基于Kinect的快速動(dòng)畫制作應(yīng)用研究

賈飛鵬，何冬冬

（泉州信息工程學(xué)院，福建 泉州 362000）

基于Kinect的快速動(dòng)畫制作應(yīng)用研究

賈飛鵬，何冬冬

（泉州信息工程學(xué)院，福建 泉州 362000）

由于傳統(tǒng)的動(dòng)畫在生成過程中存在著實(shí)時(shí)性差、清晰度低和生成過程繁瑣以及高成本等一系列問題，本文運(yùn)用Kinect的體感捕捉技術(shù)來制作動(dòng)畫提高工作效率.Kinect在醫(yī)療領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，例如第十四醫(yī)院的智能探測機(jī)器人，利用正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法建立拓?fù)涔羌芙Y(jié)構(gòu)的動(dòng)畫人物模型，并能夠定向創(chuàng)建虛擬人物模型，進(jìn)而操作模型做出與真實(shí)行為一致的運(yùn)動(dòng).為了消除虛擬人物在運(yùn)動(dòng)中懸浮和人體的某些肢體丟失的現(xiàn)象,所以就有了平移補(bǔ)償和關(guān)節(jié)點(diǎn)丟失的保持機(jī)制.大量的實(shí)驗(yàn)表明，利用Kinect可以更好的呈現(xiàn)實(shí)時(shí)逼真的虛擬人物運(yùn)動(dòng)并生成動(dòng)畫，且該方法易于實(shí)現(xiàn)、實(shí)用性強(qiáng).

Kinect；快速動(dòng)畫；應(yīng)用研究

1 目前Kinect的應(yīng)用現(xiàn)狀

Kinect在游戲開發(fā)中也有廣泛的應(yīng)用，我們傳統(tǒng)的動(dòng)畫制作都是通過一些游戲開發(fā)軟件與其人物模型進(jìn)行綁定，再利用動(dòng)畫的設(shè)計(jì)理念對其進(jìn)行設(shè)計(jì)和修飾，這種方式不僅在動(dòng)畫的制作,需要對動(dòng)畫制作人員的技術(shù)有很高的要求,于此同時(shí),還會(huì)浪費(fèi)制作人員的大量時(shí)間.

Kinect動(dòng)作捕捉技術(shù)的快速發(fā)展，一些專業(yè)人員通過Kinect技術(shù)和iClone5動(dòng)畫制作方式制作插件，來給游戲軟件制作的人物進(jìn)行配置動(dòng)畫，并利用Unity3D引擎再對動(dòng)畫進(jìn)行開發(fā)，經(jīng)過不斷地測試，最終證明這種開發(fā)方式在游戲動(dòng)畫的制作過程中更具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用性.在2010年微軟就將XBOX360的體感正式命名為Kinect.隨著這個(gè)命名的出現(xiàn)，Kinect技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛，尤其是在游戲領(lǐng)域的應(yīng)用，Kinect系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)捕獲、視頻識別、麥克風(fēng)語音輸入以及朋友之間的互動(dòng)等一些動(dòng)態(tài)獲取的功能，這就為開發(fā)提供了便利，能夠使玩家可以不受手柄的局限，而是能夠調(diào)動(dòng)玩家自身身體的全部肢體來玩游戲，真實(shí)的模擬現(xiàn)實(shí)中的游戲，讓用戶能夠感受的身臨其境的效果.Kinect有三個(gè)眼系統(tǒng)，他們分別為中間的彩色攝像頭，控制模擬任務(wù)協(xié)調(diào)的左右紅外攝像機(jī)，以便感應(yīng)到更加深度的信息.在現(xiàn)在的游戲開發(fā)中，主要是通過Kinect技術(shù)來對人體骨骼來進(jìn)行跟蹤.iClone5是臺灣的公司研發(fā)的一款能夠輔助3D游戲開發(fā)的軟件系統(tǒng)，用戶能夠很方便的利用這種技術(shù)創(chuàng)建數(shù)字角色、視覺效果和體感捕捉.Unity Technogoies 公司開發(fā)的Unity3D是可以讓開發(fā)人員開發(fā)出三維的視頻游戲和建筑模型的內(nèi)容的游戲開發(fā)的工具，這是一個(gè)很全面的游戲引擎系統(tǒng).

