Kinect動(dòng)作捕捉技術(shù)在三維動(dòng)畫教學(xué)巾的應(yīng)用與實(shí)踐

關(guān)鍵詞：Kinect;動(dòng)作捕捉;三維動(dòng)畫;C4D

中圖法分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

近年來，動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)是我國(guó)大力支持發(fā)展的文化產(chǎn)業(yè)之一。隨著現(xiàn)代數(shù)字媒體技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)家為大力扶持動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，陸續(xù)頒布了一系列扶持政策，如《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》和《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》，對(duì)新型數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用與教育事業(yè)有很大的幫助，給教育信息化理論、技術(shù)與應(yīng)用的研究指明了具體方向?！笆濉币?guī)劃更是提出實(shí)現(xiàn)文化產(chǎn)業(yè)（包括動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)）建設(shè)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱的目標(biāo)。2020年，我國(guó)動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了2500億元產(chǎn)值規(guī)模目標(biāo)。隨著國(guó)內(nèi)動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，動(dòng)畫電影尤其是三維動(dòng)畫電影作品受到越來越多的觀眾和投資者的喜愛，涌現(xiàn)了一大批優(yōu)秀的國(guó)產(chǎn)動(dòng)漫作品，比如《西游記之大圣歸來》《哪吒之魔童降世》《大魚海棠》《白蛇：緣起》《小門神》等，具有廣闊的發(fā)展空間。目前，動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)在我國(guó)仍屬于新興產(chǎn)業(yè)，在迅速發(fā)展的過程中，對(duì)于三維動(dòng)漫制作人才的需求逐年增大，對(duì)專業(yè)知識(shí)的要求也逐漸提高。培養(yǎng)專業(yè)的高級(jí)技術(shù)人才成為高等院校教育和社會(huì)培訓(xùn)的一大熱點(diǎn)，各大高校把三維動(dòng)畫的制作引入課堂，并開設(shè)了相關(guān)課程進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。

三維動(dòng)畫制作的內(nèi)容主要包括：角色動(dòng)畫和場(chǎng)景設(shè)計(jì)。而角色動(dòng)畫制作部分又可以分為：角色概念設(shè)計(jì)、三維角色模型創(chuàng)建、材質(zhì)貼圖、燈光渲染、角色綁定、角色動(dòng)作設(shè)計(jì)及關(guān)鍵幀動(dòng)畫制作、三維分鏡制作、角色特效、后期動(dòng)畫合成等。其中，角色綁定、角色動(dòng)作設(shè)計(jì)及關(guān)鍵幀動(dòng)畫制作模塊的教學(xué)內(nèi)容主要是：學(xué)生根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律如何設(shè)計(jì)制作角色的動(dòng)作，并利用關(guān)鍵幀記錄角色運(yùn)動(dòng)過程中的主要?jiǎng)幼?。關(guān)鍵幀指角色或者物體運(yùn)動(dòng)變化中關(guān)鍵動(dòng)作所處的那一幀，相當(dāng)于二維動(dòng)畫中的原畫。

在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生根據(jù)動(dòng)畫劇本、角色模型創(chuàng)建完成骨骼綁定，通過骨骼和控制器手動(dòng)設(shè)置關(guān)鍵幀的方式，制作角色在某一個(gè)時(shí)刻各個(gè)骨骼關(guān)節(jié)的關(guān)鍵性動(dòng)作的記錄，并重復(fù)上面的動(dòng)作。在某一個(gè)動(dòng)作完成所有的關(guān)鍵幀設(shè)置后，軟件會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建關(guān)鍵幀之間的過渡動(dòng)畫，形成一個(gè)完整的動(dòng)作。在實(shí)踐教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生缺乏經(jīng)驗(yàn)，對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)際掌握能力不強(qiáng)，往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力去調(diào)整角色的關(guān)鍵幀，才能達(dá)到角色動(dòng)作的準(zhǔn)確性，且還是會(huì)出現(xiàn)動(dòng)作不協(xié)調(diào)、在運(yùn)動(dòng)中有變形拉長(zhǎng)的現(xiàn)象，這在很大程度上影響了角色動(dòng)畫動(dòng)作制作的最終效果和效率。

