運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在影視創(chuàng)作中的發(fā)展

【摘要】運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)最顯著的優(yōu)勢在于可以大幅提高影視動(dòng)畫的創(chuàng)作效率。本文詳細(xì)介紹了運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的誕生源頭和背景以及在影視創(chuàng)作中的發(fā)展歷史。

【關(guān)鍵詞】光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉；影視創(chuàng)作；影視特效

【中圖分類號】J931 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

一、起源

運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)起源于人類對科學(xué)的探索。早在十七世紀(jì)初，意大利數(shù)學(xué)教授喬瓦尼·阿方索·博雷利對生物的運(yùn)動(dòng)有了很大的研究興趣，并將其研究成果發(fā)布在《Aristotles De Motu Animalium》一書中[1]。他重點(diǎn)分析了肌肉的運(yùn)動(dòng)、四肢的運(yùn)動(dòng)以及人與動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)，包括滑冰、跑步、跳躍、游泳和飛行等，開啟了人體運(yùn)動(dòng)的力學(xué)研究。19世紀(jì)，英國攝影師德沃德·邁布里奇是第一位拍攝并研究運(yùn)動(dòng)中的人類和動(dòng)物而著名的攝影師。他拍攝了很多人、馬和飛鳥的運(yùn)動(dòng)系列，第一次捕捉到人眼以前看不到的圖像。例如，沒有人知道當(dāng)一匹馬運(yùn)動(dòng)時(shí)，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，四條腿都同時(shí)離開了地面。這些運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)研究很快服務(wù)于電影制作者。

二、雛形

1914年，動(dòng)畫師馬克思·弗萊舍發(fā)明了轉(zhuǎn)描機(jī)技術(shù)。它的原理是將真人的真實(shí)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的幀投射到塞璐璐片或紙上，以至于動(dòng)畫師能夠一幀一幀地轉(zhuǎn)描它，捕獲角色的真實(shí)運(yùn)動(dòng)。簡單來說就是一套攝影機(jī)裝置，把膠片投影到動(dòng)畫師的桌面上，讓動(dòng)畫師能夠拓畫下來[2]。弗萊舍在1915年創(chuàng)作的《墨水瓶人》就是利用轉(zhuǎn)描機(jī)和動(dòng)畫技術(shù)制作出來的。

瓦特迪士尼公司是轉(zhuǎn)描機(jī)技術(shù)的偉大實(shí)踐者。1937年，迪士尼公司發(fā)布了它們的第一部長篇?jiǎng)赢嬰娪啊栋籽┕骱推邆€(gè)小矮人》，電影中公主、王后、獵人和王子這幾個(gè)角色均使用了轉(zhuǎn)描技術(shù)。為了更好地刻畫公主的角色動(dòng)作，迪士尼公司聘請了一位會跳舞的女孩作為白雪公主背后的真人舞者，使卡通角色的表演像真人一樣。這部片子讓迪士尼公司一戰(zhàn)成名，迪士尼后來使用轉(zhuǎn)描技術(shù)制作了多部電影如《彼得潘》《愛麗絲漫游仙境》和《睡美人》等。

三、產(chǎn)生

1940-1990年間，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在電影制作上一直沒有太多實(shí)質(zhì)的發(fā)展，轉(zhuǎn)描技術(shù)還在繼續(xù)使用，但相關(guān)的科學(xué)研究還在繼續(xù)。1969年，Polhemus[3]工作組建造了第一個(gè)電磁運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，主要用于軍事研究，即跟蹤飛行員的頭部運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)使用傳感器附著到人體，將它們的運(yùn)動(dòng)記錄為3D數(shù)據(jù)。20世紀(jì)80年代，機(jī)械傳感器設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。生物動(dòng)力學(xué)專家為了醫(yī)學(xué)研究，開始用它進(jìn)行動(dòng)作捕捉以研究人體關(guān)節(jié)的機(jī)能。同時(shí)，通過電腦實(shí)現(xiàn)的針對人體運(yùn)動(dòng)捕捉的研究開始出現(xiàn)，美國麻省理工學(xué)院開發(fā)的基于LED的“木偶圖像化（Graphical Marionette）”技術(shù)是第一批光學(xué)動(dòng)作跟蹤系統(tǒng)[4]。進(jìn)入90 年代后，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)捕捉已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用階段，有多家廠商相繼推出了多種商品化的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備，如Motion-Analysis、Sega nteractive、Polhemus、FilmBox等，成功地用于考古、醫(yī)學(xué)研究、人體工程學(xué)研究、模擬訓(xùn)練、游戲等許多方面。這期間相繼出現(xiàn)的機(jī)械式、電磁式和光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)中，機(jī)械式、電磁式動(dòng)作捕捉技術(shù)因設(shè)備方面及捕捉精度上的限制，很少被電影從業(yè)者使用。直到基于LED燈的光學(xué)動(dòng)作捕捉技術(shù)出現(xiàn)，電影中的動(dòng)作捕捉技術(shù)才開始應(yīng)用。

