表演動(dòng)畫中的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)

表演動(dòng)畫中的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)

1運(yùn)動(dòng)捕收儀技術(shù)在表演動(dòng)畫中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)特效的應(yīng)用已經(jīng)成為現(xiàn)代電影和電視特效制作中不可或缺的手段。不同的三維計(jì)算機(jī)特勤局制作技術(shù)給觀眾帶來了新的體驗(yàn)，而動(dòng)畫技術(shù)是當(dāng)前最高和最受歡迎的計(jì)算機(jī)特效技術(shù)之一。表演動(dòng)畫技術(shù)的誕生,徹底改變了這一局面.它綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、電子、機(jī)械、光學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫等技術(shù),捕捉表演者的動(dòng)作甚至表情,用這些動(dòng)作或表情數(shù)據(jù)直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)畫形象模型.圖1表示了一個(gè)典型表演動(dòng)畫系統(tǒng)的組成和工作流程.在該系統(tǒng)中,有表演者和“角色模型”.制作者利用三維構(gòu)型軟件制作數(shù)字化的“角色模型”,例如卡通形象,或者利用三維掃描技術(shù)獲得人物或動(dòng)物立體彩色數(shù)字模型,形成所謂的“虛擬演員”.而表演者則負(fù)責(zé)根據(jù)劇情作出各種動(dòng)作和表情,運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)將這些“動(dòng)作”和“表情”捕捉記錄下來,然后利用動(dòng)畫軟件,以這些動(dòng)作和表情“驅(qū)動(dòng)”角色模型,角色模型就能作出與表演者一樣的動(dòng)作和表情,并生成最終所見的動(dòng)畫序列.表演動(dòng)畫的出現(xiàn),是動(dòng)畫制作技術(shù)的一次革命,這一技術(shù)將從根本上改變現(xiàn)有的影視動(dòng)畫制作乃至特技制作方法極大地縮短動(dòng)畫制作的時(shí)間降低成本,使得動(dòng)畫制作過程更為直觀,效果更為生動(dòng)、逼真,甚至能使影片中的人物、動(dòng)物等做出不可能作出的動(dòng)作,達(dá)到驚人的特技效果.運(yùn)動(dòng)捕捉是表演動(dòng)畫系統(tǒng)中最關(guān)鍵的技術(shù),它實(shí)時(shí)地檢測(cè)、記錄表演者的肢體在三維空間的運(yùn)動(dòng)軌跡,捕獲表演者的動(dòng)作(甚至包括方向信息),轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的“抽象運(yùn)動(dòng)”,以便動(dòng)畫軟件將它“賦予”模型,使模型做出和表演者一樣的動(dòng)作,并生成最終的動(dòng)畫序列.實(shí)際上,運(yùn)動(dòng)捕捉的對(duì)象不僅僅是表演者的動(dòng)作,還可以包括物體的運(yùn)動(dòng),表演者的表情,以及相機(jī)、燈光的運(yùn)動(dòng)等.這一技術(shù)是目前表演動(dòng)畫系統(tǒng)中最關(guān)鍵、最復(fù)雜也是最不成熟的一個(gè)環(huán)節(jié),但也是表演動(dòng)畫系統(tǒng)不可缺少的部分.此外,運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)、三維游戲、人體生物工程學(xué)等許多方面都有重要的應(yīng)用.從技術(shù)的角度來說,運(yùn)動(dòng)捕捉的實(shí)質(zhì)就是要測(cè)量、記錄物體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡.2多種技術(shù)在表演動(dòng)畫系統(tǒng)中,通常并不要求捕捉表演者身上每個(gè)點(diǎn)的動(dòng)作,而只需要捕捉若干個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡,再根據(jù)造型中各部分的物理、生理約束就可以合成最終的運(yùn)動(dòng)畫面.從應(yīng)用角度來看,表演動(dòng)畫系統(tǒng)主要有表情捕捉和身體運(yùn)動(dòng)捕捉兩類.從實(shí)時(shí)性來分,可分為實(shí)時(shí)捕捉系統(tǒng)和非實(shí)時(shí)捕捉系統(tǒng)兩種.從工作原理來看,目前常用的方式主要有機(jī)械式、聲學(xué)式、電磁式和光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉.各種技術(shù)均有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合.因此對(duì)于不同的方法,一般只能從成本、實(shí)時(shí)性、使用的方便程度、精度等方面進(jìn)行比較.2.1機(jī)械裝置的應(yīng)用機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉依靠機(jī)械裝置來跟蹤和測(cè)量運(yùn)動(dòng)典型的系統(tǒng)由多個(gè)關(guān)節(jié)和剛性連桿組成如圖所示).