動作捕捉實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

朱永瓊 （武漢商學(xué)院 藝術(shù)學(xué)院 430056）

動作捕捉實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

朱永瓊 （武漢商學(xué)院 藝術(shù)學(xué)院 430056）

動作捕捉技術(shù)常常用在好萊塢電影中的特技及動畫影視作品中，已成為三維動畫制作的一種重要技術(shù)。國內(nèi)動捕教學(xué)受限于設(shè)備、場地和教師等因素，鮮少有高校開設(shè)此實驗課程。本文在美國魔神三維動作捕捉分析系統(tǒng)環(huán)境下，提出動作捕捉實驗教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計，讓學(xué)生深入動畫產(chǎn)品生產(chǎn)和制作一線，了解動作捕捉制作動畫全過程，培養(yǎng)學(xué)生的綜合職業(yè)能力，滿足社會高端人才的需求。

動作捕捉；實驗教學(xué)內(nèi)容；實訓(xùn)教學(xué)

本文系武漢市市屬高等學(xué)校教學(xué)研究項目——動畫專業(yè)動捕實訓(xùn)教學(xué)研究與實踐（項目編號：2014103）

一、引言

傳統(tǒng)的三維動畫制作主要依靠Maya或3DSMAX等三維軟件來制作，角色動作由動畫師K幀調(diào)整，這種創(chuàng)作方式需要投入大量的創(chuàng)作人員與創(chuàng)作時間，效率很低。在高質(zhì)量的商業(yè)動畫創(chuàng)作中，一個熟練的動畫師每天也只能制作數(shù)秒的動畫。而當(dāng)今國際三維動畫的發(fā)展程度跟日新月異的計算機技術(shù)密不可分。近年來，一種新的動畫制作技術(shù)——動作捕捉技術(shù)常常用在好萊塢電影中的特技及動畫影視作品中，并逐漸成為三維動畫制作的一種重要技術(shù)。動作捕捉技術(shù)最顯著的優(yōu)勢在于其可以大幅提高動畫的創(chuàng)作效率。傳統(tǒng)動畫創(chuàng)作中角色的動作主要依賴于動畫師的經(jīng)驗，往往需要經(jīng)過長期的訓(xùn)練。而應(yīng)用動作捕捉技術(shù)可以大大降低角色動作的創(chuàng)作難度，減少對于創(chuàng)作者經(jīng)驗、技巧的依賴，最關(guān)鍵的是，動作捕捉系統(tǒng)記錄的是物體的實際動作，捕捉到的動作的每一幀都是關(guān)鍵幀，所以動作精準(zhǔn)流暢，效果非常逼真。經(jīng)過動作捕捉之后，CG角色有了自己的動作、表情，就算是具有豐富經(jīng)驗的動畫師也難以創(chuàng)作出如此逼真的動作。因此，近年來動作捕捉技術(shù)應(yīng)用到了大部分的好萊塢電影中，如大家熟悉的《阿凡達(dá)》《指環(huán)王》《金剛》等都大量使用了動作捕捉技術(shù)1。

為了將教學(xué)與市場應(yīng)用接軌，有助于培養(yǎng)動畫行業(yè)高素質(zhì)人才，需要在三維動畫領(lǐng)域開設(shè)動作捕捉課程，才能讓學(xué)生深入動畫產(chǎn)品生產(chǎn)和制作一線，在教師的指導(dǎo)下，運用所學(xué)的知識，了解動作捕捉制作動畫全過程，培養(yǎng)學(xué)生的綜合職業(yè)能力，滿足社會高端人才的需求。但目前在各高校中鮮少有學(xué)校開設(shè)此門課程，究其原因主要有兩個。一是動捕設(shè)備比較昂貴。目前比較好的動捕設(shè)備主要是英國的Vicon、美國的魔神和國內(nèi)的天遠(yuǎn)等，這些系統(tǒng)造價不菲，動則上百萬，一般的企業(yè)和高校難以承受。二是缺乏相關(guān)的實訓(xùn)教材和系統(tǒng)。魔神等系統(tǒng)的核心技術(shù)完全來自國外，外國的設(shè)計者并未設(shè)計此系統(tǒng)的教學(xué)實訓(xùn)指南，導(dǎo)致在實際的教學(xué)中需要自己構(gòu)建動作捕捉實訓(xùn)教學(xué)體系。