好萊塢很快使用了光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)。第一部嘗試使用運(yùn)動(dòng)捕捉的電影是1990年的《全面回憶》，片中施瓦辛格飾演的男主角經(jīng)過X射線時(shí)的特效鏡頭就是運(yùn)動(dòng)捕捉的，該鏡頭僅有幾秒鐘。主演阿諾德·施瓦辛格身穿緊身黑色健身服，將很多個(gè)球狀反射光傳感器放在他的身上，這些球?qū)⒎垂獾綌z像機(jī)中顯示成一個(gè)點(diǎn)。從設(shè)置的6-8個(gè)相機(jī)，可以看到阿諾德在攝像頭中的動(dòng)作。但存在的問題是捕捉框中的人和反光球都太小，并且這些球都靠得很近。當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù)并不能在同一時(shí)刻辨別它們，只有將這些投影動(dòng)作提取出來，再人工進(jìn)行關(guān)鍵幀的匹配。由于當(dāng)時(shí)沒有CG的概念，動(dòng)作匹配的過程又太復(fù)雜，因此，當(dāng)時(shí)的主創(chuàng)人員產(chǎn)生了創(chuàng)建CG骨骼，以便能夠?qū)⒀輪T的動(dòng)作逐幀映射到CG上的思想[5]。到了1996年，詹姆斯·卡梅隆在制作《泰坦尼克號》時(shí)也小范圍試用了運(yùn)動(dòng)捕捉，借助動(dòng)作捕捉技術(shù)建立了人物動(dòng)作庫，并由此生成了一大群形態(tài)各異的CG人物。1999年，雷德利·斯科特在《角斗士》中動(dòng)作捕捉了2000名扮演角斗士的演員，并把他們復(fù)制到現(xiàn)實(shí)的人群場景中。

2000年，印度首屈一指的電腦特效公司Pentafour制作出品了《仙巴歷險(xiǎn)記》，這是動(dòng)畫電影上的一個(gè)重要里程碑。這是第一部主要使用運(yùn)動(dòng)捕捉的電影，大部分的角色運(yùn)動(dòng)使用開創(chuàng)性的3D光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)vicon370E系統(tǒng)，利用光學(xué)相機(jī)以數(shù)字方式記錄真人的運(yùn)動(dòng)[6]。在制作過程中，演員身上覆蓋著很多微小參考標(biāo)記點(diǎn)在照相機(jī)面前表演，再將捕獲的數(shù)據(jù)交由印度的PunaFul CG工作室處理。然而，雖然能夠拍攝所有的鏡頭，但無法同步視頻和捕捉的速率，因?yàn)楫?dāng)時(shí)還沒有時(shí)間編碼的概念，還沒有光學(xué)系統(tǒng)能夠生成它，盡管它是制作工作的一個(gè)非常重要的方面。另外，捕捉時(shí)還有很多困難需要克服，比如標(biāo)記點(diǎn)很容易丟失到地上和重置，這樣就很難保證捕捉動(dòng)作的一致性。因此，這部電影只是宣告了一種新的發(fā)展軌跡，但當(dāng)時(shí)的技術(shù)與今天相比差異很大。

