淺析動作捕捉技術在動畫虛擬場景中的運用

曹 帥，張依朵，宗欣沂

（金陵科技學院動漫學院，江蘇 南京 211169）

隨著科學技術的高度發(fā)展和人們生活質量的提高，影視產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，影視動畫已經(jīng)逐漸成為豐富人們?nèi)粘蕵泛臀幕涣鞯囊环N重要途徑。國產(chǎn)動畫隨著技術發(fā)展，受眾人群逐漸擴大，動作捕捉技術應用于國產(chǎn)動畫中的虛擬場景加快了國產(chǎn)動畫的發(fā)展進程，使得影視動畫效果更加豐富多彩，動作更加精確真實。

1 動作捕捉技術的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 動作捕捉技術的前身

在20 世紀時，動作捕捉概念已初現(xiàn)雛形。波蘭裔動畫大師馬克思·弗萊舍發(fā)明了一項轉描機技術，這種動畫技術是將預先拍好的電影放到毛玻璃上，動畫藝術家再逐幀繪制具有真實運動的動畫畫面。在早期的動畫影史中，貝蒂小姐的舞蹈動作和《格列佛游記》中格列佛的動畫都有用到轉描機技術進行塑造，不過那時期的動作捕捉是藝術家手工“捉出來”的，這是動作捕捉最原始的形式，也可以說成是動作捕捉的先驅[1]。

轉描機技術給動畫的靈動性帶來了飛躍性的提升。1937 年，迪士尼細致有效地將轉描機技術應用到了《白雪公主》的電影當中，這是歷史上首部運用轉描機技術生成的長篇動畫作品。1941 年，上海美術電影制片廠在《鐵扇公主》中將轉描機技術進行創(chuàng)新，后在海內(nèi)外獲得一致好評。由于轉描機技術所需人力和時間成本較高，其替代技術也隨之迅速發(fā)展起來，生物力實驗室開始使用計算機分析人類動作，現(xiàn)代動作捕捉技術也終于找到自己的一席之地，而轉描機技術主要用來學習人物和動物的動作，而不是直接描摹制作電影。

1.2 動作捕捉技術的發(fā)展

20 世紀70 年代后期，紐約技術學院計算機繪圖實驗室瑞貝卡·艾倫（Rebecca Allen） 教授設計了一種水銀鏡子，可以將錄像帶上演員的影像投射到計算機的顯示器，作為動畫關鍵幀的參考。計算機技術的迅速發(fā)展，給許多行業(yè)都帶來福音，時至今日還熱度不減的光學追蹤技術能實現(xiàn)真實的渲染效果。1972 年前后，光學追蹤為渲染某一場景首次出現(xiàn)在大眾視野里。1982 年時，麻省理工和紐約理工學院同時利用光學追蹤技術記錄人體數(shù)據(jù)[2]。光學追蹤技術不斷發(fā)展，隨著現(xiàn)代科技的進步逐漸成熟。

1980 年，Tomcalvert 教授首先在舞臺舞蹈設計和運動異常的臨床評估中使用了“機械版動作捕捉系統(tǒng)”，他在計算機中安裝了多個電位器并使用人體動作輸出的數(shù)據(jù)來驅動動畫形象。Calvert 和他的團隊利用電位器對膝關節(jié)區(qū)域進行了重點研究，并將“模仿系統(tǒng)”中的動作數(shù)據(jù)進行數(shù)字化后的輸出轉換，發(fā)送到計算機動畫系統(tǒng)中。這說明，動態(tài)的捕捉對象不僅可以是演員的動作，還可以包括非生物的物體運動、演員的表情、相機及燈光的應用等。生物力學研究為未來的影視制作發(fā)展鋪平了道路，在接下來的幾十年中，當動作捕捉與計算機圖形技術相遇時，動作數(shù)據(jù)的易獲得性使得動作捕捉技術快速發(fā)展，繼續(xù)被完善，并在日后得以大規(guī)模地應用到各個影視動畫及游戲行業(yè)中。

目前發(fā)展前景最好的兩大動作捕捉技術：慣性動作捕捉技術和光學式動作捕捉技術。這兩種動作捕捉技術各有優(yōu)勢，慣性動作捕捉能實時跟蹤和采集人體運動數(shù)據(jù)，相比較光學式中的以照相機為測量系統(tǒng)和發(fā)射器帶來的局限，慣性動作捕捉顯得更為便捷。但在使用環(huán)境上，慣性動作捕捉的傳感器長時間暴露在磁場中可能會導致傳感器磁化，慣性動作捕捉的誤差也會隨著時間的累積增加。故此，慣性動作捕捉不僅要遠離存在的環(huán)境，精度也比不上光學式動作捕捉，好在這些弱點可以通過軟件進行后期修正[3]。

