房杰

（浙江師范大學(xué)杭州幼兒師范學(xué)院動(dòng)畫系，浙江杭州　310012）

基于動(dòng)畫捕獲數(shù)據(jù)的若干計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)分析*1

房杰

（浙江師范大學(xué)杭州幼兒師范學(xué)院動(dòng)畫系，浙江杭州310012）

運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)目前已成為制作3D計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的主流方法之一.然而，目前還沒有一個(gè)能有效解決基于運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)的、更加高效的3D計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作方法.基于此，在參閱文獻(xiàn)和總結(jié)已有計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)的基礎(chǔ)上，全面細(xì)致地研究和分析了目前基于動(dòng)畫捕獲數(shù)據(jù)的主要計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)及應(yīng)用特點(diǎn)；同時(shí)，對(duì)其所具有的優(yōu)勢(shì)和不足進(jìn)行列舉和探究，并在這個(gè)基礎(chǔ)上提出新的群體動(dòng)畫設(shè)計(jì)手段——基于多智能角色的群體動(dòng)畫創(chuàng)作技術(shù)，并用實(shí)驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行佐證，旨在為動(dòng)畫創(chuàng)作提供更加方便、高效的制作方法.

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫；運(yùn)動(dòng)捕獲；運(yùn)動(dòng)編輯；信號(hào)和分解；群體動(dòng)畫創(chuàng)作技術(shù)

從20世紀(jì)90年代開始，人們開始研究運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)并得到了迅速的發(fā)展，在影視、游戲、教育等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1］.但如何更加方便、高效地利用運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)畫創(chuàng)作已成為目前迫切需要解決的問題.本文從動(dòng)畫捕獲數(shù)據(jù)的角度出發(fā)，分析若干計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)，提出一種智能群體動(dòng)畫創(chuàng)作技術(shù)，希望能為當(dāng)代動(dòng)畫制作產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供幫助.

1　基于動(dòng)畫捕獲數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

1.1優(yōu)化真實(shí)度

優(yōu)化真實(shí)度是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)應(yīng)用的主要優(yōu)勢(shì)之一.在動(dòng)畫作品創(chuàng)作過程中，利用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)對(duì)真實(shí)場景進(jìn)行模擬和特效制作，為觀眾營造宏大的視覺場面［2］，并引導(dǎo)觀眾深入到動(dòng)畫場景中，使其有身臨其境的感覺和震撼的視覺享受.如很多動(dòng)畫電影中高逼真的人物造型、動(dòng)作、表情和虛擬真實(shí)場景等都已經(jīng)到了維妙維肖的程度.

1.2無損保存和擴(kuò)大動(dòng)畫制作范圍

無損保存和復(fù)制采用數(shù)字系統(tǒng)保存形式，以實(shí)現(xiàn)視頻高效保存狀態(tài)，逐步改善在傳統(tǒng)模式下（如磁帶、唱片等）保存、復(fù)制過程中所凸顯出的相應(yīng)問題.

此外，計(jì)算機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)亦體現(xiàn)在擴(kuò)大動(dòng)畫制作范圍層面，如利用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)可以制作高難度和高危險(xiǎn)性的電影特技，模擬常規(guī)無法實(shí)現(xiàn)的古代建筑、戰(zhàn)爭場景等，這些都能以計(jì)算機(jī)3D場景構(gòu)建、特效制作等創(chuàng)作形式得以實(shí)現(xiàn)，從而更為充分地展現(xiàn)動(dòng)畫主題，帶給觀眾更加豐富的視覺和心理體驗(yàn).

2　動(dòng)畫捕獲數(shù)據(jù)視角下的主要計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)及特點(diǎn)

2.1唇語同步技術(shù)

唇語同步技術(shù)是指在畫面處理過程中利用計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)音差異性識(shí)別功能，依據(jù)動(dòng)畫人物的口型顯示發(fā)音數(shù)據(jù)，最終達(dá)到動(dòng)畫完整呈現(xiàn)的目的.此外，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，語音系統(tǒng)化分類創(chuàng)作目標(biāo)也逐步實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)軟件在運(yùn)作過程中可利用已有的數(shù)據(jù)信息反映與之相適應(yīng)的動(dòng)畫主體口型、動(dòng)作，繼而實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫處理過程中自動(dòng)化生成口型的處理目的，從而完善逐幀繪制口型的操作機(jī)制，提升整體處理效率.例如，Moho軟件在Lost Marble公司深入研發(fā)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化語音生成狀態(tài)［3］，即基于將音頻文件輸入Moho軟件環(huán)境的基礎(chǔ)上，對(duì)語句若干因素進(jìn)行分析，最終通過對(duì)語句的準(zhǔn)確調(diào)整，達(dá)到同步數(shù)據(jù)輸出的動(dòng)畫處理狀態(tài)，呈現(xiàn)出口型數(shù)據(jù)信息.再如，《行尸走肉》動(dòng)畫配音視頻在制作過程中運(yùn)用了Papagayo，Magpie Pro等唇語同步動(dòng)畫制作軟件，并在基于軟件安裝的基礎(chǔ)上將聲音文件置入Papagage文件環(huán)境中，最終參照“語句拆分→語句調(diào)整→語音同步”的步驟輸出數(shù)據(jù).

