一幀關(guān)鍵幀。重復(fù)以上操作，在完成所有關(guān)鍵幀之后，學(xué)生可以通過(guò)軟件自動(dòng)創(chuàng)建關(guān)鍵幀之間的過(guò)渡幀，從而將角色的動(dòng)作連貫起來(lái)，合成完整的動(dòng)畫(huà)。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間調(diào)節(jié)角色的動(dòng)作，結(jié)果仍然經(jīng)常出現(xiàn)動(dòng)作不到位甚至變形的情況，大大影響了動(dòng)畫(huà)制作的效率和最終結(jié)果。

因此，筆者利用Kinect和3DSMAX整合技術(shù)，提出一種三維動(dòng)畫(huà)角色動(dòng)作制作過(guò)程中的教學(xué)新方法。通過(guò)讓學(xué)生使用Kinect設(shè)備識(shí)別自身的骨骼關(guān)節(jié)，將其與3DSmax中預(yù)先制作好的模型骨骼關(guān)節(jié)進(jìn)行匹配。通過(guò)Kinect動(dòng)作捕捉技術(shù)捕捉學(xué)生動(dòng)作，將動(dòng)作映射到上面使模型產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)，再由3DSMAX記錄為關(guān)鍵幀，然后利用這些關(guān)鍵幀生成過(guò)渡幀，最終合成動(dòng)畫(huà)。

1 Kinect原理簡(jiǎn)介

Kinect是一款由微軟研發(fā)，最早針對(duì)XBOX游戲平臺(tái)的體感周邊外設(shè)產(chǎn)品。[1]憑借其自身卓越的動(dòng)作捕捉和識(shí)別性能和相對(duì)低廉的成本，迅速為人們所關(guān)注和熟識(shí)。Kinect不需要使用任何控制器，只需要通過(guò)內(nèi)置的紅外投影機(jī)和紅外攝像頭接收紅外光點(diǎn)陣[2]生成深度數(shù)據(jù)圖，然后對(duì)得到的深度數(shù)據(jù)圖中通過(guò)邊緣檢測(cè)、噪聲閾值處理等操作區(qū)分背景和人體輪廓，將人物從背景圖像中剝離出來(lái)。接著Kinect將人物輪廓中的人體部位信息與預(yù)存在機(jī)器中的人體部位學(xué)習(xí)樣本進(jìn)行匹配，識(shí)別不同的人體部位和關(guān)節(jié)位置。對(duì)于一些如手、腳等可能被遮擋的身體部位，Kinect可以通過(guò)其他關(guān)節(jié)推算被遮檔部位的關(guān)節(jié)位置從而得到完整的骨骼關(guān)節(jié)圖，最后對(duì)這些骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤，實(shí)時(shí)記錄人體的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)變化情況。[3]如圖1所示，左圖為Kinect拍攝到的彩色圖像，右半部分為得到的深度數(shù)據(jù)圖。圖中綠色線條為kinect識(shí)別出的人體骨骼信息。從結(jié)果我們可以看出人體與背景被清晰地區(qū)分開(kāi)來(lái)，人體的各部分信息及骨骼關(guān)節(jié)也被清楚地識(shí)別了出來(lái)。

2 3DSMAX原理簡(jiǎn)介

3D Studio Max是當(dāng)今主流的基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作軟件，廣泛應(yīng)用于三維模型、三維動(dòng)畫(huà)制作過(guò)程中。[4]在實(shí)際的教學(xué)中，我們利用3DSMAX軟件完成三維角色模型制作、動(dòng)作編輯、動(dòng)畫(huà)合成等一系列操作，一般包括以下幾個(gè)方面：第一，角色模型制作，俗稱(chēng)建模；第二，為模型增加材質(zhì)和紋理貼圖；第三，為角色綁定骨骼，蒙皮并根據(jù)動(dòng)畫(huà)內(nèi)容制作角色動(dòng)作的關(guān)鍵幀；第四，利用關(guān)鍵楨生成過(guò)渡幀；第五，完成后期動(dòng)畫(huà)合成。關(guān)于角色骨骼綁定，3DSMAX軟件主要采用BIPED骨骼和BONE骨骼兩種骨骼。BIPED骨骼具有一個(gè)完整的人形形態(tài)，具有頭、頸、軀干、四肢等各個(gè)部分，適合表示包括人類(lèi)在內(nèi)的兩足生物的骨骼。BONE骨骼為單獨(dú)分離的骨骼片段，用戶(hù)根據(jù)角色的形態(tài)和實(shí)際需要通過(guò)連接不同的骨骼片段組成一副完整的骨骼關(guān)節(jié)模型，從而實(shí)現(xiàn)形狀各異的生物的骨骼模擬。用戶(hù)根據(jù)實(shí)際情況選擇BIPED骨骼和BONE骨骼來(lái)綁定角色模型。