考慮到慣性動作捕捉相比光學式動作捕捉有價格上的優(yōu)勢，在一些對精度要求不那么高的領域，往往會選擇慣性動作捕捉技術。

如前所述，動作捕捉技術是記錄物體動態(tài)信息以供分析、回放及傳遞的一種體感交互技術，這項技術現(xiàn)在廣泛應用于電影制作和游戲開發(fā)領域，在一般情況下，技術人員是將真人的動作表演轉換為數(shù)字演員的動作表演。動作捕捉通過記錄人類的軀體信息，演員將接收傳感器佩戴在身體關鍵部位，記錄身體關節(jié)的空間位置以及肌肉群的細致運動，在得到運動物體的位置、角度、速度、加速度和沖量等相對精確的移動數(shù)據(jù)后再應用到三維軟件中的模型骨骼及面部驅動點上，數(shù)字演員就可以相對精確地移動。因為這樣的原因，運動跟蹤也有匹配移動的叫法。

2 動作捕捉技術在動畫虛擬場景中的優(yōu)勢

2.1 通過真人表演動作捕捉提高動畫質量

運用動作捕捉技術制作的3D 真人CG 動畫，不僅大異于傳統(tǒng)手繪2D 動畫，也與此前流行的三維（3D） CG 動畫風格很不相同。相較2D 和傳統(tǒng)3D，真人CG 技術更適合工業(yè)化，它追求呈現(xiàn)的效果也極接近真實。這可以大大提高動畫的質量，并讓觀眾更加容易產(chǎn)生共鳴。

例如國產(chǎn)動畫電影《爵跡》，是中國首個全真人的CG 電影，制作團隊主要采用動作捕捉技術和渲染技術。據(jù)統(tǒng)計，拍攝現(xiàn)場約有60 臺高清相機，按照位置形成一個球形掃描區(qū)域，進行掃描時，演員們按照劇本完成電影角色的動作，依次擺出至少150 種不同的表情，這些表情的捕捉對于后期角色的表情呈現(xiàn)給予了極大的幫助[4]。實際上拍攝都是在綠幕上完成的，為此需要演員自己幻想劇本中的場景和畫面，后期通過CG 技術完成虛擬場景的合成，既可以營造強烈的科技氛圍感，又可以制作出宏大世界觀的虛擬場景，逼真的動畫和特效讓觀眾能夠更加身臨其境地感受奇幻場景。

《秦時明月》《大圣歸來》《白蛇：緣起》《白蛇2：青蛇劫起》 等優(yōu)秀動畫作品都使用了動作捕捉技術。使用動作捕捉技術對真人演員的動作進行捕捉、記錄和轉換，演員需要進行多次的拍攝和演練，以使得虛擬角色的動作更加真實準確、流暢自然。另外，使用動作捕捉技術可以大大減少制作時間和人力成本，并提高動畫的制作效率。此外，《凡人修仙傳》還為人物微表情開發(fā)了一套無標記點的面部動畫的捕捉工具，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡來提取演員表演面部表情的一個特征，并且把它抽象成了網(wǎng)絡的隱藏空間特征，再使用大量的視頻數(shù)據(jù)來訓練網(wǎng)絡，這項技術通過提取演員視頻中的表演，將動作、表情等信息轉變?yōu)閿?shù)據(jù)，運用到CG 角色上，實現(xiàn)了角色面部動畫控制器的直接映射。

2.2 通過動作捕捉技術進行電影預演提高制作效率

動作捕捉技術可以應用于電影預演，這種方法稱為“預演動作捕捉”或“前視動作捕捉”。電影預演是電影制作的一個關鍵步驟，用于確定場景和角色的位置、動作和燈光等細節(jié)，以及探索視覺效果和情感表達。傳統(tǒng)的電影預演在實際場地進行，需要大量的時間和成本，并且無法在現(xiàn)場實時調(diào)整。使用預演動作捕捉技術可以有效解決這些問題。