四、探索

運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)逐漸成為有遠(yuǎn)見的電影制作人的必備工具。2001年7月，《最終幻想：靈魂深處》的上映吸引了全球的注意。負(fù)責(zé)本片制作的是史克威爾電影工作室，這部電影是該公司的處女作。史克威爾電影工作室改變了傳統(tǒng)電影制作方式，將片子中的CG人物全部按照真人比例制作，而之前好萊塢CG動(dòng)畫電影中的人物一直在貫徹卡通電影夸張的肢體語言來突出趣味性。為了給CG人物帶來生命，制作小組采用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)搭建起一座16000平方英尺的舞臺，16架專業(yè)攝像機(jī)各司其職，錄制演員的奔跑、跳躍和跌倒動(dòng)作?！蹲罱K幻想》把CG畫面做到了極致，取得了令人難以置信的效果，逼真的人物皮膚、毛發(fā)和場景的布光等甚至都成為了專業(yè)教科書的范例，然而劇情深受詬病。盡管如此，它在運(yùn)動(dòng)捕捉的進(jìn)化史上也是一個(gè)技術(shù)里程碑的電影，推動(dòng)了運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的發(fā)展，人們第一次認(rèn)識到，通過動(dòng)作捕捉技術(shù)及其他新興技術(shù)可以將CG畫面做得如此真實(shí)，從而開啟了一個(gè)由虛擬人物取代真人演員的電影領(lǐng)域新時(shí)代。

同年，彼得·杰克遜在指環(huán)王系列電影的第一部《指環(huán)王：護(hù)戒使者》中開始涉足運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)。彼得杰克遜和他的維塔數(shù)碼特效公司使用了3個(gè)階段來創(chuàng)造咕嚕姆。首先，扮演咕嚕姆的演員安迪·瑟可絲將在場景中和其他的演員進(jìn)行表演，同樣的場景也會在沒有瑟可絲的情況下再次上演，最后瑟可絲會在維塔工作室里一個(gè)人穿著捕捉服和標(biāo)記點(diǎn)、對著空氣重復(fù)自己的表演，也就是說，瑟可絲要在實(shí)景和空房間里表演兩次同樣的內(nèi)容，這對演員的挑戰(zhàn)是非常大的。在工作室階段，25個(gè)攝像頭被放置在動(dòng)作捕捉房間里，攝像頭發(fā)出紅外光，照射在瑟可絲布滿光學(xué)反射點(diǎn)的動(dòng)作捕捉服上，然后反射這些光到照相機(jī)上，同步這些動(dòng)作到計(jì)算機(jī)并賦予到演員的3D模型上?！吨腑h(huán)王：護(hù)戒使者》獲得了巨大的成功，安迪·瑟可絲為咕嚕姆這個(gè)角色賦予了鮮活的生命力，打破了CG和傳統(tǒng)表演之間的界限。在這個(gè)過程中，運(yùn)動(dòng)捕捉只能捕捉演員的動(dòng)作， 不能記錄演員的面部表情動(dòng)作，他們依靠一個(gè)由18名動(dòng)畫師組成的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了超過250種不同的面部數(shù)字模型，從而得到一個(gè)與演員非常接近的咕嚕姆。

等到咕嚕姆在2002年登臺時(shí)，杰克遜已經(jīng)將動(dòng)作捕捉技術(shù)提升到一個(gè)新的水平：《指環(huán)王：雙塔奇兵》是一部實(shí)時(shí)的、高性能捕捉電影，演員在這一季中穿著最少的捕捉服和最少的捕捉點(diǎn)。最重要的區(qū)別在于：不再需要演員重復(fù)完成運(yùn)動(dòng)捕捉表演，他們能夠?qū)Ｗ⒂谧约旱谋硌荩瑢⒔巧憩F(xiàn)得有血有肉，而不再遠(yuǎn)離角色。

其他的電影制作者也認(rèn)識到了動(dòng)作捕捉帶來的無限可能的益處，導(dǎo)演李安甚至也穿上了捕捉服為2003年的《綠巨人》拍攝了一些動(dòng)作捕捉的場景。羅伯特·澤米吉斯也接受了這個(gè)思想并且開始運(yùn)用它。2004年，澤米吉斯的電影工作室ImageMovers在《極地特快》的拍攝中使用了這項(xiàng)技術(shù)，成為節(jié)日的大熱門。

