【摘要】 本文通過對運動捕捉技術(shù)的研究，提出一種在Kinect和After Effects之間傳輸數(shù)據(jù)的方法，繼而開發(fā)出小型運動捕捉系統(tǒng)Kinect-After Effects Mocap Output System。該運動捕捉系統(tǒng)可以實現(xiàn)運動捕捉小型化和消費化。

【關(guān)鍵詞】 Kinect After Effects 運動捕捉

一、前言

目前市面上的運動捕捉系統(tǒng)大多昂貴，學(xué)習(xí)成本和使用費用過高，這限制了很多普通的視頻工作者。2010年微軟公司發(fā)布了體感設(shè)備Kinect，因其低廉的價格以及較為精確的深度傳感，更適合動畫制作中的運動捕捉。本文選擇了After Effects（下文簡稱為AE）這個廣泛使用且強(qiáng)大的特效制作軟件進(jìn)行研究。雖然國外的KinectToPin軟件可以通過Kinect進(jìn)行運動捕捉后導(dǎo)入AE驅(qū)動2D木偶，但由于采用OpenNI架構(gòu)，該運動捕捉系統(tǒng)仍存在很多問題：一，OpenNI架構(gòu)對Kinect的全身追蹤缺乏頭、雙手、腳、鎖骨五個骨骼點，控制模型不夠精確。二，關(guān)節(jié)閉塞未被估算，骨骼的關(guān)節(jié)處不夠平滑。三，安裝繁瑣，需單獨安裝NITE。四，目前只支持單人動作捕捉。本文重點研究Kinect與AE的接口文件。

二、Kinect骨骼流及AE關(guān)鍵幀動畫

2.1 Kinect骨骼數(shù)據(jù)點輸出原理

該研究基于Kinect SDK，核心思想是NUI，即自然人機(jī)交互。NUI API用于處理彩色圖像流、深度圖像數(shù)據(jù)、骨骼跟蹤管理等，其中骨骼跟蹤是其中的重要部分，它采用了景深圖像處理技術(shù)，使用如矩陣變換，機(jī)器學(xué)習(xí)等復(fù)雜的算法來確定人體各關(guān)節(jié)的坐標(biāo)。使用Kinect SDK可以識別出全身完整20個骨骼，依次是：左腳、腳踝、膝蓋、臀部，右腳、腳踝、膝蓋、臀部，左手、手腕、肘關(guān)節(jié)、肩，右手、手腕、肘關(guān)節(jié)、肩，頭部，肩部中央，脊柱中段，臀部中央。

2.2 AE中的關(guān)鍵幀動畫

在AE中，制作動畫主要使用關(guān)鍵幀技術(shù)配合動畫曲線編輯器或表達(dá)式完成。關(guān)鍵幀動畫就是通過調(diào)節(jié)關(guān)鍵幀參數(shù)制作出的動畫效果。在AE的關(guān)鍵幀動畫中，至少需要兩個關(guān)鍵幀才能產(chǎn)生作用，中間的動態(tài)則是由計算機(jī)插值計算得出的。木偶工具是AE推出的圖層扭曲新方法基于關(guān)鍵幀動畫，可以流暢地制作角色動畫。該研究使用木偶工具，在研究前需要導(dǎo)入木偶圖片，依照Kinect可識別的骨骼順序手動創(chuàng)造20個關(guān)鍵點，這些點將會與來自Kinect的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。

三、After Effects關(guān)鍵幀文件結(jié)構(gòu)研究

運動捕捉系統(tǒng)中Kinect與AE進(jìn)行通訊依靠的是AE關(guān)鍵幀文件。這是一個txt格式的文檔，其形式并未被列入AE SDK中。我通過對AE內(nèi)置的Mocha插件進(jìn)行研究，分析出關(guān)鍵幀文件結(jié)構(gòu)，包括文件頭、數(shù)據(jù)以及文件結(jié)尾聲明。其中文件頭和文件結(jié)尾聲明都是固定字符串，數(shù)據(jù)部分則包含每一個關(guān)鍵點的不同關(guān)鍵幀。

3.1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

這樣的結(jié)構(gòu)一共存在20組，分別代表木偶身上的20個骨骼點，用Pin #1、Pin #2……進(jìn)行表示。每組數(shù)據(jù)的第一行和第二行標(biāo)明了需要修改的參數(shù)值，依次按照第一、二行的順序進(jìn)行搜尋，即可尋找到修改的參數(shù)值。

Frame是幀數(shù)，分別從第0幀開始，對骨骼點的X、Y坐標(biāo)進(jìn)行記錄。這里的X、Y坐標(biāo)是經(jīng)過原先三維坐標(biāo)運算得來的，包含三維信息。Kinect每隔1/30秒會記錄一次骨骼點坐標(biāo)，即每30幀為1秒的畫面。

3.2骨骼點文件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換算法

用于通訊的txt文件中的關(guān)鍵信息分為20個單元，每個單元是一個骨骼點在多幀下點的坐標(biāo)集合。而實際Kinect記錄的數(shù)據(jù)是按每幀記錄，這導(dǎo)致文件數(shù)據(jù)是按時間排列，而非關(guān)鍵點。因此需要暫存文件作為中轉(zhuǎn)站，然后執(zhí)行格式轉(zhuǎn)換算法。暫存文件按照順序一次記錄每1/30秒的20個骨骼點各自的位置坐標(biāo)，通過循環(huán)記錄坐標(biāo)數(shù)據(jù)。暫存完成后執(zhí)行以下算法：首先，逐行讀取暫存文件，將其保存到數(shù)組中。然后對數(shù)組中的每一行進(jìn)行重新排列，將每第n行、第（n+20）行、第（n+40）行……（n取值0到19）提取出來排列在一起。這樣就可以將暫存文件轉(zhuǎn)換到AE可識別文件格式。

四、結(jié)論

通過對Kinect和AE的傳輸文件研究，可以將Kinect捕捉到的骨骼點運用到影視制作中，目前我根據(jù)該研究成果制作了Kinect運動捕捉界面以及AE插件，可實現(xiàn)角色動畫的制作。程序在后期的改進(jìn)中，可以使用微軟于2014年底推出的新款Kinect提高運動捕捉的精度，使動作更加平滑。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 余濤.Kinect應(yīng)用開發(fā)實戰(zhàn)——用最自然的方式與機(jī)器對話[M].機(jī)械工業(yè)出版社， 2014.5.

[2] Rob Miles.Start Here. Learn the Kinect API[M].Microsoft Press，2012

[3] 王森. Kinect體感程序設(shè)計入門[M].科學(xué)出版社，2015.1.

[4] 吉家進(jìn)，樊寧寧.After Effects CS6技術(shù)大全[M].人民郵電出版社，2014.9