預演動作捕捉通常使用無線慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU） 或相機系統(tǒng)來記錄演員的動作，然后將數(shù)據(jù)轉換為虛擬環(huán)境中的角色動作。這使得制作團隊可以在虛擬環(huán)境中進行預演，變換不同的攝影角度和燈光設置，并快速調(diào)整演員的動作和表情。預演動作捕捉還可以在實際拍攝前為演員提供更好的訓練和準備，從而提高拍攝效率和質量，還可以為電影帶來更多創(chuàng)新和可能。

預演動作捕捉技術已經(jīng)被廣泛應用于電影制作中，例如《阿凡達》《指環(huán)王》《變形金剛》等大片中都使用了預演動作捕捉技術。然而，預演動作捕捉技術也存在一些挑戰(zhàn)和限制。例如，現(xiàn)有的技術仍然無法完全捕捉到演員的表情和情感，需要借助人工制作和修飾。此外，預演動作捕捉還需要大量的技術和人力投入，特別是在場景和角色復雜的情況下。因此，在未來的研究和應用中，需要繼續(xù)改進和創(chuàng)新技術，以更好地滿足電影制作的需求。

2.3 動作捕捉技術用于虛擬拍攝增加創(chuàng)意可能性

動作捕捉技術可以應用于虛擬拍攝，這種方法稱為“虛擬攝影”或“數(shù)字化拍攝”。傳統(tǒng)的電影拍攝需要在實際場地進行，需要大量的時間和成本，并且受到天氣、時間和地點等因素的限制。而虛擬攝影使用動作捕捉技術和計算機圖形學技術，可以在虛擬環(huán)境中模擬實際場景進行拍攝和制作。

虛擬攝影通常涉及3 個主要的技術：動作捕捉技術、虛擬布景技術和實時渲染技術。動作捕捉技術用于記錄演員的動作和表情，虛擬布景技術用于創(chuàng)建虛擬場景和角色，實時渲染技術用于實時顯示和渲染虛擬環(huán)境。這些技術的結合可以實現(xiàn)高質量、高效率、低成本的虛擬拍攝。

虛擬攝影已經(jīng)被廣泛應用于電影、電視、游戲等娛樂產(chǎn)業(yè)中。例如，《權力的游戲》《阿凡達》《星球大戰(zhàn)》 等優(yōu)秀的影視作品，以及《使命召喚》《絕地求生》等游戲作品，都使用了虛擬攝影技術，不僅可以提高拍攝效率和質量，還可以為創(chuàng)作者提供更多的創(chuàng)意和可能。

但現(xiàn)有的技術仍然無法完全模擬真實的物理環(huán)境和光照效果，需要借助人工制作和修飾以及大量的技術和人力投入，特別是在場景和角色復雜的情況下。

2.4 動作捕捉技術為元宇宙領域提供有效技術支持

隨著元宇宙的興起，動作捕捉技術也開始在這一領域得到廣泛應用。元宇宙是一個虛擬的數(shù)字世界，包括虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、游戲、社交網(wǎng)絡等多種形式，是一個具有無限潛力的數(shù)字化空間。

動作捕捉技術可以在元宇宙中實現(xiàn)身體動作和表情的自然記錄和表達，從而提高虛擬角色的真實感和沉浸感。例如，在元宇宙游戲中，玩家可以使用身體動作來控制游戲中角色的動作，而動作捕捉技術可以記錄這些動作并將其轉化為虛擬角色的動作，從而提高游戲的沉浸感。此外，動作捕捉技術還可以用于元宇宙中的社交互動。例如，虛擬聚會或會議可以提高參與者之間的互動效果和溝通效果。

動作捕捉技術仍需要進一步改進和創(chuàng)新，以滿足元宇宙的不斷發(fā)展和變化。例如，開發(fā)更為便攜、高效、準確的動作捕捉設備，提高動作捕捉技術的精度和穩(wěn)定性，以及更好地整合動作捕捉技術和人工智能等技術，以實現(xiàn)更加智能化、自然化的虛擬互動。

2.5 動作捕捉技術通過虛擬體驗促進文化交流

動作捕捉技術可以用于虛擬場景和虛擬現(xiàn)實技術中，創(chuàng)建逼真的虛擬場景，使用戶可以在虛擬環(huán)境中體驗和學習傳統(tǒng)文化。例如，動作捕捉技術可以精確地記錄、保存和傳播傳統(tǒng)文化表演，如中國武術、舞蹈、京劇等，這可以幫助保護傳統(tǒng)文化，技術可介入具有中國傳統(tǒng)文化元素的動畫、游戲等作品創(chuàng)作，使更多人了解和學習傳統(tǒng)文化，同時可以使用虛擬現(xiàn)實設備體驗武術、太極等，有助于中國傳統(tǒng)文化的傳承。例如，游戲《大鬧天宮》、動畫《武庚紀》《封神演義》等都采用了動作捕捉技術，技術使游戲、動畫中的角色動作更加真實、流暢，增強了視覺效果和觀賞性。同時，角色形象、場景設計等也融入了中國傳統(tǒng)文化元素，如孫悟空的造型，天宮的建筑，各種神仙、妖魔、武器等為中國傳統(tǒng)文化的傳承和推廣做出了貢獻。

