朱永瓊 （武漢商學(xué)院 藝術(shù)學(xué)院 430056）

動(dòng)作捕捉實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

朱永瓊 （武漢商學(xué)院 藝術(shù)學(xué)院 430056）

動(dòng)作捕捉技術(shù)常常用在好萊塢電影中的特技及動(dòng)畫(huà)影視作品中，已成為三維動(dòng)畫(huà)制作的一種重要技術(shù)。國(guó)內(nèi)動(dòng)捕教學(xué)受限于設(shè)備、場(chǎng)地和教師等因素，鮮少有高校開(kāi)設(shè)此實(shí)驗(yàn)課程。本文在美國(guó)魔神三維動(dòng)作捕捉分析系統(tǒng)環(huán)境下，提出動(dòng)作捕捉實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生深入動(dòng)畫(huà)產(chǎn)品生產(chǎn)和制作一線，了解動(dòng)作捕捉制作動(dòng)畫(huà)全過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的綜合職業(yè)能力，滿足社會(huì)高端人才的需求。

動(dòng)作捕捉；實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容；實(shí)訓(xùn)教學(xué)

本文系武漢市市屬高等學(xué)校教學(xué)研究項(xiàng)目——?jiǎng)赢?huà)專業(yè)動(dòng)捕實(shí)訓(xùn)教學(xué)研究與實(shí)踐（項(xiàng)目編號(hào)：2014103）

一、引言

傳統(tǒng)的三維動(dòng)畫(huà)制作主要依靠Maya或3DSMAX等三維軟件來(lái)制作，角色動(dòng)作由動(dòng)畫(huà)師K幀調(diào)整，這種創(chuàng)作方式需要投入大量的創(chuàng)作人員與創(chuàng)作時(shí)間，效率很低。在高質(zhì)量的商業(yè)動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作中，一個(gè)熟練的動(dòng)畫(huà)師每天也只能制作數(shù)秒的動(dòng)畫(huà)。而當(dāng)今國(guó)際三維動(dòng)畫(huà)的發(fā)展程度跟日新月異的計(jì)算機(jī)技術(shù)密不可分。近年來(lái)，一種新的動(dòng)畫(huà)制作技術(shù)——?jiǎng)幼鞑蹲郊夹g(shù)常常用在好萊塢電影中的特技及動(dòng)畫(huà)影視作品中，并逐漸成為三維動(dòng)畫(huà)制作的一種重要技術(shù)。動(dòng)作捕捉技術(shù)最顯著的優(yōu)勢(shì)在于其可以大幅提高動(dòng)畫(huà)的創(chuàng)作效率。傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作中角色的動(dòng)作主要依賴于動(dòng)畫(huà)師的經(jīng)驗(yàn)，往往需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的訓(xùn)練。而應(yīng)用動(dòng)作捕捉技術(shù)可以大大降低角色動(dòng)作的創(chuàng)作難度，減少對(duì)于創(chuàng)作者經(jīng)驗(yàn)、技巧的依賴，最關(guān)鍵的是，動(dòng)作捕捉系統(tǒng)記錄的是物體的實(shí)際動(dòng)作，捕捉到的動(dòng)作的每一幀都是關(guān)鍵幀，所以動(dòng)作精準(zhǔn)流暢，效果非常逼真。經(jīng)過(guò)動(dòng)作捕捉之后，CG角色有了自己的動(dòng)作、表情，就算是具有豐富經(jīng)驗(yàn)的動(dòng)畫(huà)師也難以創(chuàng)作出如此逼真的動(dòng)作。因此，近年來(lái)動(dòng)作捕捉技術(shù)應(yīng)用到了大部分的好萊塢電影中，如大家熟悉的《阿凡達(dá)》《指環(huán)王》《金剛》等都大量使用了動(dòng)作捕捉技術(shù)1。

為了將教學(xué)與市場(chǎng)應(yīng)用接軌，有助于培養(yǎng)動(dòng)畫(huà)行業(yè)高素質(zhì)人才，需要在三維動(dòng)畫(huà)領(lǐng)域開(kāi)設(shè)動(dòng)作捕捉課程，才能讓學(xué)生深入動(dòng)畫(huà)產(chǎn)品生產(chǎn)和制作一線，在教師的指導(dǎo)下，運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，了解動(dòng)作捕捉制作動(dòng)畫(huà)全過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的綜合職業(yè)能力，滿足社會(huì)高端人才的需求。但目前在各高校中鮮少有學(xué)校開(kāi)設(shè)此門課程，究其原因主要有兩個(gè)。一是動(dòng)捕設(shè)備比較昂貴。目前比較好的動(dòng)捕設(shè)備主要是英國(guó)的Vicon、美國(guó)的魔神和國(guó)內(nèi)的天遠(yuǎn)等，這些系統(tǒng)造價(jià)不菲，動(dòng)則上百萬(wàn)，一般的企業(yè)和高校難以承受。二是缺乏相關(guān)的實(shí)訓(xùn)教材和系統(tǒng)。魔神等系統(tǒng)的核心技術(shù)完全來(lái)自國(guó)外，外國(guó)的設(shè)計(jì)者并未設(shè)計(jì)此系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)指南，導(dǎo)致在實(shí)際的教學(xué)中需要自己構(gòu)建動(dòng)作捕捉實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系。

