探討機器學習技術和視覺技術在三維人體動畫中的應用

隨著我國數字媒體處理技術的進步和計算機硬件成本的下降，使得計算機動畫技術和應用得到了廣泛的應用。尤其是三維人體動畫領域，使用運動捕獲設備能夠得到較多的真實感三維人體運動資源，在運動仿真、影視特技、動畫生成、計算機游戲和虛擬現實等方面應用較多。三維人體動畫技術主要分為隨著運動捕獲系統的應用所生成的基于捕獲數據的人體動畫制作技術和以傳統二維計算機動畫技術為基礎產生的模型動畫兩種。第一種是以真實感三維運動數據作為基礎，使用數據驅動方法生成三維人體動畫，是一種數據驅動的動畫制作方法，主要包含運動捕獲數據的合成、編輯、重用等。第二種是以教學模型為基礎制作滿足用戶要求的動畫，是一種模型動畫制作手段，主要包含動力學、物理學、運動學知識的關節動畫技術、關鍵幀動畫技術等。

一、三維人體運動數據的捕獲

使用計算機技術中的運動捕獲技術完成動畫的創作是目前動畫技術中使用較多的技術。采取該種較為先進的創作方法能夠對需要的數據獲得起到簡化的效果，并且具有真實、精準等特點，和傳統技術相比較，在制作的過程中較為快捷、簡便。使用該技術可以將已經捕獲的人體動態數據上傳到已經創建完成的三維立體模型中，使模型能夠自動的產生需要的播放順序。

目前計算機動畫領域中應用較為廣泛的技術是光學運動捕捉系統，英國、美國等國家均已較為完善的使用該技術進行創作，我國目前也研究出一種低成本的系統，該種系統能夠自動的在需要記錄形態物體上進行反光標記，使用多角度、高倍的攝像機對該物體進行追蹤拍攝，捕捉動作，之后使用一定的方法對兩種影像融合在一起，按照計算機的視覺技術對捕獲的數據進行重新組合，使動畫達到逼真的效果要求。然而因為該種設備價格較高，因此在一定程度上阻礙了該種技術的廣泛應用。

目前較為常見的捕捉技術主要分為兩種：一種是利用統計學習的方法創作人體運動捕捉技術，先選定一段視頻，將其中人物在沒有標記的狀況下恢復本來形態，該過程屬于逆反操作，為了解決這個問題，需要對檢驗模型和控制模型的方法進行學習。另一種是按照視覺的方式創作運動捕捉技術，利用視覺的方式提取額物體運動時的數據，經過一定的分析滿足制作動畫的要求。

二、運動數據預處理

因為受到捕獲誤差和條件的影響，或者是為了對某特定應用要求進行滿足，使得捕獲到的三維人體運動數據需要進行處理后才可以在三維人體動畫創作中應用。運動數據預處理主要包含運動順序識別、分割、關鍵幀提取、運動數據壓縮、真實或者是自然感三維人體運動數據評估、數據中缺失特征重建。由于三維人體運動數據的本質是多媒體數據的一種，所以在分析和理解多媒體內容中較多使用的機器學習技術也可以在三維人體運動數據處理中進行使用。

三、運動數據重組

在三維人體動畫創作中最重要的內容是對已經有的數據重組性進行提高，尤其是在運動捕獲設備和人體運動數據庫中的應用情況，可以有效的為運動數據重組技術提供可靠的數據依據。運動數據重組技術的本質是數據驅動的運動生成技術一種，由于其具備該特點，所以近幾年來流行學習、統計學習、子空間分析等機器學習技術被廣泛的應用，主要是分析已經存在的三維人體運動數據、對新生成的運動數據進行指導和學習。

四、行為動畫的產生

實現智能化、自動化的人體行為動畫產生是計算機動畫，尤其是三維人體動畫創作中的一個重要內容。據相關研究表明，部分研究人員通過對行為模型的構建來實現對虛擬角色行為動畫產生的指導，也有部分研究人員利用對具有自主決策能力的自治體進行構建，從而實現行為動畫的產生。

五、總結

計算機動畫是計算機圖形學中的研究內容，然而從技術角度出發，三維人體動畫創作中包含了人工智能、認知科學、機器學習、計算機圖形學、計算機視覺等內容，是一個融合了多學科技術的研究范疇。目前機器學習技術和視覺技術已經快速的融入到了人體動畫研究領域，是未來人體動畫研究的重要發展方向，后期動畫制作方面和動畫制作素材捕獲方面是今后后期制作技術需要突破的研究內容。從制作動畫本身出發，機器學習技術和視覺技術已經完全可對人物表情模擬進行實現，對三維人體動畫技術的發展起到了十分重要的推動作用。

（作者單位：蘭州大學）