動作捕捉技術在三維游戲動畫制作中的應用

焦文靜，楊文靜

（金陵科技學院，江蘇 南京 211169）

20 世紀末，動作捕捉（動捕） 技術開始被關注，后被應用于影視制作中。例如，轉描機技術是一種動畫家用來逐幀地追蹤真實運動的動畫技術，最早由馬克思·弗雷歇爾（Max Fleischer） 發(fā)明，著名的應用有20 世紀末90 年代初卡通形象貝蒂娃娃（Betty Boop） 的舞蹈動作以及《格列佛游記動畫版》的制作；在《指環(huán)王》拍攝期間，拍攝工作室使用了光學動作捕捉技術，演員安迪·瑟金斯（Andy Serkins） 化身為虛擬角色咕嚕（Gollum） 與其他演員互動。

《一夢江湖》游戲制作分為兩大部分，即建模與動畫。動畫主要依靠動捕來完成，例如游戲人物的打斗和日常動作。項目從初期籌備至完成，制作者需要不斷地跟進與學習，記錄一套完整的動作捕捉流程。動作捕捉技術被分為機械式、聲學式、電磁式、慣性導航傳感器式和光學式。

機械式動捕的優(yōu)點在于成本較低、精度較高，但缺點也很明顯，即其裝置結構會影響表演者施展動作，并且難以用于動作的不間斷捕捉。聲學式動捕在時間上有延遲，系統(tǒng)的反應能力較差，記錄值與真值有誤差。電磁式動捕的優(yōu)點在于它記錄的是六維信息，不僅能得到表演者所在的位置信息，還能得到其方向信息，缺點是對環(huán)境有著嚴格的要求，表演的場地不能存在金屬物品，否則電磁場會有差異，影響捕捉的精確程度，系統(tǒng)對于表演者的活動范圍限制較大，且不能有過于激烈的動作[1]。慣性導航傳感器式動捕不受環(huán)境的限制，戶外和狹小空間等都可使用，裝置還可以隨身攜帶，但位置精度相對較小。光學式動捕分為主動式和被動式，被動式被稱作光學式非標定動捕，是指由多個高分辨率紅外攝像機從不同角度對物體進行跟蹤和監(jiān)視，表演者不需要穿戴專業(yè)的設備，但對場地有較高要求；而主動式光學動捕技術不需要采用攝像機，主要應用于對捕捉實時性要求較高的領域，主動式和被動式光學式動捕是互補存在的關系。

1 項目概述

《一夢江湖》是網(wǎng)易游戲開發(fā)的一款國民級武俠RPG 手游，它以出色的冒險劇情、新穎的宗派玩法和藝術效果帶來了更加自由奔放的武俠世界。武俠世界中，打斗是最主要的動作表達，K 幀不能完全展現(xiàn)動作美感，真實鮮活的動作表達需要依靠動作捕捉來完成。該項目主要使用Maya，Vicon，3DsMax 等軟件完成建模渲染和動作捕捉，大致操作為：首先通過Maya 來建模并進行骨骼綁定和蒙皮處理，其次通過動作捕捉獲取動作數(shù)據(jù)并將其導入到Vicon 進行優(yōu)化，然后將優(yōu)化完成的數(shù)據(jù)導入模型，最后使用模型模擬相對應的動作。

通過矩陣節(jié)點分析Maya 動畫制作過程中的難點內(nèi)容。在Maya 動畫制作過程中，所有物體的三維顯示是由軟件自動計算實現(xiàn)。當變換對象移動時，矩陣運算需要疊加，只能通過錯切、旋轉和縮放來優(yōu)化矩陣[2]?！半x散布”的案例研究是通過Linstep 函數(shù)計算出離散布料在平面分布的UV 信息，并利用矩陣變換將信息導入軟件節(jié)點，從而進一步優(yōu)化矩陣[3]。

布料解算是通過3DsMax 軟件中的插件來完成，即人物身體在運動的同時，其衣著也會相應地發(fā)生變化，此時可通過一個布料插件來進行布料的材質(zhì)解算。身體與衣著會產(chǎn)生穿模現(xiàn)象，解算前需要根據(jù)其運動關系K 好關鍵幀，使其符合物體的運動規(guī)律，然后選中根部之外的子級，調(diào)整合適的布料硬度和擺幅來完成布料解算。見圖1。