因此，雖然國(guó)際上動(dòng)作捕捉技術(shù)應(yīng)用在動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作過(guò)程中有著十分突出的優(yōu)勢(shì)并有著很好的發(fā)展前景，但受限于經(jīng)費(fèi)和人才的因素，國(guó)內(nèi)動(dòng)捕實(shí)訓(xùn)教學(xué)很難開(kāi)展。而隨著動(dòng)捕技術(shù)在國(guó)外廣泛的應(yīng)用在虛擬現(xiàn)實(shí)、醫(yī)療、工業(yè)、體育競(jìng)技分析、科研等諸多領(lǐng)域，開(kāi)設(shè)動(dòng)作捕捉課程是勢(shì)在必行。

二、運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)介紹

運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)按工作原理可將其分為以下幾類：聲學(xué)式、光學(xué)式、電磁式、機(jī)械式和基于視頻的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)2。光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)具有較成熟的技術(shù)、較高的采樣率、運(yùn)動(dòng)受限小的特點(diǎn)成為目前使用最廣泛的一種捕捉系統(tǒng)，如魔神、Vicon等都是屬于光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)附著在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上的特定標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行跟蹤和監(jiān)測(cè)，最終獲得運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)，達(dá)到動(dòng)作捕捉的目的。在運(yùn)動(dòng)捕捉時(shí)，在捕捉對(duì)象的主要關(guān)節(jié)處粘貼一些標(biāo)志點(diǎn)（Marker），這些標(biāo)志點(diǎn)具有發(fā)光的特點(diǎn)，攝像機(jī)接收標(biāo)志點(diǎn)反射回來(lái)的光線，獲取標(biāo)記點(diǎn)在二維圖像中的位置3。如果一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)同時(shí)為多部相機(jī)所見(jiàn)，則可計(jì)算出標(biāo)記點(diǎn)在三維空間中的坐標(biāo)信息4，以此獲得光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)5。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

本課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)定的是美國(guó)魔神三維動(dòng)作捕捉分析系統(tǒng)。作為教學(xué)使用，選用8個(gè)Raptor-4動(dòng)作捕捉系統(tǒng)鏡頭環(huán)繞在動(dòng)作捕捉區(qū)域，只能用于單人的動(dòng)作捕捉。通過(guò)對(duì)捕捉區(qū)域中演員的動(dòng)作進(jìn)行捕捉，將捕捉數(shù)據(jù)傳送到運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)捕捉工作站中。實(shí)驗(yàn)中主要用到：

Raptor-4鏡頭：精度0.058mm，采用了美國(guó)Micron公司的MIMV40傳感器，在2352× 1728象素的模式下工作，頻率可以達(dá)到每秒200幀。較小分辨率的情況下，采集頻率可升至10，000幀/秒。

Cortex實(shí)時(shí)操作及分析軟件：提供給用戶簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的操作及處理環(huán)境，用戶可以在統(tǒng)一環(huán)境下完成設(shè)置、校準(zhǔn)、捕捉、識(shí)別、匹配、建模、編輯及數(shù)據(jù)分析及輸出功能。支持32位及64位操作系統(tǒng)，提供cortex無(wú)線控制器，可以單人完成系統(tǒng)操作。

動(dòng)作捕捉系統(tǒng)配件（配套）：

（1）數(shù)據(jù)線-獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)線及電源連接線類型，Ethernet（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）及Power Lemo連接器，通過(guò)專用實(shí)時(shí)分析處理軟件，使用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP數(shù)據(jù)通訊協(xié)議；

（2）專用云臺(tái)；

（3）配套強(qiáng)力夾；

（4）專用三角架（與鏡頭數(shù)量匹配）；

（5）動(dòng)作捕捉專用緊身服裝；

（6）動(dòng)作捕捉專用反光點(diǎn)套裝；

（7）設(shè)備配套用附件，用于設(shè)備架設(shè)、L和T型動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)棒及捕捉輔助材料等。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)概述

