焦垚楠

（浙江傳媒學院，浙江杭州310018）

早在1911 年，漫畫家溫瑟·麥凱 （Winsor McCay）開始在多張紙上通過逐幀繪制有略微差別的角色，實現(xiàn)動畫效果，直到計算機誕生，關鍵幀動畫開始成為主流。從此，動畫師僅須繪制每個動作的起始幀和末尾幀，計算機便可自動生成一段時間內的中間幀，形成動畫序列，這為動畫制作人員省去了大量的時間和精力。然而，關鍵幀動畫也有其自身的局限性，類似人類行走、奔跑的動作，僅靠動畫師的關鍵幀無法準確完美地呈現(xiàn)，這使得動作捕捉技術的誕生成為了可能。

動作捕捉 （Motion Capture，簡稱Mocap）又稱為運動捕捉、動態(tài)捕捉，是指記錄并處理人或其他物體動作的技術。在電影制作和電子游戲開發(fā)領域，它往往先記錄人類演員的動作，再將運動數(shù)據(jù)賦予數(shù)字模型，并生成二維或三維的計算機動畫。當涉及面部或手指的細微動作捕捉時，通常稱其為表演捕捉（Performance Capture）。

盡管動作捕捉在影視領域內的大規(guī)模應用主要在21世紀展開，但早在電影誕生之前，動作捕捉的雛形就已出現(xiàn)。從早期沉重繁雜的機械式，到如今簡易輕便的光學和慣性式，隨著應用需求的不斷提高，其技術發(fā)展也經(jīng)歷著不同時期的變革。

1 20世紀70年代以前： 動作捕捉的前身

1.1 動作捕捉技術的萌芽

圖1 慕布里奇所拍攝的圖像序列

1830 年出生于英格蘭的慕布里奇 （Eadweard Muybridge）是當時舊金山的一名風光攝影師。1872年受雇于時任加州州長的利蘭·斯坦福 （Leland Stanford，斯坦福大學創(chuàng)始人之一），來驗證馬在奔跑時四只腳是否會同時離開地面。六年后，慕布里奇通過由馬蹄觸發(fā)十幾個相機的方法捕捉到了馬在奔跑時的一組圖像，最終證實馬的四肢會在奔跑時同時離開地面。這次實驗不僅使他成為電影發(fā)明的重要奠基人，也為動作捕捉 （即動作采集與重現(xiàn)）貢獻了最基本的思路。

圖2 馬萊的動作捕捉服和所捕捉的動作姿態(tài)

與慕布里奇同年出生的馬萊 （Etienne-Jules Marey）是一名法國生理學家，他是便攜式血壓計的發(fā)明者。1882 年，馬萊在巴黎與慕布里奇會面，受到慕布里奇工作上的啟發(fā)，于次年發(fā)明了記錄動物運動的計時攝影槍 （Chronophotographic Gun），但不久之后就放棄了這項工作的進行。同年，他發(fā)明了一種帶定時快門的攝影機，使他能夠在一個圓盤上曝光多個連續(xù)的運動圖像。這種攝影機最初在玻璃圓盤上記錄圖像，后來馬萊用紙膜取代了玻璃板，對早期電影使用膠片產(chǎn)生了啟蒙作用。馬萊的拍攝對象身穿動作捕捉服，其姿態(tài)與骨骼數(shù)據(jù)體現(xiàn)了高度的一致性（圖2）。

在慕布里奇與馬萊之后，出生于美國內布拉斯加州的哈羅德·埃杰頓（Harold Edgerton）于1931年開發(fā)了頻閃觀測儀 （Stroboscope），將高速移動的物體捕捉在膠片上，高速攝影自此誕生，這對于日后光學動作捕捉相機的數(shù)據(jù)采集極為關鍵。

1.2 轉描：弗萊舍與迪士尼

1883年出生于維也納的馬克斯·弗萊舍 （Max Fleischer），于1887年隨全家一起移居美國。他在任職 《Popular Science Monthly》雜志藝術編輯期間，提出了逐幀追蹤真人電影來制作動畫的想法。1915年，弗萊舍花了一整年的時間用轉描 （Rotoscoping）的方法來制作自己的第一部動畫，他的哥哥David身穿小丑服，扮演片中的小丑Koko。1917年，弗萊舍獲得了轉描的專利權。轉描是通過對實拍影像進行逐幀臨摹繪制來創(chuàng)建角色動畫，盡管這與當今人們所熟知的動作捕捉相差甚遠，但從原理上來看，二者均通過拍攝真人的動作，進而將其賦予虛擬角色，區(qū)別只在于計算機的自動重建與人力的手動復現(xiàn)。

