動(dòng)作捕捉技術(shù)的類型特征分析

譚欣

摘要：本文首先梳理了動(dòng)作捕捉技術(shù)的現(xiàn)狀，分析四種類型的動(dòng)作捕捉技術(shù)，并探索每一類型的捕捉技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)。綜合比較幾種主要方案的特點(diǎn)，有助于為業(yè)界在選擇動(dòng)作捕捉技術(shù)方面提供一個(gè)更優(yōu)化的選擇。

關(guān)鍵詞：動(dòng)作捕捉技術(shù);傳感器;技術(shù)類型

動(dòng)作捕捉是一種特殊的效果技術(shù)，在近10年漸漸的開花結(jié)果，它被的簡(jiǎn)稱是“mocap”（motion capture）。記錄生物個(gè)體的真實(shí)的細(xì)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)向虛擬平臺(tái)軟件傳送數(shù)據(jù)，并將其應(yīng)用于三維模型的技術(shù)。使用此技術(shù)可以為虛擬的角色提供逼真的，具有生物細(xì)膩特征的動(dòng)作。基于 動(dòng)作捕捉技術(shù)的出色適用性，它現(xiàn)在廣泛的應(yīng)用在電影、娛樂、電子游戲、體育、醫(yī)療保健甚至軍事領(lǐng)域。隨著美國好萊塢的科幻電影和現(xiàn)實(shí)的電子游戲在世界范圍內(nèi)流行，以“阿凡達(dá)”和“最終幻想”等形成文化現(xiàn)象的電影和游戲?yàn)槊浇椋瑒?dòng)作捕捉等電影和動(dòng)畫的特殊效果和廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)游戲的技術(shù)越來越切身。但是，它是從哪里產(chǎn)生的呢？這種乍一看很巧妙，細(xì)微的技術(shù)是在多么短的時(shí)間內(nèi)在整個(gè)社會(huì)的各種水平上被傳承下來的呢？這些都是需要我們探索的地方。

一、動(dòng)作捕捉技術(shù)的概況

為了能夠更好的理解動(dòng)作捕捉技術(shù)伴隨著技術(shù)的發(fā)展給現(xiàn)代世界帶來了多么大的影像，需要我們了解的一點(diǎn)還包括動(dòng)作捕捉技術(shù)的起源。一般來說動(dòng)作捕捉的起源被認(rèn)為是1915年的時(shí)候，費(fèi)舍爾Fleischer（Fleischer）發(fā)明的“影像描摹”（rotoscope），這個(gè)技術(shù)是在動(dòng)畫制作中產(chǎn)生的技術(shù)之一。 藝術(shù)家通過細(xì)致的描繪，使用向他們播放的真人視頻剪輯中的各幀的靜止畫面，模擬虛擬世界中動(dòng)畫人物的真實(shí)表演。 這個(gè)過程本身就是枯燥無味的。 但是，對(duì)于這些動(dòng)畫制作者們來說，感到幸運(yùn)的，也是值得紀(jì)念的是1983年MIT（麻省理工大學(xué)）開發(fā)的一組牽線木偶的圖形。 該系統(tǒng)使用被稱為“Op-Eye”的傳統(tǒng)光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，通過依賴一系列發(fā)光二極管制作動(dòng)作來生成動(dòng)畫腳本。 從本質(zhì)上來講，創(chuàng)造出來的這一套牽線木偶被用作最初的“動(dòng)作捕捉服裝”的組套。 它有一個(gè)數(shù)量有限的感應(yīng)球，這些感應(yīng)球可以根據(jù)指定的人體結(jié)構(gòu)中重要的骨骼點(diǎn)進(jìn)行位置的確定。這種技術(shù)的誕生，迅速地為動(dòng)作捕捉在其后的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，提供了追蹤后續(xù)各種動(dòng)作捕捉的方向，引領(lǐng)了包括今天的動(dòng)作捕捉技術(shù)在內(nèi)的其后的動(dòng)作捕捉技術(shù)的熱潮。