整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程是利用紅外鏡頭實(shí)時(shí)采集演員的動(dòng)作，在Cortex中輸出整個(gè)動(dòng)作采集的數(shù)據(jù)FBX。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Maya中進(jìn)行修幀，修補(bǔ)噪聲數(shù)據(jù)，確定關(guān)鍵幀。最后將關(guān)鍵幀轉(zhuǎn)換為骨骼數(shù)據(jù)，在三維軟件中綁定角色，從而使角色賦予了捕捉的動(dòng)作形成動(dòng)畫(huà)。通過(guò)這種實(shí)驗(yàn)流程，使學(xué)生懂得動(dòng)作捕捉動(dòng)畫(huà)的制作流程，提高了學(xué)習(xí)熱情，為以后的動(dòng)畫(huà)制作打下了很好的基礎(chǔ)。

2.實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵步驟

（1）設(shè)備連接：?jiǎn)?dòng)工作站，插入主加密狗。打開(kāi)Cortex軟件，啟動(dòng)攝像頭連接，如果連接正常，8個(gè)動(dòng)作捕捉鏡頭會(huì)變紅色，而且，在Cortex軟件上會(huì)出現(xiàn)8個(gè)方框顯示攝像頭的捕捉區(qū)域。

（2）掃場(chǎng)：掃場(chǎng)的目的是在捕捉區(qū)域內(nèi)測(cè)試攝像頭是否能完整的捕捉到整個(gè)捕捉區(qū)域內(nèi)的動(dòng)作標(biāo)記點(diǎn)。將T型動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)棒準(zhǔn)備好，在捕捉區(qū)域內(nèi)揮舞掃場(chǎng)。掃場(chǎng)的方向是前后左右上下都需要掃，T型棒掃過(guò)的地方在Cortex攝像頭捕捉區(qū)域中會(huì)顯示捕捉到的點(diǎn)數(shù)據(jù)，掃場(chǎng)的速度最好接近于模特運(yùn)動(dòng)的速度，這樣可以更準(zhǔn)確的測(cè)試攝像頭是否能捕捉到所有數(shù)據(jù)。如果8個(gè)攝像頭捕捉區(qū)域的點(diǎn)已經(jīng)全部鋪滿，則所有攝像頭工作完畢，會(huì)自動(dòng)“嗖”的一聲提示校準(zhǔn)完成。在掃場(chǎng)的過(guò)程中最好不要自行停止校準(zhǔn)，以防有的攝像頭不能捕捉到某些區(qū)域的動(dòng)作而導(dǎo)致最后三維數(shù)據(jù)坐標(biāo)變換的錯(cuò)誤。

（3）水平定位：為了定位三維坐標(biāo)的原點(diǎn)和方向，需要使用L型動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)棒。L型棒的長(zhǎng)柄對(duì)應(yīng)的是三維Z軸方向，一般是演員表演正面的方向，也是擺放攝像機(jī)的方向。調(diào)整L型棒短柄，上面有個(gè)小球，擺置在中間使其達(dá)到水平。

（4）演員動(dòng)作測(cè)試：前續(xù)的準(zhǔn)備完成后，就需要給演員模特穿上動(dòng)作捕捉專用緊身服裝，貼上標(biāo)記點(diǎn)。演員的選取需要注意，演員的身高比例必須和動(dòng)作捕捉專用緊身服相匹配。演員穿好衣服后，就開(kāi)始在衣服上貼標(biāo)記點(diǎn)了。關(guān)于標(biāo)記點(diǎn)的粘貼，并不是無(wú)規(guī)則的，必須覆蓋所要捕捉的骨骼。關(guān)于如何設(shè)置標(biāo)記點(diǎn)的研究有很多，太多的標(biāo)記點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致捕捉的數(shù)據(jù)過(guò)大，太少了不能涵蓋所要捕捉的骨骼。在這里，可以采用最常用的BVH或ASF/ AMC的骨架模型和幾個(gè)輔助標(biāo)記點(diǎn)來(lái)貼標(biāo)記點(diǎn)。接著，演員可以做基本動(dòng)作進(jìn)行T-pose的動(dòng)作測(cè)試，在Cortex中檢測(cè)下標(biāo)記點(diǎn)在基本動(dòng)作中是否無(wú)誤。如果發(fā)現(xiàn)有丟失或遮擋標(biāo)記點(diǎn)的現(xiàn)象可以進(jìn)行調(diào)整，直到基本動(dòng)作都能正確捕捉為止。