3 Kinect和3DSMAX整合技術(shù)

Kinect與3DSMAX整合技術(shù)的核心原理是將人視為控制器，利用Kinect采集人體信息，識(shí)別人體的骨骼和關(guān)節(jié)。另外，利用3DSMAX軟件根據(jù)動(dòng)畫(huà)內(nèi)容預(yù)先制作角色模型并綁定骨骼，將骨骼和關(guān)節(jié)與Kinect得到的人體骨骼和關(guān)節(jié)一一匹配，形成關(guān)聯(lián)映射。用戶(hù)根據(jù)動(dòng)畫(huà)內(nèi)容，完成各種動(dòng)作，Kinect記錄用戶(hù)的動(dòng)作，并將骨骼關(guān)節(jié)信息傳輸給3DSMAX軟件，使角色模型的動(dòng)作也產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的變化，即由用戶(hù)的動(dòng)作來(lái)操縱角色模型的動(dòng)作，從而達(dá)到用戶(hù)動(dòng)作與角色動(dòng)作的互動(dòng)與同步。因?yàn)镵inect無(wú)法直接與3DSMAX兼容，所以我們采用“Kinect+OpenNI+3DSMAX”系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)Kinect與3DSMAX之間的數(shù)據(jù)通信。OpenNI由一組可用來(lái)編寫(xiě)通用自然交互應(yīng)用的接口組成，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的通信方式，實(shí)現(xiàn)軟件的視頻、音頻數(shù)據(jù)的交互。

接下來(lái)，我們通過(guò)3dsmax自帶的儲(chǔ)存關(guān)鍵幀功能，編寫(xiě)腳本自動(dòng)記錄下一系列關(guān)鍵幀。本文中筆者采用每隔一段時(shí)間自動(dòng)設(shè)置關(guān)鍵幀的辦法記錄使用者的動(dòng)作。假設(shè)整個(gè)動(dòng)作時(shí)間為T(mén)幀，時(shí)間間隔為t幀（0

圖2，左圖為Kinect記錄的使用者的動(dòng)作深度圖像，右圖為3dsmax中模型的動(dòng)作圖。從結(jié)果可以看出，右圖中模型動(dòng)作與使用者動(dòng)作一致，且能隨使用者動(dòng)作變化發(fā)生相對(duì)應(yīng)的改變。

4 在實(shí)際的教學(xué)中的應(yīng)用

為了驗(yàn)證新方法在實(shí)際教學(xué)中的效果，我（下轉(zhuǎn)第頁(yè)）（上接第頁(yè)）們針對(duì)動(dòng)畫(huà)專(zhuān)業(yè)兩個(gè)年級(jí)學(xué)生（每個(gè)年級(jí)50人左右），分別采取傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫(huà)教學(xué)方法和Kinect和3DSMAX整合技術(shù)的教學(xué)方法，在一學(xué)期的時(shí)間內(nèi)完成角色骨骼綁定、蒙皮、動(dòng)作制作等內(nèi)容的教學(xué)。課堂上使用3DSMAX2014版本，主要使用biped骨骼模型進(jìn)行試驗(yàn)。制作一個(gè)簡(jiǎn)單動(dòng)作的角色動(dòng)畫(huà)（跑步、行走），使用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，手動(dòng)調(diào)節(jié)角色動(dòng)作的學(xué)生大約需要1個(gè)小時(shí)，而使用Kinect和3DSMAX整合技術(shù)的學(xué)生只需要5～10分鐘即可完成。從制作效果來(lái)看，基于Kinect和3DSMAX整合技術(shù)制作出的模型動(dòng)作略好于使用傳統(tǒng)教學(xué)制作出的動(dòng)作。由此可見(jiàn)，采用Kinect和3DSMAX整合技術(shù)，能夠在保證角色動(dòng)作質(zhì)量的基礎(chǔ)上，節(jié)省學(xué)生花費(fèi)的時(shí)間，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率和積極性。利用Kinect和3DSMAX整合技術(shù)，我們?cè)诮虒W(xué)中收到了很好的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

相比于傳統(tǒng)的動(dòng)畫(huà)制作技術(shù)，基于Kinect與3DSMAX整合技術(shù)能夠大大提高三維動(dòng)畫(huà)學(xué)習(xí)和制作的效率。以后的研究方向包括如何利用Kinect與3DSMAX整合技術(shù)完成人形角色的復(fù)雜動(dòng)作以及非人形角色的動(dòng)作模擬，進(jìn)一步提高識(shí)別和制作動(dòng)作的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉晉鋼，劉衛(wèi)斌，劉晉霞.Kinect與Unity3D數(shù)據(jù)整合技術(shù)在體感游戲中的應(yīng)用研究[J].電腦開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2014.

[2] 鄭立國(guó)，羅江林，許舸.基于Kinect的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2013.

[3] 鄔冠上.基于Kinect的交互式健身游戲的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（工程管理與信息技術(shù)學(xué)院），2014.

[4] 黃靜，張紅忠. 3DSMAX在虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息，2013.

作者簡(jiǎn)介：王濤（1984—），男，山西臨縣人，博士，講師，研究方向：數(shù)字藝術(shù)，視覺(jué)傳達(dá)。

通訊作者：趙怡，四川大學(xué)藝術(shù)學(xué)院教師。