影视动画制作中运动捕捉技术的运用分析

动画制作论文第八篇：影视动画制作中运动捕捉技术的运用分析

　　摘 要：计算机技术的进步推动了影视动画制作技术的飞速发展, 运动捕捉技术则是影视动画制作过程中非常重要的一项技术, 使影视动画的场景更加形象和生动。本文立足于运动捕捉技术的原理, 详细分析了三维重建等技术在影视动画制作过程中的具体应用。

　　关键词：运动捕捉技术; 动画制作; 场景设计; 三维重建;

　　Analysis of the application of motion capture technology in movie and TV animation production

　　LIU Bing

　　College of Fine Arts, Hubei University of Arts and Sciences

　　Abstract：The progress of computer technology to promote the rapid development of the film and television animation technology, motion capture technology is very important in the process of film and television animation a technology, make the film and television animation scene more image and vivid.Based on the principle of motion capture technology, this paper analyzes in detail the application of 3 d reconstruction technology in the process of film and television animation production.

　　影视动画制作是一项系统、复杂的工作, 传统技术制作动画不仅耗时长, 而且效果并不好。动画制作技术的进步催生了表演动画的出现, 使得影视动画制作的时间大大减少, 成本进一步降低。更重要的是, 影视画面的视觉效果显著提升, 给人更加真实、生动的感觉。表演动画作为新技术成果, 融合了计算机动画、光学、电子等多种技术, 主要依靠捕捉表演者的动作以及表情, 最终达到驱动动画形象模型的结果[1]。可以说, 在时下的影视动画制作技术中, 运动捕捉技术已经成为其中最关键的技术之一, 下文将详细分析这一技术的具体运用过程。

　　1 运动捕捉技术概述

　　运动捕捉技术是通过现场记录表演者的动作乃至表情在三维空间中的运动轨迹, 并借助计算机技术将这一轨迹转化成为抽象运动, 并应用到影视动画制作中, 使其完成和表演者一样的动画动作, 最终并生成动画序列。这一技术的关键在于捕捉表演者表演过程中关键动作和表情的相关数据, 并将数据加以处理。因此, 在实际的捕捉过程中, 多是记录表演者表演的关键轨迹, 并不是将所有运动轨迹都捕捉到。好莱坞的一些大场面制作电影在处理画面的时都用到了这项技术, 比如说《指环王》等, 其原理就是从演员身上捕捉关键的运动轨迹, 再合成画面。影视动画的制作过程中同样是如此, 现实影视动画制作过程中, 主要有四种运动捕捉技术。

　　1.1 电磁式运动捕捉技术

　　这种捕捉技术是由三个要素构成的, 即电磁感应单元、发生单元以及数据处理系统。这种技术最大的优点在于已经比较成熟, 所以使用的成本较小, 不仅可以实时的准确测量, 而且可以记录捕捉对象的运动方向以及空间具体位置。其缺点主要是采用速率较低, 如果捕捉对象是在做高速运动, 则无法进行有效捕捉。

　　1.2 机械式运动捕捉技术

　　这种捕捉技术主要是借助机械装置来测量和跟踪运动轨迹, 其优势主要在于设备记录精度高而且成本低, 在操作的过程中能够实时测量数据并且捕捉多个对象的运动轨迹, 从而将被捕捉的运动的物体同机械结构连接, 利用物体运动来带动机械装置运动。在运动的过程中, 传感器就会记录下模型的机械尺度以及角度, 从而计算出了模型的姿态, 最后将这些姿态数据输送到制作动画软件的角色模型上。这种装置操作比较便捷, 而且不受环境因素的影响。其缺点在于设备体积较大, 所以不便携带, 还有就是无法进行大幅度的动作捕捉, 所以限制了表演者的动作。

　　1.3 光学式运动捕捉技术

　　这种捕捉技术也是由摄像机、位置标记点以及数据处理系统三种要素组成, 其优点在于采速率很高, 能够捕捉到表演者的高速动作, 弥补了电磁式运动捕捉技术的不足, 同时还便于携带, 使用方便。光学式的运动捕捉是通过监视和跟踪目标的特定的光点来完成捕捉, 主要是基于计算机的视觉原理。如果空间有一个点, 而且这个点同时被两台摄像机所拍摄到, 要想确定这个点的位置, 只需要借助这两台摄像机的参数以及所拍摄到的图片就可以了。其缺点在于使用成本很高, 而且对安装的要求比较高。同时, 它还对表演场地的现场情况非常敏感, 比如说光照、反射等。

