【教學(xué)課件】第一章-動作捕捉的發(fā)展及應(yīng)用

第一章動作捕捉的發(fā)展及應(yīng)用1精選課件ppt1.1動作捕捉技術(shù)介紹動作捕捉技術(shù)已經(jīng)進入了實用化階段，其應(yīng)用領(lǐng)域也遠遠超出了動畫制作，并在虛擬現(xiàn)實、游戲、人體工程學(xué)研究、模擬訓(xùn)練、生物力學(xué)研究等許多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。2精選課件ppt3精選課件ppt廣告4精選課件ppt軍事領(lǐng)域5精選課件ppt1.2動作捕捉系統(tǒng)的類型介紹到目前為止，常用的動作捕捉技術(shù)從原理上說可分為機械式、聲學(xué)式、電磁式和光學(xué)式。不同原理的設(shè)備各有其優(yōu)缺點，其中光學(xué)式動作捕捉技術(shù)目前是最為先進的，一般可從以下幾個方面進行評價：6精選課件ppt定位精度；實時性；使用方便程度；可捕捉運動范圍大??；成本；抗干擾性；多目標(biāo)捕捉能力。7精選課件ppt1.3動作捕捉系統(tǒng)的分類比較一：機械式運動捕捉（ElectromechanicalSuits）機械式運動捕捉依靠機械裝置來跟蹤和測量運動軌跡。裝置是放置在人體主要關(guān)節(jié)處的電位計或者類似量角儀的儀器構(gòu)成的一套設(shè)備，它是由人體的運動來驅(qū)動的。8精選課件ppt2001年北京國際電視周十八日至二十二日在中國建筑文化中心舉辦，從德國引進的機械式運動捕捉系統(tǒng)數(shù)主要應(yīng)用于影視制作、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、電腦游戲等領(lǐng)域，圖為十九日模特正在進行實時運動表演。9精選課件ppt典型的系統(tǒng)由多個關(guān)節(jié)和剛性連桿組成，在可轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)中裝有角度傳感器，可以測得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度的變化情況。裝置運動時，根據(jù)角度傳感器所測得的角度變化和連桿的長度，可以得出桿件末端點在空間中的位置和運動軌跡。實際上，裝置上任何一點的運動軌跡都可以求出，剛性連桿也可以換成長度可變的伸縮桿，用位移傳感器測量其長度的變化。10精選課件ppt早期的一種機械式運動捕捉裝置是用帶角度傳感器的關(guān)節(jié)和連桿構(gòu)成一個"可調(diào)姿態(tài)的數(shù)字模型"，其形狀可以模擬人體，也可以模擬其他動物或物體。使用者可根據(jù)劇情的需要調(diào)整模型的姿態(tài)，然后鎖定。角度傳感器測量并記錄關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度，依據(jù)這些角度和模型的機械尺寸，可計算出模型的姿態(tài)，并將這些姿態(tài)數(shù)據(jù)傳給動畫軟件，使其中的角色模型也做出一樣的姿態(tài)。這是一種較早出現(xiàn)的運動捕捉裝置，但直到現(xiàn)在仍有一定的市場。國外給這種裝置起了個很形象的名字："猴子"。11精選課件ppt機械式有一個很大的缺陷，就是依靠電位計的系統(tǒng)不能測量空間的位移。在大多數(shù)情況下，加入電磁式的感應(yīng)器可以解決這個問題，但是作為電磁式的系統(tǒng)同樣也有一些問題，比如說對附近的金屬的感應(yīng)，主要是跟感應(yīng)源相近的材料。12精選課件ppt機械式捕捉優(yōu)點：捕捉范圍非常大。成本低，便宜。精確度相對較高?？梢宰龅綄崟r數(shù)據(jù)測量。數(shù)據(jù)的捕捉相對簡單。感應(yīng)器不會閉塞?？梢詫Χ鄠€演員進行同時捕捉。13精選課件ppt機械式捕捉缺點：硬件笨重、使用起來非常不方便。系統(tǒng)樣本速率很低。系統(tǒng)對人體骨骼有制約。較難用于連續(xù)動作的實時捕捉。14精選課件ppt二：聲學(xué)式運動捕捉常用的聲學(xué)式運動捕捉裝置由發(fā)送器、接收器和處理單元組成。發(fā)送器是一個固定的超聲波發(fā)生器，接收器一般由呈三角形排列的三個超聲探頭組成。