動態(tài)運動合成軟件

摘要：Endorphin動態(tài)運動合成系統(tǒng)是基于人工智能控制器來模仿人體神經(jīng)系統(tǒng)的角色動畫模擬軟件，它不依賴傳統(tǒng)關(guān)鍵幀和動作捕捉技術(shù)就可讓3D角色產(chǎn)生互動行為或按照設(shè)定的狀態(tài)自行產(chǎn)生真實的動作，并可在實時狀態(tài)下對角色的運動進行合成，這在游戲角色動畫制作領(lǐng)域具有極高的實用價值。文章主要從Endorphin的原理、功能、傳統(tǒng)動作捕捉存在的問題以及Endorphin在游戲動畫制作域的應(yīng)用等幾個方面進行了探討。

關(guān)鍵詞：動態(tài)運動合成軟件；動作捕捉；Endorphin；Euphoria；游戲?qū)崟r動畫技術(shù)

中圖分類號：TP30 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）34-0050-03

在3D游戲角色動畫制作領(lǐng)域，動作捕捉代表著當(dāng)今游戲角色動畫制作技術(shù)的主流，但這種基于硬件的傳統(tǒng)動作捕捉系統(tǒng)在游戲角色動畫制作領(lǐng)域中存在的問題也是顯而易見的。Natural Motion公司的Endorphin動態(tài)運動合成軟件的出現(xiàn)為游戲角色動畫制作的發(fā)展提供了新的方向，其在技術(shù)上極具創(chuàng)新性，它無需任何特殊硬件設(shè)備，采用革命性的人工智能和生物力學(xué)、遺傳算法技術(shù)，賦予角色擬真的動作及互動模擬，實時產(chǎn)生骨骼運動軌跡和動畫數(shù)據(jù)，達到完全由軟件“捕捉”運動的效果。

Endorphin軟件等同于建立了一個物理模擬系統(tǒng)，并給系統(tǒng)里的虛擬角色配置了高端的人工智能和生物特性，使其在不同情況下表現(xiàn)得如同動作捕捉系統(tǒng)中的演員一般，這極大地縮短了游戲角色動畫制作的時間，降低了游戲的制作成本。以發(fā)展的眼光看，這種智能化的實時角色動畫生成技術(shù)將會徹底取代傳統(tǒng)的動作捕捉

技術(shù)。

1 動態(tài)運動合成軟件——Endorphin的原理

基于動態(tài)運動合成技術(shù)的Endorphin軟件是以牛津大學(xué)生物學(xué)院對人和動物的運動控制研究為基礎(chǔ)，采用遺傳算法，通過建立一個具有真實物理屬性和生物特性的角色模型，賦予它一套仿真的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，再設(shè)定希望得到的目標(biāo)行為。然后模擬自然界生物優(yōu)勝劣汰的進化過程，采用人工進化的方法，連續(xù)篩選出最為接近目標(biāo)行為的若干段程序碼，變異組合后，產(chǎn)生下一代程序碼，經(jīng)過數(shù)代“繁殖”、“進化”后，得到最優(yōu)的程序碼即可生成實時并且是符合要求的自適應(yīng)行為。傳統(tǒng)制作角色動畫的方法是固定，場景的改變不會對它們的動作產(chǎn)生任何影響，而Endorphin軟件的虛擬角色可對環(huán)境的感知做出反應(yīng)，這如同人類一樣可以根據(jù)場景或環(huán)境的改變產(chǎn)生自適應(yīng)行為，動畫師所要做的就是給它下達命令而已。

Endorphin軟件中產(chǎn)生的三維角色動畫完全是交互式的。它的自適應(yīng)人工智能行為列表中有眾多的可選行為，如爆炸、跳躍、翻滾、行走、跑步等，每種行為又有不同的表現(xiàn)。你也可以實現(xiàn)同時對多角色的控制，讓每個角色擁有獨立的行為和姿勢，并讓他們互相阻擋、推擠、打斗，且每個角色的行為都是實時的。