唇語同步技術(shù)的應(yīng)用在一定程度上滿足了受眾的聽覺需求，因此，當(dāng)代動(dòng)畫產(chǎn)業(yè)在發(fā)展過程中應(yīng)注重參照Moho軟件的成功案例，發(fā)揮其技術(shù)價(jià)值，為受眾提供高質(zhì)量的動(dòng)畫作品.

2.2角色替換技術(shù)

現(xiàn)代動(dòng)畫創(chuàng)作為了營造真實(shí)的故事情景，凸顯出多個(gè)人物的個(gè)性特點(diǎn)，在創(chuàng)作過程中應(yīng)注重運(yùn)用角色替換技術(shù)：即利用人物走路動(dòng)作一致性的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，在動(dòng)畫人物替換過程中基于保持人物原有角色骨骼動(dòng)作不變的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)新角色的有效替換.但是，在角色替換過程中應(yīng)注重將動(dòng)畫形象劃分為人類、禽鳥類、魚類等類型，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建有針對(duì)性的骨骼動(dòng)作，最終達(dá)到高效率動(dòng)畫創(chuàng)作狀態(tài).利用運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)制作人體動(dòng)畫起源于20世紀(jì)70年代末［4］，例如，Lost Marble公司在動(dòng)畫產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中為了提高自身動(dòng)畫制作的質(zhì)量和效率，以Moho軟件角色替換功能對(duì)卡通角色的頭部、腳、胳膊等身體部位進(jìn)行繪制，并利用矢量圖層平臺(tái)對(duì)卡通角色進(jìn)行填色處理，同時(shí)將其導(dǎo)入軟件環(huán)境中，最終在基于角色繪制完成的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確調(diào)整其位置、力度，滿足角色替換條件，為動(dòng)畫作品制作行為的展開提供有利的基礎(chǔ)條件.

2.3計(jì)算機(jī)動(dòng)畫運(yùn)動(dòng)技術(shù)

2.3.1運(yùn)動(dòng)編輯技術(shù)

在應(yīng)用運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)的過程中，逐漸凸顯出捕獲數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)生成虛擬環(huán)境不匹配、不精準(zhǔn)等問題，影響了整體動(dòng)畫制作質(zhì)量.因此，在動(dòng)畫作品創(chuàng)作過程中應(yīng)注重強(qiáng)調(diào)對(duì)運(yùn)動(dòng)編輯技術(shù)的應(yīng)用：首先，技術(shù)人員在畫面處理過程中應(yīng)將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)特征、用戶視為約束機(jī)制，利用運(yùn)動(dòng)非線性特性對(duì)人物形象進(jìn)行編輯，結(jié)合逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)人物的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，采用計(jì)算機(jī)計(jì)算功能獲取角色末端關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)人物位置進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)應(yīng)用數(shù)值迭代求解算法獲取自身所需信息，并將其運(yùn)用于動(dòng)畫制作過程中；其次，在運(yùn)動(dòng)編輯技術(shù)應(yīng)用過程中，需對(duì)關(guān)鍵幀運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的極值進(jìn)行計(jì)算，獲取關(guān)鍵姿勢(shì)信息，以其他幀的表現(xiàn)形式來達(dá)到動(dòng)畫的創(chuàng)作目的.但是，運(yùn)動(dòng)編輯技術(shù)在應(yīng)用過程出現(xiàn)缺乏姿勢(shì)控制能力等問題，因而，應(yīng)充分考慮這些特性，以達(dá)到最佳的動(dòng)畫創(chuàng)作效果.