1919年，弗萊舍創(chuàng)作了《墨水瓶人》系列的第一部動畫片，同時創(chuàng)辦了墨水瓶人公司，該公司后來改名為弗萊舍工作室。在 《墨水瓶人》系列中，動畫和真人表演被巧妙地結合在一起，片中弗萊舍與動畫角色小丑科科 （Koko the Clown）進行了多次交互。之后，該工作室誕生了大力水手、超人等諸多知名的動漫角色，美國卡通明星貝蒂娃娃也在弗萊舍的動畫中首次亮相。

圖3 《白雪公主》采用的逐幀轉描 （Rotoscoping）

1937年，華特·迪士尼（Walt Disney）經(jīng)過近4年的精心制作，推出了世界上第一部長篇動畫電影 《白雪公主》，該片取得了巨大的成功。自次開始，迪士尼便開始采用逐幀轉描來制作動畫。后來迪士尼的動畫人物被高度程式化，逐幀轉描成為研究人類和動物運動的重要方法。迪士尼經(jīng)典動畫的DVD 版本（如《白雪公主》和《小鹿斑比》）包含了迪士尼檔案中的真人電影片段，如圖3中真人片段與動畫場景的對比，體現(xiàn)了迪士尼動畫師在使用轉描時的靈活性和巧妙性。

《白雪公主》的成功歸功于華特·迪士尼對情節(jié)建置、角色刻畫和藝術表達過程中每一個細節(jié)的重視。弗萊舍兄弟的動畫電影盡管也有一些精致動人的場景，但在情節(jié)與角色塑造上與迪士尼相差甚遠。弗萊舍和迪士尼都是極富創(chuàng)造力的人，都利用轉描技術呈現(xiàn)了精彩的動畫效果，但不得不承認，迪士尼的記憶屬于大眾，而弗萊舍的記憶只留在少數(shù)人心中。

2 20世紀末期： 數(shù)字動作捕捉技術的誕生與探索

2.1 《Brilliance》：數(shù)字動作捕捉在CGI領域的成功

20世紀70年代，數(shù)字動作捕捉技術開始應用于醫(yī)療和軍事領域，到了80年代，其應用才逐漸蔓延至CGI產(chǎn)業(yè)。在那個年代，大多數(shù)計算機只配有單色顯示器，巨型計算機還被安放在冰冷的服務器機房里，CPU、存儲器和應用程序無比昂貴，商用3D 計算機動畫軟件尚未成熟，僅有少量的計算機動畫公司存于市場，且這些公司制作的也往往是電視廣告或電視節(jié)目片頭的簡單動畫。

圖4 世界上第一個應用動作捕捉技術的CGI動畫 《Brilliance》

1985年的超級碗現(xiàn)場，播出了由Robert Abel為國家罐頭食品信息委員會制作的短片 《Brilliance》，世界上第一個計算機生成的女性機器人自此問世，這也是動作捕捉技術在計算機角色動畫中的首例應用。如圖4所示，制作團隊在一個女模特的18個關節(jié)上涂描了黑點，然后從多個角度拍攝她在一個旋轉凳子上的動作，他們將拍到的圖像導入SGI（美國硅圖公司）工作站中，借助大量的應用程序來提取CGI機器人動畫制作所需要的信息。當時，制作團隊并沒有足夠的計算資源來渲染30秒左右的視頻，因此在截止日期前的最后兩周，他們借用了全國的VAX 11/750計算機同時進行渲染，最終為世界呈現(xiàn)了這一驚人的成果，《Brilliance》也成為CGI歷史上里程碑式的作品。

2.2 《全面回憶》：數(shù)字動作捕捉在電影領域的失敗

《全面回憶》是由阿諾德·施瓦辛格在1990年主演的一部科幻電影，片中有一場戲是施瓦辛格所飾角色要和很多人共同穿過一座機場的安檢X 光機器，當時，該片的制作公司之一Metrolight工作室決定使用動作捕捉技術來為該場戲創(chuàng)建骨骼動畫序列。他們在一家光學動捕設備運營商的協(xié)助下，對施瓦辛格和其他演員的表演進行了捕捉，收工后他們以為捕捉非常順利，不久后就會收到由動捕設備公司處理完成的數(shù)據(jù)。然而，不知是運營商公司對自己的設備不夠了解，還是動捕系統(tǒng)本身出現(xiàn)了問題，直到最后Metrolight工作室也沒有收到任何數(shù)據(jù)，他們不得不放棄使用現(xiàn)場的動作捕捉數(shù)據(jù)。因此，選擇專業(yè)靠譜的設備供應商極為重要，此外，一定要在完成一兩個鏡頭的動作捕捉任務后對數(shù)據(jù)進行核對，盡管不需要在捕捉過程中對所有數(shù)據(jù)進行處理，但務必對捕獲的數(shù)據(jù)質量進行檢查。