在可轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)中裝有角度傳感器,可以測(cè)得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化.裝置運(yùn)動(dòng)時(shí),根據(jù)角度傳感器的數(shù)據(jù)和連桿的長(zhǎng)度,可以得出A點(diǎn)在空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡.實(shí)際上,裝置上任何一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡都可以求出.剛性連桿也可以換成長(zhǎng)度可變的伸縮桿,用位移傳感器測(cè)量其長(zhǎng)度的變化.機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉的一種應(yīng)用形式是將欲捕捉的運(yùn)動(dòng)物體與機(jī)械結(jié)構(gòu)相連,物體運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng),從而被傳感器記錄下來.另一種形式是用帶角度傳感器的關(guān)節(jié)和連桿構(gòu)成一個(gè)“可調(diào)姿態(tài)的數(shù)字模型”,其形狀可以模擬人體,也可以模擬其它動(dòng)物、物體.使用者根據(jù)劇情的需要,調(diào)整模型的姿勢(shì),然后鎖定,關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)被角度傳感器測(cè)量記錄,依據(jù)這些角度和模型的機(jī)械尺寸,計(jì)算出模型的姿態(tài),這些姿態(tài)數(shù)據(jù)傳給動(dòng)畫軟件,使其中的角色模型也做出一樣的姿勢(shì).這是一種出現(xiàn)較早的運(yùn)動(dòng)捕捉裝置,直到現(xiàn)在仍有一定的市場(chǎng),國(guó)外給這種裝置起了個(gè)很形象的名字:“猴子”.這種方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低,裝置定標(biāo)簡(jiǎn)單,精度也較高,可以作到實(shí)時(shí)測(cè)量,還可以容許多個(gè)角色同時(shí)表演.但其缺點(diǎn)也非常明顯,主要是使用起來非常不方便,機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)表演者的動(dòng)作阻礙、限制很大.而“猴子”較難用于連續(xù)動(dòng)作的實(shí)時(shí)捕捉,需要操作者不斷根據(jù)劇情要求,調(diào)整“猴子”的姿勢(shì),很麻煩,主要用于靜態(tài)造型捕捉和關(guān)鍵幀的確定.2.2運(yùn)動(dòng)、表演裝置電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)一般由3個(gè)部分組成(見圖3),即發(fā)射源、接收傳感器和數(shù)據(jù)處理單元.發(fā)射源在空間產(chǎn)生按一定時(shí)空規(guī)律分布的電磁場(chǎng);接收傳感器(通常有10～20個(gè))安置在表演者身體的關(guān)鍵位置,傳感器通過電纜與數(shù)據(jù)處理單元相連.表演者在電磁場(chǎng)內(nèi)表演時(shí),接收傳感器也隨著運(yùn)動(dòng),并將接收到的信號(hào)通過電纜傳送給處理單元,根據(jù)這些信號(hào)可以解算出每個(gè)傳感器的空間位置和方向.該方法的優(yōu)點(diǎn)首先在于它記錄的是六維信息,即不僅能得到空間位置,還能得到方向信息.其次是速度快、實(shí)時(shí)性好.使用時(shí),表演者一邊表演,動(dòng)畫系統(tǒng)中的角色模型可以同時(shí)反應(yīng),便于排演、調(diào)整和修改.裝置的定標(biāo)比較簡(jiǎn)單,技術(shù)較成熟,魯棒性好,成本相對(duì)低廉.其缺點(diǎn)是對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格,在表演場(chǎng)地附近不能有金屬物品,否則會(huì)造成電磁場(chǎng)畸變,影響精度.該系統(tǒng)允許的表演范圍比光學(xué)式要小.特別是電纜對(duì)表演者的活動(dòng)限制比較大,對(duì)于比較劇烈的運(yùn)動(dòng)、表演不適用.目前這類系統(tǒng)的采樣速率一般為每秒15～120次(依賴于模型和傳感器的數(shù)量),為了消除抖動(dòng)和干擾,采樣速率一般在15Hz以下.對(duì)于一些高速的運(yùn)動(dòng),如體育運(yùn)動(dòng),采樣速度不能滿足要求.2.3超聲探傷機(jī)構(gòu)常用的聲學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉裝置由發(fā)送器、接收器和處理單元組成.發(fā)送器是一個(gè)固定的超聲波發(fā)生器;接收器一般由呈三角形排列的3個(gè)超聲探頭組成.