通過測量聲波從發(fā)送器到接收器的時間或者相位差，來計算并確定接收器的位置和方向。15精選課件ppt這類裝置成本較低，但對運動的捕捉有較大延遲和滯后，實時性較差，精度一般不很高，聲源和接收器間不能有大的遮擋物體，受噪聲和多次反射等干擾較大。由于空氣中聲波的速度與氣壓、濕度、溫度有關(guān)，所以還必須在算法中做出相應(yīng)的補償。16精選課件ppt三、電磁式運動捕捉電磁式運動捕捉系統(tǒng)是比較常用的運動捕捉設(shè)備。一般由發(fā)射源、接收傳感器和數(shù)據(jù)處理單元組成。發(fā)射源在空間產(chǎn)生按一定時空規(guī)律分布的電磁場；接收傳感器（通常有10～20個）安置在表演者身體的關(guān)鍵位置，隨著表演者的動作在電磁場中運動,通過電纜或無線方式與數(shù)據(jù)處理單元相連。17精選課件ppt表演者在電磁場內(nèi)表演時，接收傳感器將接收到的信號通過電纜傳送給處理單元，根據(jù)這些信號可以解算出每個傳感器的空間位置和方向。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），為了消除抖動和干擾，采樣速率一般在15Hz以下。對于一些高速運動，如拳擊、籃球比賽等，該采樣速度還不能滿足要求。18精選課件ppt電磁式運動捕捉的優(yōu)點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，這一點對某些特殊的應(yīng)用場合很有價值。其次是速度快，實時性好，表演者表演時，動畫系統(tǒng)中的角色模型可以同時反應(yīng)，便于排演、調(diào)整和修改。裝置的定標(biāo)比較簡單，技術(shù)較成熟，成本相對低廉。19精選課件ppt它的缺點在于對環(huán)境要求嚴格，在表演場地附近不能有金屬物品，否則會造成電磁場畸變，影響精度。系統(tǒng)的允許表演范圍比光學(xué)式要小，特別是電纜對表演者的活動限制比較大，對于比較劇烈的運動和表演則不適用。20精選課件ppt四、光學(xué)式運動捕捉光學(xué)式運動捕捉通過對目標(biāo)上特定光點的監(jiān)視和跟蹤來完成運動捕捉的任務(wù)。目前常見的光學(xué)式運動捕捉大多基于計算機視覺原理。從理論上說，對于空間中的一個點，只要它能同時為兩部相機所見，則根據(jù)同一時刻兩部相機所拍攝的圖像和相機參數(shù)，可以確定這一時刻該點在空間中的位置。當(dāng)相機以足夠高的速率連續(xù)拍攝時，從圖像序列中就可以得到該點的運動軌跡。21精選課件ppt典型的光學(xué)式運動捕捉系統(tǒng)通常使用6～8個相機環(huán)繞表演場地排列，這些相機的視野重疊區(qū)域就是表演者的動作范圍。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，稱為"Marker"，視覺系統(tǒng)將識別和處理這些標(biāo)志。系統(tǒng)定標(biāo)后，相機連續(xù)拍攝表演者的動作，并將圖像序列保存下來，然后再進行分析和處理，識別其中的標(biāo)志點，并計算其在每一瞬間的空間位置，進而得到其運動軌跡。為了得到準(zhǔn)確的運動軌跡，相機應(yīng)有較高的拍攝速率，一般要達到每秒60幀以上。22精選課件ppt如果在表演者的臉部表情關(guān)鍵點貼上Marker，則可以實現(xiàn)表情捕捉，如圖所示。目前大部分表情捕捉都采用光學(xué)式。23精選課件ppt有些光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)不依靠Marker作為識別標(biāo)志，例如根據(jù)目標(biāo)的側(cè)影來提取其運動信息，或者利用有網(wǎng)格的背景簡化處理過程等。目前研究人員正在研究不依靠Marker，而應(yīng)用圖像識別、分析技術(shù)，由視覺系統(tǒng)直接識別表演者身體關(guān)鍵部位并測量其運動軌跡的技術(shù)，估計將很快投入實用。光學(xué)式運動捕捉的優(yōu)點是表演者活動范圍大，無電纜、機械裝置的限制，表演者可以自由地表演，使用很方便。其采樣速率較高，可以滿足多數(shù)高速運動測量的需要。Marker的價格便宜，便于擴充。