因此，雖然國際上動作捕捉技術(shù)應(yīng)用在動畫創(chuàng)作過程中有著十分突出的優(yōu)勢并有著很好的發(fā)展前景，但受限于經(jīng)費和人才的因素，國內(nèi)動捕實訓(xùn)教學(xué)很難開展。而隨著動捕技術(shù)在國外廣泛的應(yīng)用在虛擬現(xiàn)實、醫(yī)療、工業(yè)、體育競技分析、科研等諸多領(lǐng)域，開設(shè)動作捕捉課程是勢在必行。

二、運動捕捉技術(shù)介紹

運動捕捉系統(tǒng)按工作原理可將其分為以下幾類：聲學(xué)式、光學(xué)式、電磁式、機械式和基于視頻的運動捕捉系統(tǒng)2。光學(xué)式運動捕捉系統(tǒng)具有較成熟的技術(shù)、較高的采樣率、運動受限小的特點成為目前使用最廣泛的一種捕捉系統(tǒng)，如魔神、Vicon等都是屬于光學(xué)式運動捕捉設(shè)備。該系統(tǒng)通過對附著在運動目標(biāo)上的特定標(biāo)記點進行跟蹤和監(jiān)測，最終獲得運動捕捉數(shù)據(jù)，達(dá)到動作捕捉的目的。在運動捕捉時，在捕捉對象的主要關(guān)節(jié)處粘貼一些標(biāo)志點（Marker），這些標(biāo)志點具有發(fā)光的特點，攝像機接收標(biāo)志點反射回來的光線，獲取標(biāo)記點在二維圖像中的位置3。如果一個標(biāo)記點同時為多部相機所見，則可計算出標(biāo)記點在三維空間中的坐標(biāo)信息4，以此獲得光學(xué)式運動捕捉數(shù)據(jù)5。

三、實驗教學(xué)設(shè)計

（一）運動捕捉系統(tǒng)實驗環(huán)境搭建

本課程的實驗環(huán)境設(shè)定的是美國魔神三維動作捕捉分析系統(tǒng)。作為教學(xué)使用，選用8個Raptor-4動作捕捉系統(tǒng)鏡頭環(huán)繞在動作捕捉區(qū)域，只能用于單人的動作捕捉。通過對捕捉區(qū)域中演員的動作進行捕捉，將捕捉數(shù)據(jù)傳送到運動數(shù)據(jù)捕捉工作站中。實驗中主要用到：

Raptor-4鏡頭：精度0.058mm，采用了美國Micron公司的MIMV40傳感器，在2352× 1728象素的模式下工作，頻率可以達(dá)到每秒200幀。較小分辨率的情況下，采集頻率可升至10，000幀/秒。

Cortex實時操作及分析軟件：提供給用戶簡單而強大的操作及處理環(huán)境，用戶可以在統(tǒng)一環(huán)境下完成設(shè)置、校準(zhǔn)、捕捉、識別、匹配、建模、編輯及數(shù)據(jù)分析及輸出功能。支持32位及64位操作系統(tǒng)，提供cortex無線控制器，可以單人完成系統(tǒng)操作。

動作捕捉系統(tǒng)配件（配套）：

（1）數(shù)據(jù)線-獨立的網(wǎng)絡(luò)線及電源連接線類型，Ethernet（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）及Power Lemo連接器，通過專用實時分析處理軟件，使用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP數(shù)據(jù)通訊協(xié)議；