　　1.4 声学式运动捕捉技术

　　这种捕捉技术是由声波发生器和接收器、声波相互处理单元所构成。发生器和接收器分别是由一个超声波发生器以及三个三角形形状的超声探头所组成。系统则是从声波从发生起到接收器之间的时间来确定接收器所处的方向乃至具体位置。众所周知, 声波的速度是受温度影响, 所以还必须要由测试温度的装置, 并在算法中根据温度的数据作出相应的补偿。其最大的优点在于解决捕捉过程中表演者身体遮挡的问题, 而其使用成本较低。其缺点在于精准度并不高, 难以实时进行测量, 而且还容易受到重围环境的影响, 比如说噪声干扰, 而且系统很难扩展。

　　2 运动捕捉技术在影视动画制作中的应用

　　现代的影视动画制作很多都是采用的光学式捕捉技术, 运用这种技术, 可以捕捉到高速运动的轨迹, 而且设备也便于携带, 使用起来比较方便。在光学运动捕捉系统中, 把人看成是由关节点所组成的模型, 一般是由十三至十九个关节点, 人体所做的各种动作则可以看作是各个关节在做动作。在进行捕捉之前, 会在人身上各个关键点出固定一种可以反光的特殊材料, 我们称之为标记点。在外部光源的照射下, 这些固定在人关节点上的反光材料能够从不同的角度反射出RGB值相同的光。一般是使用多台摄像机同时进行实时捕捉, 摄像机里的序列图片上反映出所标记点的而运动轨迹[2]。因此, 在时间变化的情况下, 我们就可以得到一个特定点连续运动的轨迹, 然后借助三维重建技术的运动轨迹还原为了骨架模型的动作, 模型如图1所示。从图上可以看出, 光式运动捕捉系统运转的关键在于对标记点的跟踪和对空间坐标的三维重建。

　　图1 系统模型  

　　2.1 标记点跟踪

　　摄像机在捕捉到了表演者的动作以后, 在高性能的视频卡的分析处理之下从而得到了序列帧, 再利用图像分析法来识别已经标记的二维坐标, 这个过程中标记点跟踪的过程。为了让系统能够识别标记点代表的是哪个关节点, 所以才对标记点进行跟踪, 这样可以在还原数据的时候, 根据标记点将整个骨架连接起来。一般从第一帧开始跟踪第一个标记点, 这个是个持续的过程中, 一直延续到这个工作完成或者中断。根据标记点的速度可以预测到第二帧的位置, 假如每秒的帧数为n, 标记点的速度为m, 由此得知, 标记点的最大位移d就为m/n。从这个帧到下一帧的的最小距离可以看作是两帧之间的位移。基于这一思考, 可以预测下一帧所标记的位置。根据标记点从a-1帧到a帧的位移, 可以顺利预测标记点到a+1帧的位移。有时候为了能够确定前面预测位移的准确性, 并且将中间多于的点排除掉, 则需要利用a+1帧以及a+2帧的具体位置, 所以这里可以用四帧图像来说明标记点的是如何跟踪算法。具体来说, 标记点跟踪算法步骤如下。

　　(1) 先分析通过不同摄像机所捕捉到的两幅图片, 并对所有标记点进行排序、编号, 并要保证两幅图片的编号要一一对应;

　　(2) 对于某一个特定的标记点, 借助上述的跟踪法得到这个点下一帧的具体位置;

　　(3) 后面都采用相同的方法来确定下一帧的位置;

　　(4) 搜过估计值这个位置周围的标记点, 将最先被搜索到的点看作是本帧标记点的位置, 并转到第六个步骤;

　　(5) 经过搜索, 如果在特定的范围之内仍然没有找到标记点, 就表明这点在本帧被遮挡住了, 这里的估计值就作为跟踪值;

　　(6) 将前面跟踪到的标记点的图像坐标保存下来, 并转到第三个步骤。

　　2.2 空间坐标的三维重建

　　所谓的三维重建, 指的是把原来二维坐标的图像还原成为三维坐标, 再利用三维的数据驱动所创建的虚拟模型。在从二维图像专程三维图像的过程中, 需要借助视点的朝向信息以及视点的位置信息, 所以必须要知道摄像机本身的各种参数, 要借助这些参数和标记点得出的二维坐标来建立几何模型, 最终实现三维重建, 其过程如图2所示。