現(xiàn)在，一提到動(dòng)作捕捉，就會(huì)想起在黑色緊身衣上，在人的全身的關(guān)鍵部位配置白色感應(yīng)球的畫面。實(shí)際上，動(dòng)作捕捉技術(shù)這套系統(tǒng)是基于早期的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)而來的，它最新的發(fā)展其實(shí)也是上文所提到的牽線木偶系統(tǒng)的遺產(chǎn)。盡管如此，該規(guī)格與最新的無感應(yīng)點(diǎn)動(dòng)作掃描技術(shù)相比來說也是稍顯老舊的。微軟在游戲主機(jī)xbox360上使用的技術(shù)“kinect”，完全可以不通過傳感器點(diǎn)的作用，就能掃描捕捉到對(duì)象所有的細(xì)膩動(dòng)作。

二、 動(dòng)作捕捉技術(shù)的類型與特點(diǎn)

在新媒體時(shí)代，伴隨著科技技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在主流的動(dòng)作捕捉技術(shù)主要有五類，即分為光學(xué)式、機(jī)械式、電磁式、聲學(xué)式和視頻捕捉式，下文將分別對(duì)這五類動(dòng)作捕捉技術(shù)進(jìn)行探索，分析每一類技術(shù)的特點(diǎn)，為業(yè)界提供不同類型動(dòng)作捕捉技術(shù)更細(xì)致的認(rèn)識(shí)。

（一）光學(xué)式動(dòng)作捕捉

在當(dāng)前廣泛使用的方法中，光學(xué)式動(dòng)作捕捉技術(shù)主要是通過光點(diǎn)（Marker）監(jiān)視和跟蹤來完成的。它的運(yùn)行原理主要是依賴于不同的攝像機(jī)在固定空間中的位置，只要捕捉到對(duì)象特定光點(diǎn)（Marker），并對(duì)其進(jìn)行追蹤，就能執(zhí)行對(duì)象動(dòng)作捕捉。

光學(xué)式動(dòng)作捕捉具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，表演者，也就是需要被捕捉到動(dòng)作的對(duì)象，其動(dòng)作幅度大，并且沒有線纜和一些復(fù)雜的機(jī)械裝置束縛在對(duì)象上，其表演動(dòng)作是自由的;其次，采樣速率很高，通常以每秒60幀，這樣的速率已經(jīng)基本能夠滿足絕大多數(shù)動(dòng)作捕捉的需要來。第三，相對(duì)其它方式在價(jià)格上來看，Maker較為便宜，系統(tǒng)擴(kuò)展的成本也相對(duì)比較低。

光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)也有一些缺點(diǎn)：首先，雖然Maker相對(duì)便宜，但整個(gè)系統(tǒng)的整體造價(jià)較高，一般來說完整、典型的光學(xué) 動(dòng)作捕捉系統(tǒng)是由32臺(tái)左右的攝像機(jī)構(gòu)成的，同時(shí)具有巨大又復(fù)雜的后處理設(shè)備，通常完整的光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)組的價(jià)格高達(dá)數(shù)十萬或數(shù)百萬;其次，光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的要求相對(duì)較高，表演對(duì)象的活動(dòng)空間范圍是有限的。由于對(duì)于光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)來說，其對(duì)場(chǎng)地的照明情況和反射情況非常敏感，并且容易導(dǎo)致Marker采樣錯(cuò)誤，因此對(duì)場(chǎng)地的限制度很高。另外，由于攝像機(jī)分布的時(shí)候需要一定的空間，所以動(dòng)作捕捉多限定在室內(nèi)條件下進(jìn)行。由于動(dòng)作捕捉所需的場(chǎng)地不大，這一原因限制了需要制作大范圍運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作捕捉內(nèi)容。第三，光學(xué)動(dòng)作捕捉在后期制作上需要的成本較大，實(shí)時(shí)性不好。 由于在動(dòng)作中各Marker容易相互混淆或遮擋，會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的動(dòng)作捕捉結(jié)果，因此需要人工介入后處理數(shù)據(jù)。