鑒于上述分析，提出應(yīng)用Kinect動(dòng)作捕捉技術(shù)實(shí)現(xiàn)角色動(dòng)畫的制作，并將該技術(shù)運(yùn)用到三維動(dòng)畫課程中角色動(dòng)畫制作的教學(xué)實(shí)踐。在具體的實(shí)踐過程中，學(xué)生將通過利用Kinect設(shè)備采集人物動(dòng)作信息，導(dǎo)出bvh動(dòng)作路徑文件，然后將其與C4D軟件中已綁定好骨骼的角色模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，記錄為關(guān)鍵幀，然后利用這些關(guān)鍵幀生成過渡幀，最終合成動(dòng)畫。

1Kinect動(dòng)作捕捉技術(shù)簡(jiǎn)介

Kinect是微軟在2009年6月2日的E3大展上正式公布的XBOX360游戲機(jī)體感周邊外設(shè)，它實(shí)際上是一種3D體感多功能攝像機(jī)，利用其能即時(shí)動(dòng)態(tài)捕捉及識(shí)別人體骨骼關(guān)節(jié)和超低成本的優(yōu)勢(shì)，再加上不斷完善的圖像識(shí)別和聲音識(shí)別技術(shù)，迅速得到人們的認(rèn)可。Kinect不需要使用任何控制器，它依靠相機(jī)捕捉三維空間中人物的運(yùn)動(dòng)，通過投射紅外線反射后返回的時(shí)間取得深度信息，再將捕捉到的影像與本身內(nèi)部存有的人體模型相對(duì)照，每一個(gè)符合內(nèi)部已存人體模型的物體就會(huì)被創(chuàng)造成相關(guān)的骨骼模型;系統(tǒng)將該模型轉(zhuǎn)換成虛擬角色，虛擬角色通過識(shí)別人體骨骼模型的關(guān)鍵部位進(jìn)行動(dòng)作觸發(fā)。在虛擬骨骼模型的幫助下，系統(tǒng)可識(shí)別人體的25個(gè)關(guān)鍵部位，然后得到的數(shù)據(jù)只需要簡(jiǎn)單地剪切就可將背景和人物進(jìn)行分離，而且紅外傳感器不需要光照，黑暗的環(huán)境里面也可以正常使用。如圖1所示，左邊為Kinect拍攝到的彩色圖像，右半部分為Kinect識(shí)別出的人體骨骼信息。從結(jié)果我們可以看出，人體骨骼關(guān)節(jié)信息被清晰識(shí)別。

2Cinema4D軟件簡(jiǎn)介

Cinema4D（以下簡(jiǎn)稱C4D）由德國(guó)MaxonComputer開發(fā)并于1993年在Amiga平臺(tái)上發(fā)布，已經(jīng)有大量的技術(shù)積累，是一個(gè)非常成熟的三維軟件，也是目前主流的三維動(dòng)畫制作和產(chǎn)品展示軟件[7]，其被廣泛應(yīng)用在三維模型創(chuàng)建、材質(zhì)渲染、角色動(dòng)畫制作中。在實(shí)踐教學(xué)中，利用C4D制作三維動(dòng)畫的內(nèi)容主要包括：一是三維角色的模型創(chuàng)建，也就是建模;二是為模型設(shè)置材質(zhì)貼圖和燈光;三是給角色綁定骨骼、蒙皮刷權(quán)重并依據(jù)劇本內(nèi)容設(shè)計(jì)角色動(dòng)作的關(guān)鍵幀動(dòng)畫;四是設(shè)置攝像機(jī)動(dòng)畫渲染輸出，并完成后期動(dòng)畫合成。

關(guān)于C4D的角色骨骼綁定方法主要有：內(nèi)置角色系統(tǒng)骨骼綁定和網(wǎng)站骨骼綁定。網(wǎng)站骨骼綁定主要借用外部網(wǎng)站來做角色的骨骼綁定，在此不做冗述。