運(yùn)動(dòng)重定向是將骨骼運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)重新利用的方式,可以為動(dòng)畫的后期制作進(jìn)行調(diào)整，以便于解決動(dòng)畫中人物動(dòng)作的無法模擬逼真的高難度動(dòng)作，所以王萬良利用Kinect的數(shù)據(jù)流作為輸入信號，也就提出了將低維信號轉(zhuǎn)換為高維信號的方式，然后就通過模塊是無法跟數(shù)據(jù)庫中相似動(dòng)作片段，在最后需要將多個(gè)動(dòng)作片段制作成動(dòng)畫.

2 Kinect在國內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國內(nèi)的Kinect的應(yīng)用也很廣泛，在一些醫(yī)療行業(yè)、游戲設(shè)備和動(dòng)畫制作上都有著廣泛的應(yīng)用.

2.1 Kinect在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用

醫(yī)院對手術(shù)的環(huán)境要求很高，但是就當(dāng)前的醫(yī)務(wù)人員之間的交流方式還不利于手術(shù)的操作，這樣就在無形之間加大了醫(yī)院手術(shù)人員的工作負(fù)擔(dān)，不能保證手術(shù)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性.Kinect的肢體感應(yīng)來操作游戲能夠很好的應(yīng)對當(dāng)前的難題，在使用手機(jī)的整個(gè)過程中，能夠利用手機(jī)來查詢相關(guān)的醫(yī)學(xué)資料，不能夠局限于觸摸的方式，還可以利用手勢和語音的形式來對圖片進(jìn)行縮放和查閱來進(jìn)行控制操作.例如在瑞士的伯爾尼大學(xué)應(yīng)用Kinect技術(shù)為醫(yī)療圖像的瀏覽OsirixPACS系統(tǒng)，利用系統(tǒng)的語音控制和體感效果來取代傳統(tǒng)的檢查程序，利用這種方式就可以實(shí)現(xiàn)尸體檢查的無菌性，避免了醫(yī)務(wù)人員的接觸感染的可能，在我國應(yīng)用中，第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院以Kinect為基礎(chǔ)條件，開發(fā)出能夠自動(dòng)識路的機(jī)器人設(shè)備.當(dāng)機(jī)器人在進(jìn)入到一個(gè)陌生的環(huán)境中，可以利用Kinect技術(shù)對地理位置進(jìn)行分析來獲取并及時(shí)的繪制出三維地圖的數(shù)據(jù)庫，從而利用地圖來進(jìn)行判斷并進(jìn)行的路徑的分析和規(guī)劃.使用的人可以通過手勢來遠(yuǎn)距離的控制機(jī)器人，讓它來模擬操控者做出一樣的動(dòng)作，如同電影中的場景，幾年之后，人們就能夠利用特定的收拾手勢和語音來控制機(jī)器人，來幫我們打掃衛(wèi)生、收拾房間、擺放物品等一系列的家務(wù).部分移動(dòng)機(jī)器人的團(tuán)隊(duì)利用Kinect技術(shù)開發(fā)了一款救援機(jī)器人，這樣就能夠在大型災(zāi)害后坍塌的建筑物和危險(xiǎn)地帶等惡劣環(huán)境，通過獲取的地理信息分析從而繪制出三維地圖數(shù)據(jù)，從而找到合適的路線去救助受災(zāi)人員.

以Kinect為基礎(chǔ)制作的影像瀏覽系統(tǒng)已經(jīng)在脊柱骨瘤的外科手術(shù)中應(yīng)用成功，醫(yī)生則可以不用佩戴任何的附加設(shè)備，利用體感控制就能夠獲取患者的病例的影像資料，從而在很大程度上降低了室內(nèi)的交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)，使得外科手術(shù)能夠高效、安全地進(jìn)行.