Metrolight工作室的大意和失誤，使得動作捕捉技術未能按計劃在 《全面回憶》中使用，盡管該片仍然憑借其特效而獲得奧斯卡獎特別成就獎，但動作捕捉技術卻失去了一次在電影中嶄露頭角的機會，直到若干年后才得以進入眾人的視線。

與此同時，其他行業(yè)則紛紛開始擁抱這一技術。1995年，世界上第一款包含三維角色和三維場景的實時動作格斗游戲 《FX Fighter》發(fā)布，它也是最早使用動作捕捉技術為三維角色運動增強真實感的電子游戲之一。游戲角色通過使用一組捕捉好的動作（例如跑步、行走和踢腿）由玩家輸入來實時產(chǎn)生動畫。動作的連貫使得玩家不會注意到從一個動作到另一個動作的轉換，玩家仿佛完全控制了游戲角色。該游戲的成功在游戲界引起了一波風潮，諸多游戲公司開始在他們的游戲中使用動作捕捉技術。

20世紀80年代和90年代的這些開創(chuàng)性努力和成果，讓人們看到了數(shù)字動作捕捉技術的巨大潛力。除了醫(yī)療、軍事和娛樂外，動作捕捉技術也逐漸應用于更多其他領域，例如體育界運用動作捕捉分析運動員的競技表現(xiàn)，并防止傷害發(fā)生；設計師利用動作捕捉來了解用戶的行為，以設計出更好的產(chǎn)品；工程師使用動作捕捉來分析人類的動作，以設計出像人類一樣行走的機器人；藝術史學家和教育家則利用動作捕捉技術對舞者和演員的表演進行研究和存檔。

3 21世紀： 動作捕捉在影視中的成長與繁榮

3.1 動作捕捉在電影領域的艱難成長

進入21世紀初期，動作捕捉依然因其技術應用的不成熟而被電影制作者們忽視，只有極少數(shù)影片嘗試涉足。

2000年印度與美國合拍電影 《辛巴達：超越迷霧面紗》，依據(jù)不同體型使用了不同的演員，來對主要角色進行動作捕捉，并使用了另一組演員來進行面部捕捉，幾百名印度動畫師和一小部分洛杉磯動畫師同時參與到動畫制作中。該片是世界上第一部以動作捕捉作為主要制作手段的劇情長片，但影片完成后并未進行大范圍的發(fā)行與宣傳。

2001年由游戲改編的影片 《最終幻想：靈魂深處》，在拍攝之初導演坂口博信便渴望以最強的真實感重現(xiàn)CG 角色，因而提出利用動作捕捉來創(chuàng)建角色動畫，但動作捕捉得到的數(shù)據(jù)并未引起動畫團隊任何興趣，動畫師們仍然憑借自身傳統(tǒng)技藝來工作，這讓導演極為沮喪。之后他遣散了原有動畫團隊，找來了計算機圖形技術專家雷明頓·斯科特 （Remington Scott）為其動作捕捉方案出謀劃策，在經(jīng)歷了一系列測試與研發(fā)之后，斯科特的團隊最終結合肢體捕捉與關鍵幀動畫做出了逼真的效果，同時也首次實現(xiàn)了多人同時捕捉。比起 《辛巴達：超越迷霧面紗》，其發(fā)行與宣傳力度更大，盡管最終票房慘淡，但憑借其影響力為動作捕捉技術吸引來了不少支持者。

2002年由彼得·杰克遜執(zhí)導的 《指環(huán)王：雙塔奇兵》，在拍攝時首次實現(xiàn)了實時動作捕捉，該系統(tǒng)能在演員安迪·瑟金斯表演時就將其動作實時傳遞給計算機生成的咕嚕蒙皮之中，產(chǎn)生變形動畫，以供現(xiàn)場預覽。2004年的《極地特快》作為第一部完全使用動作捕捉技術來制作的動畫電影，則首次實現(xiàn)了身體動作與面部表情的同步捕捉。該片導演羅伯特·澤米吉斯為動作捕捉的魅力所吸引，成立了ImageMover Digital工作室，致力于對動作捕捉進一步研發(fā)與應用。工作室接連制作了 《貝奧武夫》《圣誕頌歌》《怪獸屋》等一系列采用動作捕捉制作的動畫電影，直至2007年被迪士尼收購，在經(jīng)歷了一連串票房慘敗后，最終于2011年宣布破產(chǎn)。