2 傳統(tǒng)動作捕捉技術(shù)在3D游戲動畫制作中存在的問題

傳統(tǒng)動作捕捉技術(shù)在游戲角色動畫制作中存在諸多局限性，表現(xiàn)在以下五個方面：

2.1 動畫數(shù)據(jù)的平滑問題

在游戲動畫領(lǐng)域，動畫數(shù)據(jù)的平滑是一個仍未解決的難題。游戲角色動畫本應(yīng)是互動的，但游戲里的3D動畫是由多段短小的預(yù)制動畫拼接而成，多段動畫拼接時，角色的姿態(tài)不能很好地銜接，這也就是在3D游戲里角色動畫不連貫的原因。

2.2 目標(biāo)重新設(shè)置的問題

3D游戲里基本上是把一套動作捕捉數(shù)據(jù)運用到不同的角色上，比如捕捉一套足球射門的動作來驅(qū)動游戲里所有球員的射門，當(dāng)游戲角色與動作捕捉的演員體型差異較大時，就會發(fā)生球員腳碰不到球或腳伸入足球里等錯誤現(xiàn)象。

2.3 動作捕捉的場地和對象限制

有些運動并不適合在動作捕捉工作室中進行，如賽馬、跳傘等運動。此外，這種捕捉局限于人物和動物，但游戲里的角色可能是恐龍或螞蟻，你無法讓它們作為捕捉的演員。

2.4 安全性的問題

動作捕捉主要是靠人表演，當(dāng)你需要捕捉演員從高空墜落或是汽車與演員碰撞等動作時，會給捕捉帶來意外事故的隱患。

2.5 昂貴的動作捕捉設(shè)備和復(fù)雜的后期處理

建立動作捕捉工作室需數(shù)十臺專業(yè)攝影機和至少幾十平米的大型場地，這使得多數(shù)游戲制作公司都無法擁有自己的動作捕捉工作室。再則捕捉速度一般是60幀/秒，捕捉時常出現(xiàn)跟蹤球位置重疊或骨骼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)錯亂的現(xiàn)象，要在龐大的數(shù)據(jù)里找出這些問題需要非常專業(yè)的技術(shù)人員才能夠做到。

3 與傳統(tǒng)動作捕捉系統(tǒng)相比，Endorphin軟件所具有的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)傳統(tǒng)動作捕捉技術(shù)相比，Endorphin可以直接產(chǎn)生骨骼動畫數(shù)據(jù)，其主要優(yōu)勢表現(xiàn)在以下四個方面：

3.1 可實時創(chuàng)建角色動畫，產(chǎn)生完整干凈的動態(tài)數(shù)據(jù)

Endorphin將人工智能應(yīng)用到角色生物力學(xué)的模擬中，動畫可實時調(diào)整，制作兩個人打斗的動畫僅需幾分鐘，并可產(chǎn)生完美的動態(tài)數(shù)據(jù)，無需要再通過專業(yè)人士進行后期清除噪聲數(shù)據(jù)。

3.2 拓展利用現(xiàn)有的動畫數(shù)據(jù)

它可以獲取c**、Acclaim（*.asf）、Acclaim（*.amc）、Biovision（*.bvh）和Kaydara FBX（*.fbx）五種文件格式的運動文件，方便地導(dǎo)入3DSMAX中的CS或者Kaydara公司的MotionBuilder軟件，進行最終的動畫設(shè)計和渲染輸出。Endorphin 2.52版本就已能輸入Vicon動態(tài)捕捉器的所捕捉的動態(tài)數(shù)據(jù)，自動平滑處理與Endorphin之間的過渡動畫。

3.3 完成傳統(tǒng)動作捕捉不可能完成的任務(wù)

危險的動作捕捉不能由演員來完成，而Endorphin的演員是虛擬的，能模擬任何危險情況下的動畫，比如高空跳樓、撞擊等效果。endprint

3.4 Endorphin的“自適應(yīng)行為”

Endorphin的自適應(yīng)行為功能，具有互動性，可為3D角色自動添加動畫效果。如果將兩個足球運動員的角色靠近放置，其中一個球員會自動碰到另一名球員，纏住他的雙腿將其拌倒，整個動作非常逼真。