圖1 《一夢江湖》動捕花絮

2 項目制作

2.1 角色建模

三維動畫中的人物和場景需要依靠3D 建模軟件來完成。人物建模需要考慮跑動時流暢度和打擊感的同時盡量貼合原畫[4]。建模師在建高模時會先建出一個大致的粗模，然后由簡入細，再由細入簡。游戲模型要求保持四邊面，并將不可避免的三邊面置于不重要的位置。因為蒙皮過程中模型會發(fā)生變形，四邊面模型會發(fā)生表面突起現(xiàn)象，導致表面不平滑；而三邊面模型運動會產(chǎn)生整個部位突起。模型的面數(shù)越多，模型表面就越光滑。游戲建模的面數(shù)沒有具體的要求，但考慮到移動端的運算內(nèi)存限制，建模面數(shù)應盡量做到最精簡。高模建成后，由于高達1 000 多萬的面數(shù)不適用于移動端游戲，因此建模師會進行烘焙，將面數(shù)較低的模型貼合高模，從而得到低模。低模經(jīng)過上色、UV 貼圖和渲染后便可以添加動作。模型運動需要在關節(jié)處布3條以上的環(huán)線，例如眼皮與眼眶周圍根據(jù)眼輪匝肌形狀要布環(huán)型線，并形成3 個環(huán)狀結構，否則特殊表情動作會使眼部動畫變形穿幫。

由于角色模型會產(chǎn)生運動，因此服裝建模會對動作產(chǎn)生較大影響。《一夢江湖》中對于滄海角色少女體態(tài)的表達，需恰當處理人體、骨骼和服裝之間的關系，避免模型運動中貼圖出現(xiàn)裂紋、邊緣不貼合和模型間融合不佳等問題。

2.2 角色蒙皮

為了使角色完成所需的動作，必須先將相應的骨骼綁定到角色模型上，這個綁定的過程稱為蒙皮。根據(jù)項目要求，《一夢江湖》使用3DsMax 來進行骨骼綁定，見圖2。

圖2 模型蒙皮制作

首先，建立一個Biped 骨骼，通過創(chuàng)建圖形（Figure） 及設置其參數(shù)對應角色模型。然后，根據(jù)前視圖與右視圖調(diào)整模型與Biped 骨骼的位置，調(diào)整完退出Figure。此時，要在封套“參數(shù)”卷展欄中使用Biped 創(chuàng)建模型骨骼，由于大幅度的運動會使模型產(chǎn)生撕裂、變形和扭曲，因此需要為不同部位的關節(jié)設置封套，為不易受力影響變形的部位設置剛性封套，為易受力影響變形的部位設置可變形封套，有些關節(jié)部位需要打開連接關節(jié)的兩塊骨骼封套。調(diào)整好關節(jié)處封套的頂點設置權重并逐步調(diào)整權重值，使模型的關節(jié)變形過渡合理，蒙皮才算完成。

2.3 動作拍攝

2.3.1 場地校準

現(xiàn)實中，動作捕捉場地不能做到絕對的抗反射，動作捕捉軟件會顯示反光點異常。因此，需在正式拍攝前先調(diào)整軟件，屏蔽異常反光點以降低解算的差異性；然后粘貼標記點，并確保標記點能被至少3 個攝像機識別到；再通過掃描面板和每個攝像機檢測當前掃描場的標記點的采樣數(shù)量、覆蓋率和質(zhì)量判斷，掃場時注意不要快速揮動掃場桿，盡量不要和地面產(chǎn)生摩擦或者碰撞，以確保動作捕捉的精確性。

2.3.2 系統(tǒng)校準

理論上，通過兩個關節(jié)標記點就可以確定一個相鄰的標記點的位置。但在實際演算中，關節(jié)標記點有被遮擋的可能性。因此，在光學運動捕捉時，需要配置幾個高頻攝相機加以輔助。使用標定點，利用動捕軟件準確地計算出鏡頭的所在位置和角度，建立攝像機的三維坐標，以便更準確地對動作進行捕捉[5]。

