孫新領(lǐng)，李揚波，馬紹惠

（河南機電高等專科學(xué)校 計算機科學(xué)與技術(shù)系，河南 新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

近年來，隨著數(shù)字媒體處理技術(shù)的快速發(fā)展及計算機視覺硬件成本的進一步降低，計算機三維動畫技術(shù)及其應(yīng)用越來越普及且成熟，特別是在三維人體動畫方面，運動捕捉技術(shù)的廣泛使用生成了大量真實感三維運動數(shù)據(jù)，并廣泛應(yīng)用于影視動畫、虛擬現(xiàn)實、計算機游戲及運動仿真等多個領(lǐng)域。由于運動捕捉技術(shù)獲取數(shù)據(jù)容易、精度高、真實感強以及制作效率高等特點，使用該技術(shù)制作三維角色動畫已成為主流趨勢。

運動捕獲技術(shù)的基本思想是采用特殊硬件設(shè)備實時捕獲真實運動角色（演員、動物等）的三維運動數(shù)據(jù)，并將其映射到事先建立好的三維模型上，生成動畫序列。從本質(zhì)上而言，運動捕獲技術(shù)是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的動畫制作手段，包括基于運動捕獲數(shù)據(jù)的編輯、合成、重用等技術(shù)［1］。商用人體運動捕獲系統(tǒng)的普及，尤其是光學(xué)式運動捕捉系統(tǒng)的普及，使得獲取真實感三維人體運動數(shù)據(jù)不再是制作真實感三維人體動畫的瓶頸，可供重復(fù)利用的三維人體運動捕獲數(shù)據(jù)庫也已出現(xiàn)，這使得數(shù)據(jù)驅(qū)動方式成為制作真實感三維人體動畫的重要手段。

運動捕捉技術(shù)的三維人體動畫制作流程分為三維運動數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)重建、運動驅(qū)動等步驟。本文基于這一流程，采用大連東銳軟件公司的被動式光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)作為平臺［2］，討論了運動捕捉技術(shù)在三維人體動畫中應(yīng)用的方法和技巧，包括攝像機標定、標記點跟蹤和三維重建技術(shù)等，通過重建后的數(shù)據(jù)驅(qū)動Motion Builder中的虛擬角色，實現(xiàn)了一系列真實感人體動作的捕獲與使用，使虛擬角色具有了生命。

1 三維人體運動數(shù)據(jù)的獲取

1.1 光學(xué)式運動捕捉過程

人體的動作可以看成是人體各個關(guān)節(jié)點的動作，在運動捕捉系統(tǒng)中，一般把人體看成是由13～19個關(guān)節(jié)點組成的簡單模型［3］。進行運動捕捉時，首先要在人體的各個關(guān)節(jié)點上粘貼固定一個特殊的反光材料，稱為標記點（Marker）［4］。這些反光材料可以被特殊的攝像機所追蹤。利用兩臺或兩臺以上的攝像機進行實時視頻捕捉，從各個攝像機得到的序列圖片中可以得到每一幀中標記點的運動情況。因此可以得到一個特定的點隨著時間變化的連續(xù)運動軌跡。然后通過三維重建技術(shù)將這些點的運動軌跡還原為骨架模型的動作。本次測試使用的運動捕捉系統(tǒng)為大連東銳軟件公司的DIMS9090，共8臺近紅外高清攝像機，用以采集三維動作數(shù)據(jù)。

1.2 攝像機標定

在從攝像機所獲取的二維圖像信息計算三維空間結(jié)構(gòu)的過程中，要利用視點的位置信息和視點的朝向信息，因此需要知道攝像機的各種參數(shù)，包括內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)［5］。這些參數(shù)的獲取一般通過攝像機標定技術(shù)實現(xiàn)，該技術(shù)是計算機視覺系統(tǒng)中的一項重要技術(shù)。

為了精確地捕捉三維運動數(shù)據(jù)，進行了靜態(tài)標定和動態(tài)標定。靜態(tài)標定通過對放置在捕捉區(qū)域的靜態(tài)標定儀的象限和位置信息的計算完成。標定時，靜態(tài)標定儀要放置在所有攝像機視野的中心位置，本次測試放置如圖1所示。靜態(tài)標定儀的三個軸把捕捉空間劃分為四個象限，其中XY 軸夾角方向為第一象限，從第一象限起按逆時針方向分別為二、三、四象限，每個象限對應(yīng)兩臺攝像機。動態(tài)標定通過實驗人員使用動態(tài)標定儀在捕捉區(qū)域運動，并對運動數(shù)據(jù)進行運算，實現(xiàn)攝像機的動態(tài)標定。動態(tài)標定的精確度要達到95%以上。靜態(tài)標定和動態(tài)標定都是為了準確定位標記點的運動軌跡，同時也為了避免抖動、少點等問題，使捕捉的數(shù)據(jù)更準確。