（5）演員的動(dòng)作捕捉：在捕捉區(qū)域內(nèi)，演員開(kāi)始進(jìn)行表演，同步進(jìn)行動(dòng)作的捕捉。表演結(jié)束后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出保存為FBX文件。

（6）噪聲數(shù)據(jù)的處理：由于標(biāo)志點(diǎn)在采集過(guò)程中可能發(fā)生遮擋、混淆或丟失，采集到的運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)誤差和偽數(shù)據(jù)產(chǎn)生噪聲。需要對(duì)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和修補(bǔ)丟失的數(shù)據(jù)。在Maya中根據(jù)動(dòng)畫(huà)曲線使用插值和逐幀調(diào)整的方法將捕捉數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤修正，保證動(dòng)作的準(zhǔn)確和流暢。

（7）骨骼綁定：將貼標(biāo)記點(diǎn)的骨架模型與骨骼進(jìn)行綁定。將動(dòng)捕數(shù)據(jù)中的各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)與骨骼上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行映射，使得骨骼得以由動(dòng)捕數(shù)據(jù)中標(biāo)記點(diǎn)的空間位置數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)起來(lái)。

（8）角色模型與動(dòng)捕數(shù)據(jù)的綁定：將角色導(dǎo)入到Maya中與骨骼綁定，K幀從而驅(qū)動(dòng)角色模型，使角色具有捕捉到的動(dòng)作形成動(dòng)畫(huà)。

3.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)課共計(jì)32學(xué)時(shí)，其中教師講授16個(gè)學(xué)時(shí)，分4次課進(jìn)行，每次4個(gè)學(xué)時(shí)。學(xué)生實(shí)踐16個(gè)學(xué)時(shí)，分2次進(jìn)行，每次8個(gè)學(xué)時(shí)。教師講授內(nèi)容如下：

（1）第一次課的內(nèi)容主要是要學(xué)生熟悉動(dòng)作捕捉環(huán)境和設(shè)備，了解各設(shè)備的功能，學(xué)會(huì)動(dòng)捕設(shè)備的連接啟動(dòng)，學(xué)會(huì)掃場(chǎng)、水平定位等初始準(zhǔn)備工作。

（2）第二次課的內(nèi)容需要學(xué)生學(xué)會(huì)如何給演員穿動(dòng)作捕捉專用緊身服以及粘貼標(biāo)記點(diǎn)。在演員動(dòng)作測(cè)試過(guò)程中學(xué)會(huì)如何在Cortex中檢測(cè)標(biāo)記點(diǎn)是否粘貼正確。

（3）第三次課的內(nèi)容主要是學(xué)習(xí)對(duì)演員的動(dòng)作進(jìn)行捕捉，以及捕捉數(shù)據(jù)的噪聲處理。

（4）第四次課的內(nèi)容是如何將標(biāo)記數(shù)據(jù)和骨骼進(jìn)行映射，以及如何驅(qū)動(dòng)角色進(jìn)行動(dòng)作。

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐，學(xué)生能完整的掌握到光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在三維動(dòng)畫(huà)上的運(yùn)用，使學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容緊跟時(shí)代發(fā)展的前沿，為將來(lái)的動(dòng)畫(huà)學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。

四、結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)將在動(dòng)畫(huà)專業(yè)本科進(jìn)行實(shí)踐，將每個(gè)班分成2組采用小班教學(xué)。由于本校藝術(shù)學(xué)院采購(gòu)了美國(guó)魔神動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，使教學(xué)具備良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使教學(xué)和行業(yè)接軌，提高了學(xué)生的職業(yè)能力和就業(yè)率。

注釋：

1.許樂(lè)， 朱柏宇，計(jì)算機(jī)技術(shù)與電影真實(shí)感的建立：以動(dòng)作捕捉技術(shù)和奧斯卡視覺(jué)特效獎(jiǎng)為例［J］.北京電影學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（1）：64-72.

2.向澤瑞，友錦亦，徐伯初，李娟.運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)及其應(yīng)用研究綜述［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2013，30（8）：2241-2245.

3.潘華偉，孟奇，高青鳴.一種新的運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法［J］.計(jì)算機(jī)工程，2012，38（2）：17-20.

4.張迪.基于運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)的三維人體運(yùn)動(dòng)合成［D］.長(zhǎng)安大學(xué)，2015.

5.譚光華，周美蘭，高青鳴，李仁發(fā).光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)中標(biāo)記點(diǎn)自動(dòng)注冊(cè)與預(yù)測(cè)算法［J］.模式識(shí)別與人工智能，2014，27（7）：611-616.