Kinect與我們傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備相比較，不僅成本低廉還能夠時(shí)時(shí)捕獲動(dòng)作、對骨骼進(jìn)行跟蹤和獲取深數(shù)據(jù)，從而能夠準(zhǔn)確的捕獲中風(fēng)病人的肢體運(yùn)動(dòng)信息，再分析這些數(shù)據(jù)能夠更加準(zhǔn)確的掌握病人康復(fù)情況，時(shí)時(shí)的對其病情進(jìn)行監(jiān)控.現(xiàn)在醫(yī)院可以利用Kinect技術(shù)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控病人鍛煉的康復(fù)系統(tǒng)，能夠更好的幫助中風(fēng)和老年病患者，這個(gè)技術(shù)在醫(yī)療上的應(yīng)用前景廣闊.

2.2 Kinect在動(dòng)畫制造中的應(yīng)用

Kinect是通過iClone5軟件制作出能夠識別骨骼的運(yùn)動(dòng)模式,骨骼的運(yùn)動(dòng)模式iClone5設(shè)置的窗體中有著相應(yīng)的記錄,其中3DsMax就是綁定者骨骼.目前的骨骼適配的畫面，系統(tǒng)能夠設(shè)定綠色人形，他是根據(jù)人的體形樣式而制成的.然而，藍(lán)色人形則是通過Kinect技術(shù)來拍攝對象的一定姿勢，主要目的是需要拍攝人員的姿勢能夠與系統(tǒng)設(shè)定的人員姿勢是一樣的.綠色人形與體型相匹配后構(gòu)建的能被Kinect技術(shù)所識別而形成的圖像，因此，被拍攝人員的任何動(dòng)作都會(huì)被Kinect辨識，如果在圖像的拍攝過程中對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄.還應(yīng)該利用i-Clone5中的按鈕，來對“Record”命令進(jìn)行點(diǎn)擊和配置，這樣我們捕捉的畫面才能夠合理的將動(dòng)畫的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理.

動(dòng)畫捕捉技術(shù)既能夠單個(gè)捕捉，同時(shí)還可以將一系列的動(dòng)作放在一個(gè)文件中進(jìn)行動(dòng)作存儲，在i-Clone5中就需要將角色模型和動(dòng)畫的數(shù)據(jù)進(jìn)行分開來存儲，并完成模型和動(dòng)畫輸入到3DXChange中，然后將模型中和動(dòng)畫數(shù)據(jù)以FBX格式將文件進(jìn)行存儲，但是由于必須要在Unity3D的游戲引擎中進(jìn)行輸出，所以將輸出的參數(shù)設(shè)定為“GameEngine_Unity3D”.

動(dòng)畫的制作者可以利用3DXCchange轉(zhuǎn)換的模型和動(dòng)畫導(dǎo)入到Unity3D的游戲引擎中，如此，我們就需要建立一個(gè)Unity3D的項(xiàng)目，3DXChange輸出的模型和貼圖文件一并復(fù)制到Unity3D的項(xiàng)目文件中Assets的目錄下，Unity3D則會(huì)自動(dòng)將傳入的模型及動(dòng)畫進(jìn)行檢測.動(dòng)畫的制作者就能夠在編輯器中對動(dòng)畫的人物模型和動(dòng)畫設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的調(diào)試來滿足制作者制作動(dòng)畫的實(shí)際需求，最后完成模型及動(dòng)畫數(shù)據(jù)并將其數(shù)據(jù)導(dǎo)出為UnityPackage格式的文件交給程序設(shè)計(jì)人員.

2.3 kinect在人物模擬中的應(yīng)用

2.3.1 創(chuàng)建虛擬人模型

在動(dòng)畫中的虛擬人物可以利用Kinect只能對20多個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的信息，與此同時(shí)，為了將206塊骨骼來降低建模和計(jì)算的復(fù)雜度降低到只有20塊關(guān)節(jié)點(diǎn)復(fù)雜度以下，這就需要對其進(jìn)行一對一的映射才能夠?qū)崿F(xiàn).這個(gè)重定向的骨骼模型的拓?fù)鋱D中，虛擬人物的主脊柱將會(huì)是一個(gè)最為基本的支柱，而且上下級的關(guān)節(jié)之間會(huì)相互牽制和影響.