圖1 靜態(tài)標定儀的放置

1.3 標記點設(shè)置與追蹤

在光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)中，標記點為發(fā)光球，通過粘貼在角色所穿衣服的關(guān)節(jié)位置來實現(xiàn)，使用安放于角色四周的一個或多個相機跟蹤捕捉這些標記點。跟蹤標記點的主要目的是能讓系統(tǒng)識別此點代表哪個關(guān)節(jié)點，以便在還原數(shù)據(jù)時直接將骨架連接起來。然后利用三維重建技術(shù)就可以獲得角色身上標記點的三維運動軌跡，形成三維運動數(shù)據(jù)。

為了數(shù)據(jù)捕捉的精確性，標記點必須覆蓋所有需要捕捉的骨骼，反映出骨骼的自由度及標記點需盡可能與骨骼運動一致；為了提高數(shù)據(jù)的重建效率，避免缺點現(xiàn)象、標記點的交叉和遮擋等問題，標記點應(yīng)擺放在不易被遮擋的地方，標記點間距離應(yīng)大小不一及相關(guān)標記點間形成規(guī)則的幾何圖形。本次測試使用了21點標記法，具體標記位置和方式如圖2所示。

圖2 標記點貼法

1.4 動作數(shù)據(jù)捕捉

進行了攝像機的標定和標記點的粘貼之后，接下來就是讓演員做出不同的動作，并通過捕捉系統(tǒng)對動作數(shù)據(jù)進行采集。演員做動作時不要超出捕捉區(qū)，盡量不要遮擋標記點，動作速度要均勻，這樣采集到的數(shù)據(jù)才丟點更少、更準確。

2 運動數(shù)據(jù)重建

三維重建是指把圖像的二維坐標還原到三維坐標，然后用這些三維坐標的數(shù)據(jù)驅(qū)動創(chuàng)建的虛擬模型。被動式人體運動捕捉系統(tǒng)捕捉方式簡單快捷，采樣效率高，但所獲得的數(shù)據(jù)為一系列散亂數(shù)據(jù)，因此這些數(shù)據(jù)在使用之前首先需要對數(shù)據(jù)進行識別，確立數(shù)據(jù)點與標記點的對應(yīng)關(guān)系，并對每一幀的數(shù)據(jù)點進行匹配或補點。

2.1 標記點的連接與匹配

在本文中連接模板需要手動建立，選擇無缺失點且容易辨認的一幀數(shù)據(jù)，逐一為每個點編號，把經(jīng)過標定的這一幀數(shù)據(jù)作為匹配模板。對于同一個表演者捕捉的不同組的數(shù)據(jù)匹配模版可以共用，而不必為每組數(shù)據(jù)都確定一個新模板。本次測試選擇讓演員以T字形站立作為匹配模板，因為該姿勢匹配容易、準確，且有利于后續(xù)在Motion Builder中使用捕捉的動作數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬角色。標記點數(shù)據(jù)匹配連接前和連接后的模板比較如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)的匹配與連接

2.2 數(shù)據(jù)重建與修正

利用光學(xué)式捕捉的原始運動數(shù)據(jù)有四個特點：（1）采集到的信息僅有標記點的三維坐標信息，數(shù)據(jù)以散亂無序的形式存在；（2）由于標記點被道具、四肢、軀干或者其他標記點遮擋，存在缺失點數(shù)據(jù)，缺失點時常會連續(xù)缺失；（3）由于攝像延遲會出現(xiàn)噪聲點；（4）運動員在做劇烈運動時，標記點相對于人體會出現(xiàn)位移，從而改變運動數(shù)據(jù)之間的拓撲結(jié)構(gòu)［6］。因此，采集后的數(shù)據(jù)要進行三維重建。