　　图2 三维动画制作具体过程  

　　二维是平面坐标, 而三维则是空间坐标, 从三维到二维的坐标投影发生变换可以知道, 三维空间坐标 (X, Y, Z) 也就是这个坐标在两台摄像机中间的像平面坐标分别同它们的光心连线的交点坐标, 从而将这两个图像的坐标直接转换成为 (X1, Y1, Z1) 和 (X2, Y2, Z2) 两个坐标。设a和b分别为上面两点和光心所确定的直线, 两条直线交点的坐标则为 (X, Y, Z) , 也就是所求的坐标。但是, 因为从捕捉到的图像转换成为三维重建经过的步骤较多, 而且每一步都很可能存在着误差。即便进行了摄像机的标定, 但误差仍然是不可避免的。在具体的计算过程中, 很多时候这两条直线并不是在一个平面上, 所以难以得到期望的交点 (X, Y, Z) 。为了得到这个交点, 则需要采取过公垂线取重点的办法才能实现。为了确保摄像机能够在较短时间内获取表演者身上的点, 降低了丢失的概率, 所以可以采用将多部摄像机相融合的方式将两台摄像机所拍摄到的标记点进行匹配, 经还原后得到的三维坐标, 再投影到另外一个投影的平面上。如果在投影上确实有相应的点, 则表明还原过程是正确的, 这就是说三台摄像机能够确定唯一一个标记点的三维坐标。

　　2.3 影视动画制作过程

　　在运动捕捉系统里, 影视动画表演制作过程如图3所示。

　　图3 运动捕捉系统里影视动画制作过程图 

　　首先是根据剧本的设计来应用三维建模软件开展数字化的造型设计, 从而设计出需要的动画模型。其次, 表演者在进行表演的时候, 利用视频捕捉卡来捕捉动作, 从而得到表演者的数据, 再来驱动计算机的动画模型, 这样就生成了动画序列。[3]在现实的影视动画制作过程中, 运动捕捉到的数据经常难以提供给整个运动的连续控制, 除此之外, 运动捕捉也是成本较高而且又耗时的技术, 而且表演者也不可能完全按照画师想象的来表演, 所以能用的数据都只是一段段的。因此, 动画师在整个制作过程中承担了重要责任, 需要将捕捉到的数据同所设计的情节相匹配, 并合成。在完成了前期的处理工作以后, 就可以开展模型驱动了。借助于最开始所用的三维建模软件建立的模型, 再将动画合成, 从而形成了最终的影视动画作品。

　　3 结语

　　运动捕捉技术在影视动画制作过程中起到了非常重要的作用, 二者相辅相成。也可以说, 运动捕捉技术也是咋影视动画制作庞大需求基础上出现并发展的一项技术。随着科学技术进步, 这项技术的应用范围更加广泛, 涉及到了影视、多媒体以及游戏等多个领域。正式因为这项技术的应用, 使得动画创作过程中传统手动编辑的工作量减少了。动画师根据运动捕捉技术生成的数据, 自然生成动画, 这对特殊的场景、镜头及效果都有特殊的意义, 推动了动画产业的高水平发展。利用运动捕捉技术, 影视界已经涌现了许多成果, 比如说风靡世界的《魔兽世界》、我国著名动画片《秦时明月》等, 这些都是应用了运动捕捉技术, 才使影视动画更为丰富多彩。可以说, 运动捕捉技术推动了影视动画制作的发展。从当前来看, 虽然运动捕捉技术还咱这诸多问题, 比如说难以处理大量数据、应用成本过高、范围受限制等, 但从其发展趋势来看, 其未来的发展前景必然很广阔。因此, 运动捕捉技术必然会更进一步, 突破这些受限因素, 降低制作成本, 利用这一技术进行影视动画制作必然更加快捷、高效。

　　参考文献

　　[1]刘葵, 刘琥.影视动画创作从编故事和角色设计入手[J].新闻界, 2010, 36 (2) :44-46.
　　[2]冯远淑, 陈福民.基于动作捕捉的计算机动画探讨与实现[J].同济大学学报 (自然科学版) , 2004, 18 (7) :956-960.
　　[3]黄波士, 陈福民.运动捕捉及其在动画制作中的应用[J].计算机工程, 2005, 34 (13) :168-170.