2.3.2 基于正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的重定向技術(shù)

對于虛擬人物的骨骼運(yùn)動(dòng)的重定向技術(shù)是利用兩種矩陣，他們分別有初始變換矩陣和組合變換矩陣，初始變換矩陣可以表示骨骼的初始位置，而組合變換矩陣則是對骨骼的各種運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算的，只有將這兩種矩陣相結(jié)合才能夠?qū)崿F(xiàn)對骨骼位置的更新.利用圖像特征的相似度匹配算法主要成分來降低重定向的效率和使用的實(shí)效性不是很高.因此，本文就提出了一種基于Kinect的骨骼實(shí)時(shí)的跟蹤重定位技術(shù)，并利用這個(gè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬人物在動(dòng)畫中的逼真效果，同時(shí)也將虛擬人物在動(dòng)畫重定向應(yīng)用過程中有關(guān)的滲透、懸空和關(guān)節(jié)點(diǎn)的暫時(shí)不能丟失現(xiàn)象，提出了平移補(bǔ)償和丟失關(guān)節(jié)機(jī)制等基于正向重定向技術(shù)運(yùn)動(dòng)是骨骼.分別對于初始變換矩陣和組合變換矩陣，則初始變換矩陣代表虛擬人物的初始位置，然而組合變換矩陣主要是將存儲的骨骼運(yùn)動(dòng)的獲取出來，并計(jì)算骨骼之間的運(yùn)動(dòng)，這兩種矩陣相互協(xié)調(diào)可以共同實(shí)現(xiàn)骨骼位置的更新.由于虛擬人模型必須要利用正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的重定向來，通過骨骼運(yùn)動(dòng)的原理動(dòng)畫，創(chuàng)建人物模型的幀表示骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)每幀對骨骼關(guān)節(jié)進(jìn)行更新.將上級節(jié)點(diǎn)上的骨骼節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)傳遞給子關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng).確定正向矢量給出的狀態(tài)的向量液晶，關(guān)于運(yùn)動(dòng)之間的方程來就每個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置來進(jìn)行計(jì)算.就正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的解決思路：就對于根的節(jié)點(diǎn)的變換則需要利用平移和旋轉(zhuǎn)的矩陣來更新狀態(tài)，對于字節(jié)點(diǎn)需要從根節(jié)點(diǎn)逐漸應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)矩陣遍歷到目標(biāo)字節(jié)點(diǎn)，計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)在模型坐標(biāo)系的三維位置.

2.3.3 平移補(bǔ)償

在虛擬人物模型創(chuàng)建骨骼的時(shí)候，為了利用平移補(bǔ)償讓Kinect骨骼的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相保持一致，文中是利用虛擬人物的幾何模型的坐標(biāo)相對應(yīng)的根節(jié)點(diǎn)處，但是由于人體的全部動(dòng)作都是將腳步為坐標(biāo)系中原點(diǎn)，然而，將會(huì)將腿部以下的肢體關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)的工程中出現(xiàn)的現(xiàn)象.為了能夠?qū)⑦@個(gè)問題解決，可以從幾何關(guān)系上著手，來定義肢體的運(yùn)動(dòng)原理.按照算法計(jì)算，假設(shè)虛擬人物模型腿部的長度為L，另外假設(shè)根節(jié)點(diǎn)的spine進(jìn)行發(fā)生了偏移，會(huì)讓根節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換.用于推算出根節(jié)點(diǎn)需要平移和補(bǔ)償數(shù)據(jù)，利用平移補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)的數(shù)據(jù)來使節(jié)點(diǎn)的腳步發(fā)生偏移.這樣制作出的動(dòng)畫更為逼真、生動(dòng)，同時(shí)還能夠可以對復(fù)雜度進(jìn)行小的改動(dòng).當(dāng)虛擬人隨著根節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，利用計(jì)算的角度推出平移距離，并對spine根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行平移補(bǔ)償，并對賦值給根節(jié)點(diǎn)的矩陣.