3 動作捕捉技術在動畫虛擬場景中的劣勢與困境

一是國內(nèi)的動作捕捉技術相對于國外技術而言略有不足，能夠投入使用的規(guī)模小。例如《最終幻想》《貝吉特快》《黑客帝國動畫版》3D 短片以及國產(chǎn)動畫《秦時明月》《眷思量》等，都在角色的動作制作方面運用了動作捕捉技術，使得這幾部動畫中角色的動作表演都接近真人動作。包括上文提到的《爵跡》，寫實程度幾乎貼合電影，但動作還是無法達到現(xiàn)實生活中的自然程度，角色的動作也沒有表現(xiàn)得太鮮活或充滿“趣味性”。任意一個動作在大自然中都飽含無窮無盡的運動軌跡，這就是大自然的獨特魅力，也是計算機技術無法超越的。目前，“動作捕捉器”在70%數(shù)據(jù)處理方面存在局限性，因此就算用再高超的計算機計算或根據(jù)動作捕捉器的數(shù)據(jù)模擬生成動作，做得再真實也是受硬件限制，會怎么看都有些機器的“冰冷”，顯得生硬[5]。

二是動作捕捉的制作成本相對較高，需要投入大量資金作為技術支撐。動作捕捉技術需要使用專業(yè)的硬件和軟件設備，成本較高。特別是對于一些小型動畫制作公司來說，購買和維護這些設備可能會成為一項巨大的財務負擔。另外，雖然動作捕捉技術可以快速捕捉人物動作，但可能無法完全捕捉角色的某些特定動作或特殊效果，在后期制作中進行修改和編輯可能需要更多的時間和精力。因此，國內(nèi)相當多的動畫制作團隊為了節(jié)約成本，只能延長制作周期，選擇相對傳統(tǒng)的手K 逐幀動畫，由此動作捕捉技術未廣泛運用，部分觀眾群體對這一技術呈現(xiàn)的視覺體驗有所缺失。

三是技術依賴性。動作捕捉技術需要專業(yè)的技術人員進行操作和維護，制作團隊必須具備相關技術和知識。如果沒有足夠的技術支持，可能會影響制作的進程和質量。例如，上文所提到的《爵跡》系列動畫雖然票房可觀，但口碑卻不如預期。過于真實的角色造型和動作反而失去了動畫應該有的趣味性和藝術性，因此觀眾接受度不高。

4 結束語

通過本文的分析可以看出，動作捕捉技術在國產(chǎn)動畫虛擬場景中的運用已經(jīng)成為越來越流行的趨勢，它為動畫制作提供了一種高效、精確和創(chuàng)新的手段，使得制作的動畫作品更加真實、流暢，提高了作品的觀賞性和藝術價值。

動作捕捉技術的運用不僅使得動畫制作更加高效和成本更加節(jié)約，同時也為創(chuàng)作者提供了更高的創(chuàng)作自由度和更多的可能性，使得創(chuàng)作者可以更加專注于作品的創(chuàng)意和藝術表現(xiàn)。同時，動作捕捉技術也為中國傳統(tǒng)文化的傳承和推廣提供了新的途徑和手段，創(chuàng)作出一系列具有中國傳統(tǒng)文化元素的優(yōu)秀動畫作品，為中國傳統(tǒng)文化于國際上的傳播做出了貢獻。

然而，動作捕捉技術在國產(chǎn)動畫虛擬場景中的應用仍然存在著一些劣勢和不足，存在對動作捕捉設備的要求較高、后期制作和調(diào)整成本較高等問題，這些問題需要制作團隊在應用動作捕捉技術時予以重視和解決。

在未來的發(fā)展中，動作捕捉技術在國產(chǎn)動畫虛擬場景中的應用還有很大的發(fā)展空間和潛力，需要制作團隊不斷探索創(chuàng)新、克服問題，將動作捕捉技術應用得更加完善和成熟。