2.3.2運(yùn)動(dòng)信號(hào)分解

運(yùn)動(dòng)信號(hào)處理概念于1995年被提出.在實(shí)際應(yīng)用過程中，首先要明確約束、目標(biāo)方程等元素，繼而全面掌控動(dòng)畫人物的運(yùn)動(dòng)方向，同時(shí)將其貫穿于整個(gè)制作過程中，形成高效率的人物運(yùn)動(dòng)方向處理方法；其次，在基于運(yùn)動(dòng)信號(hào)分解的基礎(chǔ)上，選定動(dòng)畫處理的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，利用核函數(shù)對(duì)參數(shù)運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行描述，并利用統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)特性將其應(yīng)用于統(tǒng)計(jì)模型觀察過程中，進(jìn)而在基于樣品采樣的基礎(chǔ)上構(gòu)建層次圖，達(dá)成良好的運(yùn)動(dòng)描述目標(biāo)；再次，應(yīng)利用攝像機(jī)所采集的數(shù)據(jù)對(duì)人物動(dòng)作特征信息進(jìn)行系統(tǒng)化的整合，并對(duì)動(dòng)作進(jìn)行重復(fù)表演，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)作力度等的調(diào)整，達(dá)到最佳的運(yùn)動(dòng)描述狀態(tài).例如，在動(dòng)畫作品創(chuàng)作過程中，利用運(yùn)動(dòng)信號(hào)技術(shù)從數(shù)據(jù)庫中提取適宜的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，依據(jù)這些數(shù)據(jù)構(gòu)造動(dòng)畫創(chuàng)作畫面，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移圖，高效地表達(dá)出動(dòng)畫人物的思想情感，滿足受眾的視覺需求［5］.

3　基于多智能角色的群體動(dòng)畫創(chuàng)作技術(shù)

3.1自主智能動(dòng)畫角色和運(yùn)動(dòng)生成

進(jìn)行群體動(dòng)畫設(shè)計(jì)和制定并不是一件簡單容易的事情，特別是對(duì)于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫的設(shè)計(jì)及制作更是如此.借助一般的方法和手段進(jìn)行群體動(dòng)畫的設(shè)計(jì)和制作是極為困難的，設(shè)計(jì)和制作人員需要付出大量的時(shí)間和精力，這是因?yàn)樵谶M(jìn)行群體動(dòng)畫的設(shè)計(jì)和制定時(shí)并不是簡單地進(jìn)行特定動(dòng)作的設(shè)定.盡管群體是一個(gè)完整統(tǒng)一的系統(tǒng)，但是群體中的每一個(gè)個(gè)體都有著各自不同的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和制作人員需要將其中每一個(gè)個(gè)體的基本動(dòng)作特點(diǎn)很好地表現(xiàn)出來，使得不同個(gè)體之間的動(dòng)作保持協(xié)調(diào)一致.因此，需要尋找新的群體動(dòng)畫設(shè)計(jì)手段：一方面，借助運(yùn)動(dòng)捕獲信息形成特定的運(yùn)動(dòng)信息平臺(tái)；另一方面，給設(shè)計(jì)的動(dòng)畫進(jìn)行角色設(shè)定，把動(dòng)畫角色作為自主智能體來建模，使這個(gè)角色對(duì)于所要表達(dá)的情景進(jìn)行模擬和表達(dá)，在動(dòng)畫師干預(yù)較少的情況下，生成復(fù)雜的群體動(dòng)畫.作為一個(gè)自主智能體，應(yīng)該具有3種功能機(jī)制，即感知機(jī)制、行為機(jī)制和運(yùn)動(dòng)機(jī)制［6］.因此，動(dòng)畫角色根據(jù)設(shè)計(jì)者的基本指令要求完成特定的動(dòng)作，設(shè)計(jì)者將這些不同的動(dòng)作聯(lián)系在一起就建立了完整的動(dòng)畫.借助特定的運(yùn)動(dòng)群體攝影建立相應(yīng)的群體動(dòng)畫，使得動(dòng)畫的設(shè)計(jì)和制作簡單容易了許多.