系統(tǒng)通過測(cè)量、計(jì)算聲波從發(fā)送器到接收器的時(shí)間,可以確定接收器的位置和方向.由于聲波的速度與溫度有關(guān),還必須有測(cè)溫裝置,并在算法中作出相應(yīng)的補(bǔ)償.這類裝置成本較低,但對(duì)運(yùn)動(dòng)的捕捉有較大的延時(shí)和滯后,精度差,還要求聲源和接收器間不能有遮擋,且受噪聲等干擾較大,系統(tǒng)擴(kuò)展困難.2.4身體關(guān)鍵部位的實(shí)時(shí)“運(yùn)動(dòng)捕獲-驅(qū)動(dòng)”光學(xué)式是通過對(duì)目標(biāo)上特定光點(diǎn)的監(jiān)視和跟蹤來完成運(yùn)動(dòng)捕捉的任務(wù).目前常見的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉大多基于計(jì)算機(jī)視覺原理.從理論上說,對(duì)于空間中一個(gè)點(diǎn),只要它能同時(shí)為兩臺(tái)攝像機(jī)所見,則根據(jù)同一瞬間兩相機(jī)所拍攝的圖象和相機(jī)參數(shù)即可以確定這一時(shí)刻該點(diǎn)的空間位置.當(dāng)相機(jī)以足夠高的速率連續(xù)拍攝時(shí),從圖象序列中就可以得到該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡.典型的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)通常有6～8個(gè)相機(jī),環(huán)繞表演場(chǎng)地排列,這些相機(jī)的視野重疊區(qū)域就是表演者的動(dòng)作范圍.為了便于處理,通常要求表演者穿上單色的服裝,在身體的關(guān)鍵部位,如關(guān)節(jié)、髖部、肘、腕等位置貼上一些特制的標(biāo)志或發(fā)光點(diǎn),稱為“Marker”,視覺系統(tǒng)只識(shí)別和處理這些標(biāo)志.系統(tǒng)定標(biāo)后,相機(jī)連續(xù)拍攝表演者的動(dòng)作,并將圖象序列保存下來,然后再進(jìn)行分析和處理,識(shí)別其中的標(biāo)志點(diǎn),并計(jì)算其在每一瞬間的空間位置,進(jìn)而得到其運(yùn)動(dòng)軌跡.為了得到準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)軌跡,要求相機(jī)要有較高的拍攝速率,一般要求達(dá)到每秒60幀以上.為測(cè)量發(fā)光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),還可以用PSD器件代替CCD相機(jī).在表演者的臉部表情關(guān)鍵點(diǎn)貼上Marker,可以實(shí)現(xiàn)表情捕捉.光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉的優(yōu)點(diǎn)是表演者活動(dòng)范圍大,無電纜、機(jī)械裝置的限制,使用很方便.其采樣速率較高,可以滿足多數(shù)體育運(yùn)動(dòng)測(cè)量的需要.Marker價(jià)格便宜,便于擴(kuò)充.這種方法的缺點(diǎn)是系統(tǒng)價(jià)格昂貴,雖然它可以捕捉實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng),但后處理(包括Marker的識(shí)別、跟蹤、空間坐標(biāo)的計(jì)算)時(shí)間長(zhǎng),目前尚不能做到實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)角色模型及實(shí)時(shí)的觀看效果.這類系統(tǒng)對(duì)于表演場(chǎng)地的光照、反射情況敏感.裝置定標(biāo)也較為繁瑣.特別是當(dāng)運(yùn)動(dòng)復(fù)雜時(shí),不同部位的Marker很容易發(fā)生混淆、遮擋,產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果,經(jīng)常需要人工干預(yù)后處理過程.如果進(jìn)一步改進(jìn)算法和系統(tǒng),基于此原理的實(shí)時(shí)“運(yùn)動(dòng)捕捉-驅(qū)動(dòng)”是可以實(shí)現(xiàn)的.基于類似的原理,還有多種類型的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備,例如根據(jù)目標(biāo)的側(cè)影來提取其運(yùn)動(dòng)信息,或者利用有網(wǎng)格的背景簡(jiǎn)化處理的過程等.目前正在進(jìn)一步研究不依靠Marker,而應(yīng)用圖象識(shí)別、分析技術(shù),由視覺系統(tǒng)直接識(shí)別表演者身體關(guān)鍵部位并測(cè)量其運(yùn)動(dòng)軌跡的技術(shù).3運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)不僅是表演動(dòng)畫中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),在其它領(lǐng)域也有非常廣泛的應(yīng)用前景.表演動(dòng)畫技術(shù)的出現(xiàn)給影視特技制作、動(dòng)畫技術(shù)帶來革命性的變化.