4 Endorphin在游戲角色動畫制作中的應(yīng)用

4.1 Endorphin操作流程

4.1.1 設(shè)定虛擬角色。Endorphin可自動生成的角色。Endorphin有兩個軌道面板：角色軌道面板與環(huán)境軌道面板。在角色軌道點擊右鍵會出現(xiàn)各種行為事件以供選擇，如姿態(tài)事件、行為事件、約束事件、力事件等。在環(huán)境軌道可在場景中創(chuàng)建一些如建筑物、汽車、槍只等物體，并可設(shè)置其物理屬性。

4.1.2 創(chuàng)建事件。創(chuàng)建事件后，事件以橙色滑塊顯示在角色軌道，同時上面還有事件名稱?；瑝K可在時間軸上拖動，以調(diào)節(jié)該事件的時間長度。如選擇“胳膊旋轉(zhuǎn)”的行為事件，點擊播放按鈕后，即可顯示虛擬角色胳膊旋轉(zhuǎn)的動畫，調(diào)節(jié)胳膊旋轉(zhuǎn)的各種參數(shù)，如肩膀、肘擺動的幅度、速度以及腿和軀干硬度等。播放超過滑塊長度后，受到重力影響，虛擬角色自然下垂倒地。如讓角色不倒下且有后續(xù)行為時，再根據(jù)需要添加其他事件，添加其他事件后軟件會再次生成一移動滑塊，兩個滑塊連接后，剛才的動作會與這個滑塊的動作連接在一起，成為一連串連續(xù)動作。動作的連接如果比較生硬，則可再次添加事件，如運動傳遞事件進行修飾，以使動作連貫、流暢。

4.1.3 執(zhí)行模擬命令產(chǎn)生動畫。

4.1.4 虛擬角色動畫數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。將虛擬角色模擬解算后生成動畫數(shù)據(jù)以FBX的格式導(dǎo)出，然后導(dǎo)入到3DSMAX、MAYA或是motionbuilder中。

4.2 Endorphin的事件模塊

Endorphin軟件一套完整的角色動作模擬依賴于事件的組合。Endorphin的事件模塊類似于動作數(shù)據(jù)庫，但不同于一般動作捕捉或是手工制作的動作數(shù)據(jù)庫，這種動作數(shù)據(jù)庫無法形成互動，而Endorphin的事件模塊是可以與游戲動畫師通過參數(shù)的調(diào)節(jié)進行互動，這種交互式的行為功能，是Endorphin的核心功能。

Endorphin的事件模塊中主要有行為事件和其他事件兩個部分。行為事件包括平衡事件、掙扎事件、腿部行為、胳膊行為、倒地行為、抱住行為、雙手行為、跳躍行為、空中掙扎掉落行為、身體硬度與僵硬、彎曲行為事件、阻尼行為事件。其他事件包括運動過渡事件、力事件、約束事件、姿態(tài)事件、運動傳遞事件、切斷事件。事件的眾多組合可滿足多數(shù)情況下游戲動畫制作的要求，隨著Endorphin新版本的出現(xiàn)，其事件模塊功能將更豐富。

4.3 Endorphin在游戲角色動畫制作中的功能

Endorphin在游戲動畫制作中的功能主要體現(xiàn)在以下五個方面：

4.3.1 可實現(xiàn)高層次交互式動畫并實時產(chǎn)生動畫數(shù)據(jù)，用戶只需改變設(shè)定的參數(shù)即可交互式產(chǎn)生新的動畫，快速簡潔，易于修改和重新制作，無需手工制作動畫關(guān)鍵幀那樣逐幀設(shè)定。與傳統(tǒng)動作捕捉方法一樣，Endorphin生成的動畫也可作為預(yù)制動畫存儲于數(shù)據(jù)庫以被游戲調(diào)用，若Endorphin被嵌于游戲系統(tǒng)引擎，預(yù)制動畫則沒有存在的必要，所有動畫都可以由Endorphin在游戲中實時生成，且不會重復(fù)，也就不存在動畫片段間的平滑過渡問題。