（2）專用云臺；

（3）配套強力夾；

（4）專用三角架（與鏡頭數(shù)量匹配）；

（5）動作捕捉專用緊身服裝；

（6）動作捕捉專用反光點套裝；

（7）設(shè)備配套用附件，用于設(shè)備架設(shè)、L和T型動態(tài)校準(zhǔn)棒及捕捉輔助材料等。

（二）實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

1.實驗概述

整個實驗流程是利用紅外鏡頭實時采集演員的動作，在Cortex中輸出整個動作采集的數(shù)據(jù)FBX。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Maya中進行修幀，修補噪聲數(shù)據(jù)，確定關(guān)鍵幀。最后將關(guān)鍵幀轉(zhuǎn)換為骨骼數(shù)據(jù)，在三維軟件中綁定角色，從而使角色賦予了捕捉的動作形成動畫。通過這種實驗流程，使學(xué)生懂得動作捕捉動畫的制作流程，提高了學(xué)習(xí)熱情，為以后的動畫制作打下了很好的基礎(chǔ)。

2.實驗關(guān)鍵步驟

（1）設(shè)備連接：啟動工作站，插入主加密狗。打開Cortex軟件，啟動攝像頭連接，如果連接正常，8個動作捕捉鏡頭會變紅色，而且，在Cortex軟件上會出現(xiàn)8個方框顯示攝像頭的捕捉區(qū)域。

（2）掃場：掃場的目的是在捕捉區(qū)域內(nèi)測試攝像頭是否能完整的捕捉到整個捕捉區(qū)域內(nèi)的動作標(biāo)記點。將T型動態(tài)校準(zhǔn)棒準(zhǔn)備好，在捕捉區(qū)域內(nèi)揮舞掃場。掃場的方向是前后左右上下都需要掃，T型棒掃過的地方在Cortex攝像頭捕捉區(qū)域中會顯示捕捉到的點數(shù)據(jù)，掃場的速度最好接近于模特運動的速度，這樣可以更準(zhǔn)確的測試攝像頭是否能捕捉到所有數(shù)據(jù)。如果8個攝像頭捕捉區(qū)域的點已經(jīng)全部鋪滿，則所有攝像頭工作完畢，會自動“嗖”的一聲提示校準(zhǔn)完成。在掃場的過程中最好不要自行停止校準(zhǔn)，以防有的攝像頭不能捕捉到某些區(qū)域的動作而導(dǎo)致最后三維數(shù)據(jù)坐標(biāo)變換的錯誤。

（3）水平定位：為了定位三維坐標(biāo)的原點和方向，需要使用L型動態(tài)校準(zhǔn)棒。L型棒的長柄對應(yīng)的是三維Z軸方向，一般是演員表演正面的方向，也是擺放攝像機的方向。調(diào)整L型棒短柄，上面有個小球，擺置在中間使其達(dá)到水平。

（4）演員動作測試：前續(xù)的準(zhǔn)備完成后，就需要給演員模特穿上動作捕捉專用緊身服裝，貼上標(biāo)記點。演員的選取需要注意，演員的身高比例必須和動作捕捉專用緊身服相匹配。演員穿好衣服后，就開始在衣服上貼標(biāo)記點了。關(guān)于標(biāo)記點的粘貼，并不是無規(guī)則的，必須覆蓋所要捕捉的骨骼。關(guān)于如何設(shè)置標(biāo)記點的研究有很多，太多的標(biāo)記點會導(dǎo)致捕捉的數(shù)據(jù)過大，太少了不能涵蓋所要捕捉的骨骼。在這里，可以采用最常用的BVH或ASF/ AMC的骨架模型和幾個輔助標(biāo)記點來貼標(biāo)記點。接著，演員可以做基本動作進行T-pose的動作測試，在Cortex中檢測下標(biāo)記點在基本動作中是否無誤。如果發(fā)現(xiàn)有丟失或遮擋標(biāo)記點的現(xiàn)象可以進行調(diào)整，直到基本動作都能正確捕捉為止。

（5）演員的動作捕捉：在捕捉區(qū)域內(nèi)，演員開始進行表演，同步進行動作的捕捉。表演結(jié)束后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出保存為FBX文件。