一年以后，彼得杰克遜和安迪·瑟可絲這對黃金搭檔再度攜手創(chuàng)作了《金剛》，并首次引入了“面部捕捉”的概念。在扮演金剛的過程中，安迪·瑟金斯臉上貼著132個(gè)用于傳輸數(shù)據(jù)的傳感器，拍攝過程中有52臺攝像機(jī)同時(shí)捕捉瑟金斯的身體運(yùn)動(dòng)，20臺攝像機(jī)捕捉他的面部表情變化，所有的數(shù)據(jù)傳入電腦之后再進(jìn)行電腦后期合成，從而在電腦中形成一只猩猩的形象。有了這些畫面之后，電腦動(dòng)畫師會繼續(xù)進(jìn)行渲染、添加特效等工作，并與CG技術(shù)結(jié)合，最后完成一只猩猩的形象塑造。金剛扮演得太惟妙惟肖了，觀眾才知道原來CG角色也可以表現(xiàn)出如此細(xì)膩的情感。當(dāng)瑟可絲的臉能追蹤到每一塊肌肉的運(yùn)動(dòng)時(shí)，這個(gè)發(fā)展將影響到電影的發(fā)展。

一直以來，光學(xué)動(dòng)作捕捉都得在專門的動(dòng)作捕捉車間中進(jìn)行，但電影制作團(tuán)隊(duì)并不滿足于只在攝影棚內(nèi)進(jìn)行拍攝。在2006年《加勒比海盜2：聚魂棺》的拍攝中，很多戰(zhàn)斗場景是發(fā)生在海邊的晚上，周圍還有大量的煙霧，光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)由于對光線的敏感性，根本無法適用于這種潮濕、陰暗和霧氣騰騰的拍攝環(huán)境。針對這個(gè)需求，工業(yè)光魔開發(fā)出了一套名為iMoCap的基于圖像的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，專門應(yīng)對在戶外復(fù)雜拍攝環(huán)境下進(jìn)行動(dòng)作捕捉。與之前的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)不同，iMoCap是直接從攝像機(jī)拍攝的視頻圖像中識別人物動(dòng)作，這一巨大革新使iMoCap幾乎不受環(huán)境的限制，只要攝像機(jī)拍到的圖像具有可辨識性，就可以進(jìn)行動(dòng)作捕捉。iMoCap系統(tǒng)的配置包括帶有標(biāo)記點(diǎn)和標(biāo)記帶的中灰色半緊身捕捉服、幾臺便攜式高清攝像機(jī)（黑白或彩色均可，最好是同型號）、便攜式三腳架，以及后期處理所需要的專業(yè)軟件，僅此而已，因而整套系統(tǒng)可以很方便地帶去片場使用。iMoCap的便攜和輕巧性使實(shí)景式運(yùn)動(dòng)捕捉變得越來越流行，之后的《加勒比海盜3》《第九區(qū)》《鋼鐵俠》等都使用了這套系統(tǒng)。但是，iMoCap也有不足，和光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)相比，它的捕捉精度不夠，也無法做到對面部、手指等精度要求較高的區(qū)域進(jìn)行捕捉。

2009年，詹姆斯卡梅隆歷時(shí)4年、花費(fèi)將近5億美元打造的的《阿凡達(dá)》上映，這部史詩級巨作中美輪美奐的3D場景和高科技動(dòng)畫特效讓全世界的影迷都為之震驚，全片都采用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)制作完成，由維塔數(shù)碼提供技術(shù)?？仿∽钔怀龅呢暙I(xiàn)在于其開創(chuàng)了一種稱為“虛擬攝像機(jī)”的Simulcam系統(tǒng)，這是一個(gè)突破性技術(shù)，能夠在攝影機(jī)進(jìn)行拍攝的同時(shí)將CG制作出的虛擬視覺內(nèi)容與實(shí)拍內(nèi)容實(shí)時(shí)呈現(xiàn)出來。也就是說在攝影機(jī)取景器中看到的不是綠屏，而是數(shù)字合成后的場景和CG角色。而以前傳統(tǒng)的做法都是先將演員的表演動(dòng)作捕捉抓取后加入到數(shù)據(jù)庫，然后再同虛擬場景進(jìn)行搭配?？仿∽屵@一切變得更加直觀和快捷，不僅使演員可以同步與數(shù)字場景進(jìn)行互動(dòng)，導(dǎo)演也能直接指導(dǎo)演員的表演達(dá)到最佳效果。另外，為了達(dá)到逼真的人物效果，他開發(fā)了頭戴式“表情捕捉”系統(tǒng)。演員們使用面部捕捉頭戴設(shè)備能高性能捕捉演員最微小的面部表情，而導(dǎo)演能在監(jiān)視器上同步看到CG角色的表情，完全沉浸在潘多拉的數(shù)字世界中?！栋⒎策_(dá)》單片27億美元的票房造就了動(dòng)作捕捉技術(shù)的神話，在運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的發(fā)展史上具有里程碑意義，推動(dòng)著運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)走向成熟。