下面重點(diǎn)講述內(nèi)置角色系統(tǒng)骨骼綁定的方法——其主要利用C4D的角色系統(tǒng)綁定，自動(dòng)生成骨骼關(guān)節(jié)組件：首先選擇模型，在效果器中添加角色效果器也就是俗稱的控制器，再為效果器添加組件，分別生成對(duì)應(yīng)的組件如脊椎、手臂、大腿等。值得注意的是，手掌的組件最好是要生成FK效果，F(xiàn)K是聯(lián)動(dòng)動(dòng)作，IK是相反的被動(dòng)動(dòng)作，比如挨打;其次選擇調(diào)整好的效果器，在關(guān)節(jié)點(diǎn)的模式下，使用移動(dòng)命令調(diào)整關(guān)節(jié)的位置，調(diào)整完成后可以通過控制器檢測(cè)骨骼關(guān)節(jié)是否正確，并以控制器的方式完成角色的動(dòng)作;最后就是綁定，利用角色系統(tǒng)里面的綁定命令把角色模型和我們創(chuàng)建的骨骼關(guān)節(jié)進(jìn)行綁定，并讓其產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)。此外，內(nèi)置角色系統(tǒng)骨骼綁定也可以利用關(guān)節(jié)工具繪制骨骼，然后綁定到模型上，并創(chuàng)建IK鏈將繪制好的骨骼和模型產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)（也可以實(shí)現(xiàn)角色動(dòng)畫的骨骼綁定，前提是對(duì)關(guān)節(jié)的基本分布有一定了解）。

3Kinect動(dòng)作捕捉技術(shù)和C4D軟件結(jié)合應(yīng)用

Kinect動(dòng)作捕捉技術(shù)的原理是：識(shí)別采集人物骨骼關(guān)節(jié)信息的運(yùn)動(dòng)軌跡關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)，再導(dǎo)出bvh動(dòng)作路徑文件。真實(shí)動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)bvh格式是可以直接導(dǎo)入C4D軟件的——只要把bvh動(dòng)作路徑導(dǎo)入C4D軟件，再匹配到預(yù)先綁定好骨骼的角色模型上，就可以使其產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)角色動(dòng)畫的制作。

導(dǎo)入C4D軟件的具體操作是：先直接打開或直接把bvh數(shù)據(jù)文件拖入C4D軟件，再以合并的方式導(dǎo)入已綁定好骨骼的角色模型，接著分別展開bvh骨骼關(guān)節(jié)信息和角色模型上的骨骼關(guān)節(jié)信息;我們需要把角色模型上的骨骼關(guān)節(jié)約束到bvh骨骼關(guān)節(jié)上去——把角色模型上的每個(gè)骨骼關(guān)節(jié)添加角色標(biāo)簽里的約束標(biāo)簽，打開PSR并勾選保持原始狀態(tài)，這樣我們就可以依次把bvh數(shù)據(jù)里對(duì)應(yīng)的骨骼關(guān)節(jié)設(shè)置為目標(biāo)對(duì)象，完成bvh骨骼關(guān)節(jié)和角色模型上的骨骼關(guān)節(jié)的約束，最后播放就可以看到特定動(dòng)作的動(dòng)畫效果。學(xué)生根據(jù)動(dòng)畫內(nèi)容，可以完成各種動(dòng)作，Kinect動(dòng)作捕捉技術(shù)記錄學(xué)生的動(dòng)作軌跡，并將骨骼關(guān)鍵路徑信息導(dǎo)入C4D軟件中，使得角色模型的動(dòng)作是由學(xué)生的動(dòng)作來驅(qū)動(dòng)和操作，從而達(dá)到學(xué)生動(dòng)作和角色動(dòng)作的互動(dòng)與同步。