動捕場地基本可分為兩大區(qū)：現(xiàn)實場地拍攝區(qū)、計算機系統(tǒng)控制區(qū)。現(xiàn)實場地拍攝區(qū)就是動捕演員進行表演的場地，場地外會有顯示Motion－Builder 模型的電子屏幕，將模型與演員的動態(tài)實時展示，動作導演與策劃等人員可通過屏幕觀看并進行討論，鏡頭的記錄也更便捷；計算機系統(tǒng)控制區(qū)則是記錄動作數(shù)據(jù)的場地，拍攝區(qū)的畫面會被實時傳入控制區(qū)，計算機會顯示Vicon 演員模型和MotionBuilder 人物模型實時動態(tài)。

2.3.3 重置空間

將鏡頭與實際場館進行對比、校對，再次粘貼標記點即可重新確定虛擬空間與現(xiàn)實場地的大小比例。

2.3.4 粘貼標記點和創(chuàng)建骨骼

演員穿上特制的萊卡服裝，在關節(jié)、臀部、肘部和手腕等關鍵部位貼上標記點。標記點的型號也有要求，3 mm，4 mm 的標記點用于面部和手部捕捉，9 mm，12 mm 的標記點用于全身捕捉，12 mm，20 mm 的軟標記點應用于有接觸碰撞的表演動作，而25 mm，35 mm 和50 mm 的標記點則應用于大的場地。粘貼完標記點后，演員擺出T-Pose 開始表演，錄入數(shù)據(jù)后方可創(chuàng)建骨骼點。

2.4 動畫處理

通過Vicon Blade 軟件的通用骨骼模板制作出與演員匹配的骨骼，將收集到的三維運動數(shù)據(jù)導入到模板中，就可以將拍攝的動作轉化為模型骨骼的運動了。如果未對數(shù)據(jù)進行處理，則會導致模型局部抖動，部位丟失。例如《一夢江湖》中滄海角色的二技能“斗牛墟”，角色反手握武器，身體前傾，向前方進行二連突刺。此時，手部與腳部的骨骼點很容易產(chǎn)生抖動或丟失，如果未進行骨骼點修正，角色模型會出現(xiàn)肢體塌陷、關節(jié)位移和動作頻繁抖動等問題，導致手指與武器連接出現(xiàn)穿模、手部彎折、腳指頻繁抽搐等。這是因為使用動捕拍攝會生成大量的關鍵幀，需要手動減少多余的關鍵幀，優(yōu)化動作數(shù)據(jù)，修正動作細節(jié)。在動捕的拍攝過程中，動作幅度的產(chǎn)生會使Marker 點被覆蓋，導致錄入數(shù)據(jù)后骨骼點消失，需要拖動時間軸手動排查并修補。修補完成后，由于場地不可避免存在反光點，因此錄入的數(shù)據(jù)會伴隨一些數(shù)字噪點，需將其刪除。確保動作完整展現(xiàn)后，需再修改模型因運動產(chǎn)生抖動位移的骨骼點。完成后，從Vicon Blade中導出FBX 文件，并將文件導入MotionBuilder，兩者相互關聯(lián)，角色即可合理地動起來，見圖3。

圖3 Vicon Blade 動作數(shù)據(jù)優(yōu)化

2.5 渲染輸出

利用MotionBuilder 進行初步的動畫制作后，需要隨機挑選一兩個動作場景進行畫面渲染，來確認動作的最終效果是否符合要求。動作效果可以用MotionBuilder 直接渲染或者用Maya 進行當前幀渲染，然后加入適當?shù)奶匦?、音效和光影。確認好所有模型與動作數(shù)據(jù)準確無誤后，方可運用漫反射貼圖與法線貼圖等素材，通過Unity3D 引擎進行實時渲染。

3 動作捕捉技術應用的未來發(fā)展

隨著國家大力支持技術研發(fā)，對應的市場需求逐步擴大，我國動捕技術在游戲市場的應用將更廣泛，與國外動捕技術的差距也將不斷縮小?！兑粔艚穼硬哆\用到了角色打斗、待機動作和日?；顒由稀硬都夹g在游戲中多用于打斗，而打斗最需要力量感，單是K 幀很難完全展現(xiàn)一個動作的美感，而動捕可以彌補K 幀的不足，將動作表現(xiàn)得更加精準。近年來，人們熱衷于創(chuàng)造虛擬世界，將動捕運用到VR 體驗中，能使體驗者與虛擬世界進行交互，無論是手部的抓拿還是腿部的跑跳，人體都能夠活動自如。