三維數(shù)據(jù)重建是利用攝像機捕捉的前后幀的同一點的運動軌跡和空間關(guān)系實現(xiàn)，主要有技術(shù)有剔除噪聲點、彌補缺失點對運動數(shù)據(jù)進行有序標定等。本系統(tǒng)是通過第一幀的模板自動對后續(xù)幀進行標記點運動軌跡匹配，從而在每一幀上都形成與模板一致的連接，每一幀都是運動軌跡的體現(xiàn)。經(jīng)過重建后的三維數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后可以用于不同的角色動畫制作環(huán)境。

2.3 三維數(shù)據(jù)的導(dǎo)出

采集后的數(shù)據(jù)要進行數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為制作角色動畫所用軟件能識別的數(shù)據(jù)格式。可供導(dǎo)出的數(shù)據(jù)類型有.trc，.csm，.bvh 等。導(dǎo)出的數(shù)據(jù)就可以導(dǎo)入到動作合成軟件，并驅(qū)動虛擬角色運動了。

3 運動驅(qū)動

3.1 數(shù)據(jù)與Actor的綁定

這一過程有兩大步驟，一是數(shù)據(jù)與Actor的對位，二是數(shù)據(jù)與Actor的綁定。對位時需要先把.trc等格式的文件導(dǎo)入到動作合成軟件Motion Builder中，然后把Actor拖入到視圖面板中。完成后調(diào)整數(shù)據(jù)的位置與方位，同時對Actor的骨骼進行旋轉(zhuǎn)縮放等操作，使Actor與數(shù)據(jù)精確對位，主要是通過對手臂、腿部的骨骼進行旋轉(zhuǎn)縮放，與T 字形數(shù)據(jù)進行對位吻合。對位的準確度影響動作驅(qū)動的精確程度。精確對位后，就可以對數(shù)據(jù)與Actor匹配綁定了。綁定時首先創(chuàng)建標記點集，然后把數(shù)據(jù)點與Actor的驅(qū)動點進行匹配，所有數(shù)據(jù)匹配完成后，激活A(yù)ctor，這時Actor已經(jīng)能隨數(shù)據(jù)而動，綁定完成。

3.2 驅(qū)動虛擬角色的運動

數(shù)據(jù)與Actor綁定后，還需要Actor與虛擬角色進行匹配，一個Actor可以與不同的虛擬角色進行匹配，這樣同一套數(shù)據(jù)就可以驅(qū)動不同的虛擬角色。為了測試整個流程的穩(wěn)定性、易用性，進行了多次、多樣運動驅(qū)動實驗。其中，對一套武術(shù)動作進行了捕獲與虛擬角色的驅(qū)動。圖4顯示了真人動作與同步的虛擬角色動作的幾幀畫面。實驗表明，該流程操作準確規(guī)范，捕捉的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，噪點少，實現(xiàn)了真實動作驅(qū)動虛擬角色的運動。

圖4 虛擬角色運動效果

4 結(jié)語

根據(jù)光學(xué)式運動捕捉在三維人體動畫中的應(yīng)用流程，總結(jié)了攝像機標定、標記點放置、運動驅(qū)動的方法和技巧，有效地解決了運動捕捉過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)抖動、數(shù)據(jù)點丟失、運動失真等問題。接下來要深入挖掘運動捕捉數(shù)據(jù)的修復(fù)與重用問題，并進一步研究動作數(shù)據(jù)在其他主流角色動畫制作工具中的使用問題，做出更流暢、更逼真的角色動畫。

［1］肖俊，莊挺越，吳飛.計算機視覺與機器學(xué)習(xí)技術(shù)在三維人體動畫中的應(yīng)用綜述［J］.計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2008，20（3）：281－290.

［2］大連東銳軟件有限公司.東方新銳DVMC－8820 三維運動捕捉／分析系 統(tǒng)［EB／OL］［2013－01］.http：／／www.dorealsoft.com

［3］Bodenheimer B，Rose C，Rosenthal S，et al.The Process of Motion Capture：Dealing with Data.8th Eurographics Int［C］.Workshop on Computer Animation and Simulation＇97，Budapest，Hungary，Springer－Verlag Wien，1997.

［4］［5］黃波士，陳福民，張金劍.一種改進算法的光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)［J］.同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，30（10）：1372－1376.

［6］吳升，張強，肖伯祥等.一種新的光學(xué)運動捕捉數(shù)據(jù)處理方法［J］.計算機應(yīng)用研究，2009，26（5）：1938－1964.