五、蓬勃發(fā)展

《阿凡達(dá)》的大獲成功，是動(dòng)作捕捉成為電影大片制作的必備武器。這時(shí)的動(dòng)作捕捉已經(jīng)比較精準(zhǔn)，面部表情捕捉也比較成熟，但電影制作者們在紛紛使用這些技術(shù)的同時(shí)還不斷地進(jìn)行創(chuàng)新。2011年，維塔數(shù)碼參與制作的《猩球崛起》上映。為了徹底克服在室外拍攝時(shí)陽光的干擾，維塔數(shù)碼對光學(xué)式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。傳統(tǒng)的光學(xué)動(dòng)作捕捉使用被動(dòng)式標(biāo)記點(diǎn)，即由捕捉攝像機(jī)上的LED燈發(fā)出紅外光，照射到標(biāo)記點(diǎn)后反射回?cái)z影機(jī)。但是這種反射式系統(tǒng)幾乎無法用于實(shí)景環(huán)境中，一個(gè)原因是實(shí)景中有各種道具反光的干擾，另一個(gè)原因是如此龐大復(fù)雜的攝像機(jī)矩陣難以在各種實(shí)景環(huán)境中搭建。對此，維塔數(shù)碼將被動(dòng)式光學(xué)捕捉系統(tǒng)改造成主動(dòng)式光學(xué)捕捉系統(tǒng)。他們將反光標(biāo)記點(diǎn)換成主動(dòng)發(fā)射紅外光的LED燈，再用紅外攝像機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)捕捉。由于光線沒有經(jīng)過反射過程的能量衰減，所以，主動(dòng)式捕捉可以獲得更大的有效范圍。不過，主動(dòng)式LED體積較大，無法用于面部捕捉，而且標(biāo)記點(diǎn)數(shù)量多了之后容易相互干擾。因此，在面部捕捉方面，由于人類和猩猩面部結(jié)構(gòu)較為接近，所以維塔繼續(xù)使用頭戴式表情捕捉系統(tǒng)（被動(dòng)式LED反射系統(tǒng)），在演員臉上畫上標(biāo)記點(diǎn)，然后用高清攝像頭錄制下來，保證了動(dòng)作捕捉與表情捕捉同時(shí)進(jìn)行。另外，為了保證大量捕捉點(diǎn)之間互不干擾，維塔對LED做出改進(jìn)，使LED進(jìn)行頻閃發(fā)光而不是持續(xù)發(fā)光，不同的標(biāo)記點(diǎn)之間閃爍頻率不一樣，使用無線電同步到高速攝像機(jī)之后，就能很快分辨出捕捉到的是哪個(gè)點(diǎn)。經(jīng)過這一系列的改進(jìn)之后，《猩球崛起》終于突破了動(dòng)作捕捉和實(shí)景表演之間的界限，新的實(shí)景捕捉系統(tǒng)可以應(yīng)對各種復(fù)雜的環(huán)境和燈光。

到了2015年《猩球崛起2》時(shí)，維塔數(shù)碼再次實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的突破，在這部電影中，動(dòng)作捕捉服上用硅材料封裝了更強(qiáng)大的LED燈——不僅讓演員能做更多動(dòng)作，更重要的是即使在黑暗環(huán)境中，如森林或夜間也會方便動(dòng)作讀取。無線攝影機(jī)讓團(tuán)隊(duì)更加自由靈活，他們不用鋪設(shè)電纜、布置電線，就可以更快地設(shè)置校準(zhǔn)背景。

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作者簡介：朱永瓊（1978-），女，漢族，湖北武漢人，博士，講師，研究方向：運(yùn)動(dòng)捕捉、數(shù)字媒體藝術(shù)方面的研究。

基金項(xiàng)目：教育部人文社會科學(xué)研究青年基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：17YJC760124）“運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在三維動(dòng)畫創(chuàng)作中的研究”資助項(xiàng)目。