4.3.2 高新能顯卡支持下，可實現(xiàn)對一個或多個虛擬角色進行模擬，角色的數(shù)量無上限；也可以改變虛擬角色的骨骼結(jié)構(gòu)，模擬動物；亦可在場景中放置任何物體，讓角色與之碰撞或發(fā)生其他接觸。

4.3.3 Endorphin內(nèi)部預(yù)制有常見的肢體運動行為，如手觸、腳踢物體、跳躍、向前向后摔倒等，而且允許或限制虛擬人某些部位的運動。例如在整個動畫過程中，虛擬人的手必須抓住門的扶手或雙手握著手槍，這些預(yù)制動作極大地方便了游戲動畫的制作。

4.3.4 Endorphin可以設(shè)置虛擬角色的最終位置和姿勢，系統(tǒng)會在模擬過程中盡量往目標(biāo)靠近，這種規(guī)定動畫結(jié)局的方法能給游戲的開放式設(shè)計帶來有效的控制。系統(tǒng)允許把模擬的動畫和輸入的動畫混合，這樣可以將現(xiàn)有的動畫和Endorphin的物理模擬無縫結(jié)合，這對動畫制作次要的連續(xù)變化非常有用。

4.3.5 Endorphin允許用戶輸入動畫和模擬動畫混合，這可以將動畫師現(xiàn)有的3DSMAX或MAYA動畫數(shù)據(jù)輸入到Endorphin中，利用Endorphin物理模擬優(yōu)勢可以節(jié)約大量的游戲動畫制作時間。

5 游戲角色動畫引擎——Euphoria

Natural Motion公司在其核心產(chǎn)品Endorphin產(chǎn)品基礎(chǔ)上新開發(fā)的Euphoria游戲角色動作引擎，這與只能作為角色動畫制作工具的Endorphin有了根本性的

變化。

Euphoria利用CPUs對交互的動畫進行合成，不再是基于對已存儲的數(shù)據(jù)進行調(diào)用，而是對游戲角色真實肌肉運動和生物力學(xué)的快速模擬，它可使游戲動畫生成的實時性更強，編程人員不必事先編寫角色的反應(yīng)程序，而是直接由動畫引擎通過計算動作力度等多重變量來決定游戲中的角色模型將如何反應(yīng)，每次的計算結(jié)果都會有所不同，因此玩家會體驗到與以往不同的獨特感覺，游戲中角色的動作就是你本人的動作，而不再是動畫數(shù)據(jù)，游戲中的角色行動起來就好像有中樞神經(jīng)控制一樣的靈敏。

Euphoria將動態(tài)動作合成技術(shù)運用到Playstation 3、Xbox 360和PC機上，實現(xiàn)了動態(tài)動作合成技術(shù)鑲嵌于游戲引擎，使之能夠營造出真實、獨特的游戲體驗，動畫逼真程度可稱得上前所未有。這是繼3D圖像后游戲領(lǐng)域中最大的革新，也是游戲?qū)崟r動畫技術(shù)的一次重大突破。

6 結(jié)語

Endorphin作為一個可進行動作捕捉模擬的交互式動態(tài)運動合成軟件，具有實時演算、角色動畫自動生成的功能，其剪輯式編輯動畫的操作方式改變了人們制作游戲角色動畫的傳統(tǒng)思維。Endorphin軟件盡管受現(xiàn)階段人工智能和生物仿真技術(shù)發(fā)展的限制，仍然只是一個制作動畫的工具，其產(chǎn)生的自適應(yīng)行為種類也有限，但Endorphin所采用的技術(shù)模式代表著未來游戲角色動畫的發(fā)展趨勢。隨著更先進的Euphoria游戲角色動作引擎的出現(xiàn)，使游戲的實時動畫技術(shù)上升到了一個新的高度，在可見的未來，智能化的實時動畫生成技術(shù)將在3D游戲動畫領(lǐng)域一統(tǒng)天下。

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作者簡介：尚冰（1973-），男，安徽人，供職于蘇州高博軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：三維動畫。endprint