它極大地提高了動(dòng)畫制作的效率,降低了成本(只有傳統(tǒng)方法的十分之一左右),而且使動(dòng)畫制作過程更為直觀,效果更為生動(dòng).綜合運(yùn)用表演動(dòng)畫、三維掃描、虛擬演播室等新技術(shù),可望獲得魔幻般的特技效果.可以想象,先用三維掃描技術(shù)對(duì)一個(gè)八十歲的白發(fā)老嫗進(jìn)行掃描,形成一個(gè)數(shù)字化人物模型,然后將喬丹的動(dòng)作捕捉下來,用以驅(qū)動(dòng)老人模型的運(yùn)動(dòng),觀眾將看到八十老太空中扣籃的場(chǎng)面.甚至可以用演員的表演驅(qū)動(dòng)動(dòng)物的模型,拍攝真正的動(dòng)物王國(guó)故事.隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟,表演動(dòng)畫技術(shù)將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用.而運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)作為表演動(dòng)畫系統(tǒng)不可缺少的、最關(guān)鍵的部分,必然顯示出更加重要的地位.表情和動(dòng)作是人類情緒、愿望的重要表達(dá)形式,運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)完成了將表情和動(dòng)作數(shù)字化的工作,提供了新的人機(jī)交互手段,比傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標(biāo)更直接方便,不僅可以實(shí)現(xiàn)“三維鼠標(biāo)”和“手勢(shì)識(shí)別”,還能使操作者以自然的動(dòng)作和表情直接控制計(jì)算機(jī),并為最終實(shí)現(xiàn)可以理解人類表情、動(dòng)作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、機(jī)器人提供了技術(shù)基礎(chǔ).在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中,為實(shí)現(xiàn)人與虛擬環(huán)境及系統(tǒng)的交互,必須確定參與者的頭部、手、身體等的位置與方向,準(zhǔn)確地跟蹤、測(cè)量參與者的動(dòng)作,將這些動(dòng)作實(shí)時(shí)檢測(cè)出來,以便將這些數(shù)據(jù)反饋給顯示和控制系統(tǒng),這些工作對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是必不可少的,也正是運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的研究?jī)?nèi)容.運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)還可用于機(jī)器人遙控.機(jī)器人將危險(xiǎn)環(huán)境的信息傳送給控制者,控制者根據(jù)信息做出各種動(dòng)作,運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)將動(dòng)作捕捉下來,實(shí)時(shí)傳送給機(jī)器人并控制其完成同樣的動(dòng)作,與傳統(tǒng)的遙控方式相比這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更為細(xì)致復(fù)雜靈活而快速的動(dòng)作控制,從而可大大提高機(jī)器人應(yīng)付復(fù)雜情況的能力.在當(dāng)前機(jī)器人全自主控制遠(yuǎn)未成熟的情況下,這一技術(shù)有特別重要的意義.現(xiàn)代高級(jí)三維、仿真游戲,強(qiáng)調(diào)游戲者的“參與感”和“沉浸感”,強(qiáng)調(diào)游戲者與游戲環(huán)境的互動(dòng)性.現(xiàn)在也可以借助三維掃描技術(shù)得到游戲者數(shù)字模型,將其置于游戲環(huán)境,再利用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)捕捉游戲者的各種動(dòng)作,用以驅(qū)動(dòng)其數(shù)字模型,這樣可以給游戲者以全新的感受,開發(fā)出真實(shí)感極強(qiáng)的游戲系統(tǒng).在體育訓(xùn)練中,運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)可以捕捉運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作,便于進(jìn)行量化的分析,結(jié)合人體生理學(xué)、物理學(xué)原理,研究改進(jìn)的方法,使得體育訓(xùn)練擺脫了純粹依靠經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài),進(jìn)入理論化、數(shù)字化的時(shí)代.還可以將成績(jī)差的運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作捕捉下來與優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行對(duì)比分析,從而幫助訓(xùn)