（二）機(jī)械式動(dòng)作捕捉

這是指需要使用機(jī)械裝置才能完成運(yùn)動(dòng)信息的采集。想要運(yùn)用典型的機(jī)械動(dòng)作捕捉系統(tǒng)捕捉對(duì)象的形態(tài)，需要通過安裝在每個(gè)關(guān)節(jié)上的角度傳感器，才能完成每個(gè)時(shí)刻的關(guān)節(jié)形態(tài)的采集。

機(jī)械式動(dòng)作捕捉具有以下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，相對(duì)于光學(xué)的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)來說，對(duì)外界環(huán)境的限制相對(duì)較少，不需要受到材料，布料，光條件等外在環(huán)境的限制;其次，它的捕捉精度高，對(duì)于捕捉對(duì)象的運(yùn)動(dòng)信息可以比較精準(zhǔn)的還原其真實(shí)性;第三，由于數(shù)據(jù)處理量不大，而且實(shí)現(xiàn)捕捉的原理比較簡(jiǎn)單，能夠滿足實(shí)時(shí)動(dòng)作捕捉的需求。第四，機(jī)械式動(dòng)作捕捉的模塊是獨(dú)立的，也不會(huì)像光學(xué)式動(dòng)作捕捉一樣收到Marker的影像，因此，機(jī)械式動(dòng)作捕捉可以同時(shí)捕捉到多個(gè)對(duì)象。但機(jī)械動(dòng)作捕捉的缺點(diǎn)是，對(duì)捕捉對(duì)象的動(dòng)作有所限制，若捕捉對(duì)象的動(dòng)作太大，則不臺(tái)適合使用機(jī)械式動(dòng)作捕捉。

（三）電磁式動(dòng)作捕捉

它也是目前常用的解決方案。該系統(tǒng)主要由電磁發(fā)射源，接收傳感器和數(shù)據(jù)處理單元組成。其運(yùn)作原理是，首先，電磁發(fā)射源產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，這個(gè)電磁場(chǎng)是低頻空間穩(wěn)定分布的。其次，捕捉對(duì)象需要佩戴若干個(gè)接收傳感器，這個(gè)傳感器主要是用來感應(yīng)對(duì)象在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。接受傳感器將磁場(chǎng)線切開，用來模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并將信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理單元中去，從而幫助數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)剛剛接收到的信號(hào)推算出每個(gè)傳感器的空間方向。

電磁動(dòng)作捕捉有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)比較成熟了，且成本較低;二是同機(jī)械式動(dòng)作捕捉一樣可以進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉。電磁式 動(dòng)作捕捉的缺點(diǎn)：首先是對(duì)于像跑步這種高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的捕捉效果來說會(huì)出現(xiàn)失真的情況。

（四）聲學(xué)動(dòng)作捕捉

聲學(xué)動(dòng)作捕捉是由超聲發(fā)生器，接收器和處理單元組成。其原理是首先由超聲波發(fā)生器不斷地向外放出超聲波，3～4個(gè)超聲波探頭構(gòu)成了接收器的內(nèi)部，根據(jù)超聲波到達(dá)不同探頭之前的時(shí)間差去計(jì)算對(duì)應(yīng)接收器的空間位置以及其運(yùn)動(dòng)方向。

聲學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)可利用超聲的透射性解決人體遮蔽問題，且成本較低。但其缺點(diǎn)也較為明顯，首先是捕捉存在較大的延遲，實(shí)時(shí)性差，不及前者;其次，精度不高，捕捉存在較大的誤差;第三，接收器和發(fā)射器之間若存在大的屏蔽，則會(huì)影響聲波傳輸;第四，聲波的速度容易受到空氣溫度、濕度、氣壓等多種因素的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]李曉丹，肖明，曾莉.人體動(dòng)作捕捉技術(shù)綜述以及一種新的動(dòng)作捕捉方案陳述[J].中國西部科技，2011，10（15）：35 -37.

[2]周飛.深入淺出動(dòng)作捕捉技術(shù)[J].湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院學(xué)報(bào)（人文社會(huì)科學(xué)版），2013，10（12）：25-26.