4在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用

為了驗(yàn)證新方法在教學(xué)實(shí)踐中的效果，我們針對(duì)動(dòng)畫和數(shù)字媒體藝術(shù)兩個(gè)專業(yè)的學(xué)生，分別使用傳統(tǒng)的三維角色動(dòng)畫教學(xué)方法與Kinect動(dòng)作捕捉技術(shù)和C4D結(jié)合的教學(xué)方法，在規(guī)定的課時(shí)里完成三維角色動(dòng)畫的綁定、蒙皮、動(dòng)作制作等課程內(nèi)容。在實(shí)踐課程上，實(shí)驗(yàn)室采用C4DR19版本、角色綁定使用創(chuàng)建IK鏈控制角色的骨骼進(jìn)行試驗(yàn)。制作一個(gè)簡(jiǎn)單動(dòng)作的角色動(dòng)畫（走路、跑步），使用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，手動(dòng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵幀調(diào)節(jié)角色動(dòng)作的學(xué)生大約需要1個(gè)半小時(shí)，而使用Kinect動(dòng)作捕捉技術(shù)和C4D軟件相結(jié)合的學(xué)生只需要15分鐘左右即可完成。從呈現(xiàn)的效果來看，Kinect動(dòng)作捕捉技術(shù)和C4D軟件相結(jié)合制作出的角色動(dòng)作在準(zhǔn)確流暢性方面要優(yōu)于使用傳統(tǒng)教學(xué)制作的動(dòng)作。因而，采用Kinect動(dòng)作捕捉技術(shù)和C4D軟件相結(jié)合的方法，能夠在保證角色動(dòng)作準(zhǔn)確流暢的基礎(chǔ)上讓每一個(gè)學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)做出比較炫酷的角色動(dòng)畫效果，既節(jié)省了時(shí)間和精力，還極大地提高了學(xué)生的三維角色動(dòng)畫制作水平。這不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和效率，降低了成本，而且使角色動(dòng)畫制作教學(xué)更為生動(dòng)。利用Kinect動(dòng)作捕捉技術(shù)和C4D軟件相結(jié)合的方法，我們?cè)谡n程教學(xué)實(shí)踐中收到了非常不錯(cuò)的效果。

5結(jié)論

本文介紹了一種Kinect動(dòng)作捕捉技術(shù)和C4D軟件相結(jié)合的三維角色動(dòng)畫制作的方法，并將這種新穎的方法用于教學(xué)實(shí)踐。對(duì)比傳統(tǒng)的角色動(dòng)畫制作技術(shù)，借助Kinect動(dòng)作捕捉技術(shù)，能夠大大提高三維角色動(dòng)畫的制作效率和水平。從我們的教學(xué)實(shí)踐的效果看，學(xué)生采用Kinect動(dòng)作捕捉技術(shù)制作三維角色動(dòng)畫的效率比使用傳統(tǒng)方法提高了三倍左右。將這種新方法引入到教學(xué)中，利于學(xué)生高效掌握角色動(dòng)畫制作流程，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，值得進(jìn)一步推廣。

不過，應(yīng)用Kinect動(dòng)作捕捉技術(shù)和C4D軟件相結(jié)合的方法制作三維角色動(dòng)畫，也存在新的挑戰(zhàn)。尤其是采用類似Kinect這樣基于光學(xué)原理的動(dòng)作捕捉技術(shù)，一方面，在人物被遮擋時(shí)可能存在動(dòng)作捕捉信息丟失問題;另一方面，對(duì)于捕捉類似手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、面部表情等細(xì)節(jié)，技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)。往往對(duì)于這些細(xì)節(jié)處，仍需人工在C4D軟件中進(jìn)行微調(diào)，補(bǔ)充相關(guān)骨骼動(dòng)作。因此，為了調(diào)整這些細(xì)節(jié)，可能也會(huì)出現(xiàn)耗時(shí)、耗力的情況。但大多數(shù)情況下，借助Kinect動(dòng)捕技術(shù)有利于快速地獲得骨骼動(dòng)作信息，做出逼真的三維角色動(dòng)畫。作為新技術(shù)，值得在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行推廣，以拓寬學(xué)生的視野。

在今后的應(yīng)用研究和教學(xué)實(shí)踐中，我們需要進(jìn)一步探索、引入更精準(zhǔn)更高效的動(dòng)作捕捉硬件技術(shù)，比如可穿戴動(dòng)作捕捉和光學(xué)捕捉相結(jié)合的技術(shù)，以此獲得逼真的角色骨骼運(yùn)動(dòng)信息。此外，我們還應(yīng)探索如何利用動(dòng)作捕捉技術(shù)與C4D軟件結(jié)合完成人物或非人物的復(fù)雜動(dòng)作場(chǎng)景的制作，進(jìn)而保證動(dòng)作的辨識(shí)度和準(zhǔn)確性，以提高角色動(dòng)作的生動(dòng)性和節(jié)奏感。

作者簡(jiǎn)介：

舒水（1988— ），碩士，講師，研究方向：數(shù)字媒體、動(dòng)畫設(shè)計(jì)。