24精選課件ppt這種方法的缺點是系統(tǒng)價格昂貴，雖然它可以捕捉實時運動，但后處理（包括Marker的識別、跟蹤、空間坐標(biāo)的計算）的工作量較大，對于表演場地的光照、反射情況有一定的要求，裝置定標(biāo)也較為煩瑣。特別是當(dāng)運動復(fù)雜時，不同部位的Marker有可能發(fā)生混淆、遮擋，產(chǎn)生錯誤結(jié)果，這時需要人工干預(yù)后處理過程。

25精選課件ppt將運動捕捉技術(shù)用于動畫制作，可極大地提高動畫制作的水平。該技術(shù)的應(yīng)用直接導(dǎo)致了美國和日本動畫片里，卡通人物的動作真實程度遠遠超過沒有擁有該技術(shù)的中國動畫片。它極大地提高了動畫制作的效率，降低了成本，而且使動畫制作過程更為直觀，效果更為生動。隨著技術(shù)的進一步成熟，表演動畫技術(shù)將會得到越來越廣泛的應(yīng)用，而運動捕捉技術(shù)作為表演動畫系統(tǒng)不可缺少的、最關(guān)鍵的部分，已經(jīng)顯示出更加重要的地位。26精選課件ppt1.4光學(xué)動作捕捉設(shè)備的組成和應(yīng)用光學(xué)式動作捕捉設(shè)備一般由以下幾個部分組成：傳感器被固定在運動物體特定的部位，向系統(tǒng)提供運動的位置信息。通常采用特殊材料的感光球，將其粘在身體特定的部位。27精選課件ppt信號捕捉設(shè)備負責(zé)捕捉、識別傳感器的信號。如圖所示，一般是由包括捕捉特殊波長區(qū)域光波的攝像機、發(fā)光器以及鏡頭、光學(xué)過濾器等組成。28精選課件ppt數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備負責(zé)將運動數(shù)據(jù)從信號捕捉設(shè)備快速準(zhǔn)確地傳送到計算機系統(tǒng)。29精選課件ppt數(shù)據(jù)處理設(shè)備負責(zé)處理系統(tǒng)捕捉到的原始信號，計算傳感器的運動軌跡，對數(shù)據(jù)進行修正、處理，并與三維角色模型相結(jié)合。30精選課件ppt光學(xué)捕捉技術(shù)在國際上的使用現(xiàn)狀目前在影視界使用光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)的工作室包括：DreamworksSKG（斯皮爾伯格的夢工廠）、WarnerBrothers（華納兄弟工作室）等；在游戲制作界使用它的公司有：ElectronicArts、Square、RARE、Sony、Midway、SNK、CAPCOM等。31精選課件ppt利用光學(xué)原理進行三維動作捕捉的過程是使用多個攝像機拍攝身穿安裝了反射標(biāo)記衣服的演員動作，然后動作捕捉系統(tǒng)將多個攝像機拍攝的鏡頭用數(shù)學(xué)的方式繪制出每個反射標(biāo)記的三維坐標(biāo)。這些標(biāo)記或者被連接到一個計算機生成的人物身上對應(yīng)的解剖點，或者被用于算出可以進行動畫的連接角度或旋轉(zhuǎn)。這些三維空間坐標(biāo)被傳送到動畫軟件如：Alias/WavefrontMaya、Online、Prism、NichimenGraphics和3DStudioMAX。由于這些坐標(biāo)來自演員真實的動作，使動畫看起來非常逼真自然。32精選課件ppt復(fù)雜和快速的動作包括體育比賽中的拳擊動作可以被快速地捕捉進來，而不需要依賴動畫師使用反向運動學(xué)的軟件系統(tǒng)進行動作制作，既節(jié)省了時間又節(jié)省的金錢，而且它快速的反饋也使制作人員和導(dǎo)演可以及時作出決定。這些捕捉的動作也可放在網(wǎng)站上供世界各地的用戶或制作人員進行觀看和評論。33精選課件ppt光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)所具有的優(yōu)勢：

真實的動作：對演員、運動員和舞蹈家的動作進行捕捉，并不是讓動畫師重新進行制作，這些動作都是非常具有特點的、非常敏銳的。例如：由計算機生成的人物中，男性和女性走路的動作是不一樣的。如果將女性人物走路的動作賦予在男性身上，觀眾會覺得不協(xié)調(diào)。

制作的速度：對動作進行拍攝捕捉到預(yù)覽常常只需幾分鐘。一個小規(guī)模的制作組與一個演員可以在一個下午制作出許多復(fù)雜的動畫。34精選課件ppt

藝術(shù)性的控制：實時捕捉系統(tǒng)可以在演員表演的同時看到所捕捉的動作，具有非常大的靈活性－－如果制作人員想改變一下所捕捉的動