2.3.4 關(guān)節(jié)點(diǎn)丟失保持

因?yàn)镵inect的硬件的本身的缺陷導(dǎo)致部分關(guān)節(jié)點(diǎn)的缺少和遮擋問題，本文對于失真處理辦法對關(guān)節(jié)保持機(jī)制.當(dāng)關(guān)節(jié)點(diǎn)丟失的時(shí)候，需要保證矩陣信息，就從某種程度上，避免了人物的肢體失真問題.當(dāng)Kinect的API定義了關(guān)節(jié)點(diǎn)被跟蹤的狀態(tài)是 TRACKEDN、INFERRED和 NOT_TRACKED三種狀態(tài).他們分別用來表示跟蹤到，跟蹤中，未跟蹤等三個(gè)狀態(tài).主要的算法思路和流程是（1）通過Kinect的骨骼的算法來計(jì)算關(guān)節(jié)點(diǎn)為NOT_TRACKED，如果判斷是true，就可以按其以下步驟進(jìn)行（.2）他能夠?qū)⑵涓戈P(guān)節(jié)點(diǎn)的前一幀進(jìn)行記錄和保存為pV0和表示變換成四個(gè)元素分別為pQ0，節(jié)點(diǎn)前一個(gè)幀的四個(gè)元素為childQ0（.3）據(jù)當(dāng)前的childQ0和Qt相乘得出的當(dāng)前四個(gè)元素為childQ1.（4） 將 childQ0乘以 Qt的四個(gè)元素 childQ1,將childQ1應(yīng)用到骨骼的長度上，計(jì)算當(dāng)前幀的三維坐標(biāo)childV1.（5）在某個(gè)時(shí)刻這個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)能夠?yàn)門RACKED或者INFERRED時(shí)，則能夠替換下一個(gè)幀.

3 總結(jié)

傳統(tǒng)的軟件行業(yè)對動(dòng)畫的制作缺乏可行性，本文通過利用Kinect技術(shù)，來獲取骨骼運(yùn)動(dòng)的真實(shí)信息系統(tǒng)，然后再利用相對運(yùn)動(dòng)學(xué)對人物進(jìn)行驅(qū)動(dòng).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，這個(gè)方法可以獲取實(shí)際效果.隨著Kinect技術(shù)的快速發(fā)展，將會(huì)對重定位技術(shù)的算法進(jìn)行改進(jìn)并進(jìn)行優(yōu)化處理，可以在時(shí)空的約束下獲取一致的驅(qū)動(dòng)模型設(shè)計(jì)，并可以將虛擬人物進(jìn)行3D場景的交互性處理，也能夠通過骨骼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行定位.

〔1〕張龍.三維動(dòng)畫中運(yùn)動(dòng)重定向技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2008．

〔2〕楊熙年，張家銘．基于骨干長度比例之運(yùn)動(dòng)重定目標(biāo)算法[J].中國圖像圖形學(xué)報(bào)，2002，7(9)：871－875．

〔3〕郭力，何明耘，陳雷霆.基于BVH驅(qū)動(dòng)的OGRE骨骼動(dòng)畫[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2009，26(9)：3550－3552．

〔4〕李紅巖.基于雅比克矩陣的虛擬人運(yùn)動(dòng)控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008．

〔5〕王萬良，馬慶，王鑫，等.基于 Kinect的高維人體動(dòng)畫實(shí)時(shí)合成研究 [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2012，28(11)：184－187．

〔6〕雷濤，羅維薇，王毅.一種具有逼真效果的虛擬人動(dòng)畫生成方法 [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2012，29(10)：3983－3986．

〔7〕李連東，樊養(yǎng)余，雷濤,等.一種可編輯的三維人體蒙皮網(wǎng)格動(dòng)畫合成方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2010，27(3)：1176－1179．

〔8〕潘志庚，程熙，唐冰,等．一種實(shí)時(shí)虛擬人反應(yīng)式動(dòng)畫生成算法 [J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2009，46(1)：151－158．

〔9〕王廣軍.基于運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)的交互式智能控制與虛擬仿真[D].安慶師范學(xué)院,2013.

〔10〕楊道談.一種基于Kinect的實(shí)時(shí)虛擬人動(dòng)畫生成方法[J].電子科技，2015（07）：149-152.

〔11〕李紅波，冉光勇，吳渝，丁林建.一種基于Kinect的角色骨骼動(dòng)畫方法[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（04）：530-535.

J93

A

1673-260X（2017）10-0038-03

2017-07-20