光学式动作捕捉在三维动画中的应用

摘 要：随着电影工业的发展，三维动画制作技术的应用已经越来越广泛了，同时作为21世纪朝阳产业的动画产业近年来备受国家的重视。动画制作技术是动画产业中极为重要的环节之一，对当前动画产业的大步前进有着重要作用。作为一项动画制作技术――动作捕捉在国内的应用已越来越被重视。在纷繁复杂的动作捕捉系统中有着许多技术分类，特别以光学式动作捕捉仪为代表。动作捕捉技术的广泛应用体现了中国动画技术硬件实力的提升。

关键词：光学式动作捕捉；三维动画；动画生产

0 引言

影视动画技术日新月异的发展无疑是造就一个个虚拟世界的现实条件，无论是影响一代人的《星战》系列，还是风靡世界的《阿凡达》，大导演们天马行空的想象在荧屏上变成绚丽多彩的视觉奇观，均得益于计算机三维动画技术的发展。不少好莱坞商业电影中虚拟角色的动作表演细腻到与现实真假难辨，几乎每一次都成功迷惑观众挑剔的眼睛。殊不知，这些虚拟演员表演的成功大都归功于动作捕捉设备――通过动作捕捉设备采集真人演员的动作数据，为虚拟演员的逼真表演提供了基础和前提。

本文通过研究动作捕捉技术在影视动画中的应用，阐述动作捕捉技术在动画制作中的应用过程，并在分析三维动画制作流程的基础上，探索动作捕捉在动画制作过程中的优势，从而提高动画制作的质量与速度。

1 三维动画

1995年皮克斯公司制作的世界上第一部全电脑制作的动画长片《玩具总动员》在全美上映，引起动画界的轩然大波。《玩具总动员》被称为是继《米老鼠》赋予动画片声音以及《白雪公主》赋予动画片色彩之后的第三次飞跃――赋予动画片3D效果。计算机三维动画从此打破动画界二维的垄断地位，并以其巨大的更新及应用潜力为全球影视动画产业不断注入活力。

三维动画与二维动画相对应，主要是以三维软件为基础制作的带有纵深及360度可视的3D动画。三维动画制作技术包括了：三维建模，材质贴图，骨骼绑定，动画制作以及灯光渲染。三维动画制作的流程：故事脚本>分镜头>设计稿>三维建模>三维动画制作>灯光渲染>后期合成>剪辑配音>输出成片。

2 光学式动作捕捉概述

“动作捕捉”英文为：“Motion capture”，Motion capture 技术涉及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面，可以由计算机直接理解处理的数据。在运动物体的关键部位设置跟踪器，由 Motion capture 系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后向用户提供可以在动画制作中应用的数据。当数据被计算机识别后，动画师即可以在计算机产生的镜头中调整、控制运动的物体。到目前为止，常用的运动捕捉技术从原理上说可分为机械式、声学式、电磁式和光学式。光学式动作捕捉通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。目前常见的光学式运动捕捉大多基于计算机视觉原理。从理论上说，对于空间中的一个点，只要它能同时为两部相机所见，则根据同一时刻两部相机所拍摄的图像和相机参数，可以确定这一时刻该点在空间中的位置。当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。

3 基于VICON系统的光学动作捕捉在三维动画制作中的应用

目前光学动作捕捉在全球主要有两大系统：一是美国的MotionanAlysis公司生产的“魔神”动作捕捉系统，二是英国Vicon公司生产的“vicon”动作捕捉系统，本文阐述基于VICON系统的光学动作捕捉在三维动画制作中的应用过程。

（1）镜头校准。在进行动作捕捉之前，要做的第一步是进行捕捉场地的镜头校准。镜头校准：VICON公司采用了动态线性技术，该技术是目前唯一能够实现高精度校准的技术。首先，使用“L”字形的杆，校准设备，确定镜头所捕获的虚拟空间的XYZ轴，同时确定软件中虚拟镜头与实际空间中的镜头保持位置的一致。然后使用500（150）毫米长的“T”字形杆创建摄像机线性参数。以便更加精准地捕捉标定点在空间中的运动轨迹。

（2）贴“Marker”点。根据之前对人体运动骨骼的分析，我们将人体分了49个部分，但是我们在做动作捕捉的时候，先不把手指考虑在内，把手看成一个整体。所以剩下的为49-30+2=21个部分。所以在贴点前我们充分考虑到：所贴的点如何才能更好地驱动骨骼。

在这里我们使用的“Maker”点数是41，头部4个点；颈1个点；大臂2个点；小臂2个点；手3个点；胸部5个点（前胸2个点，后背3个点）；臀部4个点；大腿2个点；小腿1个点；脚踝1个点；脚跟1个点；脚掌1个点；脚尖1个点。

在贴点时注意左右胳臂的不对称性，这样的不对称才能让镜头更容易辨认出角色的左右。但是也不能差别太大，太大了左右胳臂的动作会有偏差。

（3）动作捕捉。动作捕捉的过程是一个较为简单的操作过程，演员根据动画剧本的要求，尽量好的完成动作的表演，动作捕捉的操作人员此时记录下演员的动作数据即可。

（4）动作匹配。下面的工作是将之前做好的角色与动作数据匹配，让动作数据驱动骨骼生成动画。打开Motionbuilder软件，首先导入动作捕捉数据，将Actor与动作数据形置对应好。然后进行匹配。打开Navigator > Actor Settings > Marker Settings > Create创建角色设置。

接下来将动作数据点一一对应地拖到Actor Settings里面人物模型的适当位置里，进行动作数据点与之所驱动的部位匹配。匹配完成之后勾选 Active，这样动作数据就和Actor建立了关系。现在的动作数据就可驱动角色做动作了。

接下来将我们之前在MAYA中所做的角色导入Motionbuilder，与匹配好的带动作信息的Actor相关联。J下面，之前在maya中制作的角色就可在动作捕捉的数据驱动下运动起来了。最终，我们通过光学动作捕捉的制作，得出一个三维动画动作制作效率对比（以6人工作小组为参照）：

可见，动作捕捉技术的应用在缩短制作周期、降低制作成本、提高制作效率方面发挥了积极有效的作用。

4 结束语

在影视动画的制作过程中，动作的制作是非常耗时耗力耗资的工作。三维动画的动作是一门技术，其中人物说话的口型变化、喜怒哀乐的表情、走路动作等，都要符合自然规律，制作要尽可能细腻、逼真。动捕捉系统最大的特性就是高效率，可以将传统制作动画的效率提高百倍。随着动作捕捉技术的不断完善，光学动作捕捉将会得到越来越广泛的应用。

参考文献：

[1] 冯波三维角色动画中运动控制的主要技术[J].2007（27）：7-9.

[2] 吕敬华，孙浩鹏.从两部电教片看三维动画的设计与制作技巧[N].2002-03 （16）.

[3] 张满囤，马琳娜，王阳生.动作捕捉中的动画驱动及运动编辑技术综述[N].2008：23.

[4] 徐孟，孙守迁，潘云鹤.虚拟人运动控制技术的研究[N].2003-03（15-17）.

[5] 陈志华，马利庄，杨文山.基于捕获数据的运动编辑技术研究综述[N].2005：22-23.