（6）噪聲數(shù)據(jù)的處理：由于標(biāo)志點在采集過程中可能發(fā)生遮擋、混淆或丟失，采集到的運動捕捉數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)誤差和偽數(shù)據(jù)產(chǎn)生噪聲。需要對噪聲數(shù)據(jù)進行處理和修補丟失的數(shù)據(jù)。在Maya中根據(jù)動畫曲線使用插值和逐幀調(diào)整的方法將捕捉數(shù)據(jù)中的錯誤修正，保證動作的準(zhǔn)確和流暢。

（7）骨骼綁定：將貼標(biāo)記點的骨架模型與骨骼進行綁定。將動捕數(shù)據(jù)中的各個標(biāo)記點與骨骼上的關(guān)鍵節(jié)點進行映射，使得骨骼得以由動捕數(shù)據(jù)中標(biāo)記點的空間位置數(shù)據(jù)驅(qū)動而運動起來。

（8）角色模型與動捕數(shù)據(jù)的綁定：將角色導(dǎo)入到Maya中與骨骼綁定，K幀從而驅(qū)動角色模型，使角色具有捕捉到的動作形成動畫。

3.實驗設(shè)計

本實驗課共計32學(xué)時，其中教師講授16個學(xué)時，分4次課進行，每次4個學(xué)時。學(xué)生實踐16個學(xué)時，分2次進行，每次8個學(xué)時。教師講授內(nèi)容如下：

（1）第一次課的內(nèi)容主要是要學(xué)生熟悉動作捕捉環(huán)境和設(shè)備，了解各設(shè)備的功能，學(xué)會動捕設(shè)備的連接啟動，學(xué)會掃場、水平定位等初始準(zhǔn)備工作。

（2）第二次課的內(nèi)容需要學(xué)生學(xué)會如何給演員穿動作捕捉專用緊身服以及粘貼標(biāo)記點。在演員動作測試過程中學(xué)會如何在Cortex中檢測標(biāo)記點是否粘貼正確。

（3）第三次課的內(nèi)容主要是學(xué)習(xí)對演員的動作進行捕捉，以及捕捉數(shù)據(jù)的噪聲處理。

（4）第四次課的內(nèi)容是如何將標(biāo)記數(shù)據(jù)和骨骼進行映射，以及如何驅(qū)動角色進行動作。

通過本實驗的實踐，學(xué)生能完整的掌握到光學(xué)運動捕捉技術(shù)在三維動畫上的運用，使學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容緊跟時代發(fā)展的前沿，為將來的動畫學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。

四、結(jié)語

本實驗教學(xué)將在動畫專業(yè)本科進行實踐，將每個班分成2組采用小班教學(xué)。由于本校藝術(shù)學(xué)院采購了美國魔神動作捕捉系統(tǒng)，使教學(xué)具備良好的實驗環(huán)境，使教學(xué)和行業(yè)接軌，提高了學(xué)生的職業(yè)能力和就業(yè)率。

注釋：

1.許樂， 朱柏宇，計算機技術(shù)與電影真實感的建立：以動作捕捉技術(shù)和奧斯卡視覺特效獎為例［J］.北京電影學(xué)院學(xué)報，2014（1）：64-72.

2.向澤瑞，友錦亦，徐伯初，李娟.運動捕捉技術(shù)及其應(yīng)用研究綜述［J］.計算機應(yīng)用研究，2013，30（8）：2241-2245.

3.潘華偉，孟奇，高青鳴.一種新的運動捕獲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法［J］.計算機工程，2012，38（2）：17-20.

4.張迪.基于運動捕捉數(shù)據(jù)的三維人體運動合成［D］.長安大學(xué)，2015.

5.譚光華，周美蘭，高青鳴，李仁發(fā).光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)中標(biāo)記點自動注冊與預(yù)測算法［J］.模式識別與人工智能，2014，27（7）：611-616.