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

借助上述形成的群體動(dòng)畫設(shè)計(jì)和制作體系，筆者建立了相應(yīng)虛擬環(huán)境游戲條件下的群體動(dòng)畫制作實(shí)驗(yàn)（如圖1所示）.人群的初始位置在場地中心，在某一時(shí)刻，游戲開始，各個(gè)動(dòng)畫角色根據(jù)感知到的場景信息［7］，通過分析和判斷得出最佳的躲避方式.動(dòng)畫中每一個(gè)角色都會(huì)進(jìn)行這樣的判斷和分析：在游戲開始時(shí)，會(huì)給動(dòng)畫人物提供相應(yīng)的行動(dòng)環(huán)境，動(dòng)畫人物通過分析和判斷得出最佳的躲避方式并進(jìn)行行為分解，這些行為通過跑步的形式來實(shí)現(xiàn)；在此基礎(chǔ)上使得各個(gè)不同的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系在一起，形成一個(gè)有機(jī)體，設(shè)計(jì)制作完成相應(yīng)的動(dòng)畫內(nèi)容.動(dòng)畫中的角色具備了獨(dú)立判斷和分析的能力，實(shí)現(xiàn)和完成相應(yīng)的動(dòng)作.借助一般的方法和手段進(jìn)行群體動(dòng)畫的設(shè)計(jì)和制作是極為困難的，設(shè)計(jì)和制作人員需要付出大量的時(shí)間和精力，但是借助于這種制作體系，能夠使動(dòng)畫的設(shè)計(jì)和制作大大簡化.

圖1　基于多智能角色的群體動(dòng)畫制作實(shí)驗(yàn)

4　結(jié)論和思考

研究動(dòng)畫捕獲數(shù)據(jù)對(duì)于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)的發(fā)展有著極為重要的意義，本文對(duì)基于運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫設(shè)計(jì)及制作技術(shù)進(jìn)行了研究和分析，指出目前已有技術(shù)存在的不足.例如，雖然運(yùn)動(dòng)信號(hào)分解技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)的全局控制操作比較方便，但缺乏對(duì)細(xì)節(jié)的操作能力；運(yùn)動(dòng)動(dòng)作捕捉只能記錄模特的運(yùn)動(dòng)，難以用來制作一些超乎實(shí)際的特技運(yùn)動(dòng)［8］，等等.針對(duì)這些缺陷，通過對(duì)技術(shù)不斷進(jìn)行升級(jí)，不僅能使動(dòng)畫角色進(jìn)行很好的動(dòng)作管理，還能夠通過特定的抽象符號(hào)對(duì)于運(yùn)動(dòng)進(jìn)行解讀，如本文提到的利用運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)進(jìn)行群體動(dòng)畫設(shè)計(jì)和制作體系.這些改進(jìn)不但大大提高了群體動(dòng)畫設(shè)計(jì)的制作效率，而且也提升了整體創(chuàng)作質(zhì)量，凸顯了計(jì)算機(jī)動(dòng)畫真實(shí)形象和生動(dòng)的特點(diǎn).

［1］劉豐.基于運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)的若干動(dòng)畫技術(shù)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2004.

［2］張斌，唐飛.傳統(tǒng)動(dòng)畫與計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)探討［J］.科技資訊，2014，24（12）：16.

［3］葛孟磊，唐飛.二維計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作新技術(shù)分析［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2014，18（6）：125.

［4］Sturman D J.A brief history ofmotion capture for computer character animation［J］.Computer GraphicsWorld，1988，12（7）：15-17.

［5］陶忠麗.淺析計(jì)算機(jī)動(dòng)畫在電影特技中的運(yùn)用［J］.電子世界，2014，23（12）：296.

［6］Tu Xiaoyuan.Artificial animals for computer animation：biomechanics，locomotion，perception，and behavior［D］.Toronto：University of Toronto，1996.

［7］劉豐.基于運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)的若干動(dòng)畫技術(shù)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2004.

［8］Gleicher M.Animation from observation：motion capture and motion editing［J］.Computer Graphics，1999，33（4）：51-54.

（責(zé)任編輯陶立方）

Several com puter animation technologies
based on the analysis of animation capture data

FANG Jie
（Hangzhou College of Pre-school Teacher Education，Zhejiang Normal University，Hangzhou 310012，China）

Motion capture technology which rose in 1990s had been widely used in auxiliary animation.Motion capture technology had become one of themainstream methods of three-dimensional computer animation.However，the problem was how to produce three-dimensional computer animationsmore efficiently on the basis of motion capture information.Based on this，it was summarized the existing computer animation technology，conducted a comprehensive and detailed research and analysis on various animation design means applied now，meanwhile，itwas enumerated and explored their advantages and disadvantages，and a new group animation design method was formed on this basis：group animation creation technology based on multi intelligent character and prove itwith experimental results，aiming to provide amore convenient and efficient production method for animation creation.

computer animation；motion capture；motion editing；signal and decomposition；group animation creation technology

G127

A

1001-5051（2016）02-0175-04

10.16218/j.issn.1001-5051.2016.02.009

*收文日期：2015-11-12；2016-03-23

房杰（1981-），女，山東淄博人，講師.研究方向：二維動(dòng)畫.