在2006年《加勒比海盜：聚魂棺》的制作過程中，工業(yè)光魔開發(fā)了名為iMoCap的動作捕捉系統(tǒng)，實現(xiàn)了戶外復雜環(huán)境下的動作捕捉。iMoCap 是一種基于圖像的動作捕捉系統(tǒng)，該系統(tǒng)在拍攝現(xiàn)場只需幾臺普通的高清攝影機，通過對演員動捕服上的黑白圖案進行跟蹤，就可實現(xiàn)動作的記錄，演員得以在真實取景地表演，大大增強了角色代入感。盡管該系統(tǒng)由于采集精度問題，無法完成面部、手部等細微動作的捕捉，但其便捷性和輕量化，以及工業(yè)光魔的不斷開發(fā)升級，使得該技術在之后的 《鋼鐵俠》 《復仇者聯(lián)盟》等影片中有了更為廣泛的應用。

圖5 《加勒比海盜：聚魂棺》與 《鋼鐵俠》中的i MoCap動作捕捉

2009年上映的 《阿凡達》，則開拓了動作捕捉技術的更多領域，即虛擬制作與表演捕捉。電影中所有的虛擬場景在現(xiàn)場均使用Autodesk Motion-Builder軟件進行實時渲染，使得導演和演員能夠在拍攝中就看到最終的效果，攝影師可以從預渲染的畫面中實時監(jiān)看攝影機視圖與角度。此外， 《阿凡達》借助頭戴式攝像頭及改進的軟件算法，完美解決了演員面部表情高精度采集的問題，真正實現(xiàn)了“表演捕捉”，成為電影技術史上的一大傳奇。

作為 《阿凡達》視覺特效擔當?shù)木S塔工作室，在 《猩球崛起》中繼續(xù)助力動作捕捉的發(fā)展。一方面，《猩球崛起》中猿族首領凱撒的表演者安迪·瑟金斯將動作捕捉推向了虛擬表演藝術的一個頂峰，另一方面，為進一步克服戶外動作捕捉復雜的環(huán)境干擾，維塔采用了以主動發(fā)射紅外線的LED 燈代替以往反射式跟蹤點的方法，使得動作捕捉得以在任何拍攝環(huán)境下均能采集到有效數(shù)據(jù)。

3.2 后《阿凡達》時代的動作捕捉

圖6 《奇幻森林》前期預演中的實時動作捕捉

斬獲2017年第89屆奧斯卡最佳視覺效果獎的《奇幻森林》，將 《阿凡達》中的虛擬制作技術推向了極致。在開拍之前便采用動作捕捉進行創(chuàng)作，毛克利的扮演者塞西（Neel Sethi）身穿動作捕捉套裝進行表演，導演和攝影利用動作捕捉棚內的虛擬攝影機物理替身，進行前期鏡頭規(guī)劃。導演喬恩·費儒（Jon Favreau）說： “我們在開拍之前就用動作捕捉完成了整部影片的拍攝，并用所拍的素材完成了全片的剪輯，片中所有的一切都有相對應的虛擬資產(chǎn)，我們像設計游戲一樣對電影場景進行設計?！钡搅伺臄z現(xiàn)場，前期動作捕捉得到的表演數(shù)據(jù)被動畫師制作成基本動作的循環(huán)動畫，用來傳遞給拍攝現(xiàn)場的數(shù)字動物角色，現(xiàn)場的玩偶替身也裝有跟蹤點，用來傳遞數(shù)字動物角色的實時位移。在 《阿凡達》拍攝期間開發(fā)的協(xié)同攝影系統(tǒng) （SimulCam），則使得現(xiàn)場工作者可以將實拍畫面與Unity實時渲染影像、動作捕捉數(shù)據(jù)實時合成在一起進行監(jiān)看。

2019年 《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》則繼續(xù)將 “后《阿凡達》時代”的表演捕捉推向高峰，同樣的頭戴裝置與捕捉系統(tǒng)，不同之處在于，該片采用了更高清晰度的相機來捕捉女主角的面部，同時更為先進的算法，使得每一處肌肉的細微變化、每一處情緒的細微表達都能有效傳遞給CG 角色，達到以假亂真的程度。

圖7 《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》的表演捕捉系統(tǒng)

4 動作捕捉對當今前沿技術在電影領域的應用啟示

如今，隨著VR、互動敘事、游戲引擎、虛擬化制作等技術內容大肆滲透傳統(tǒng)電影，力圖不斷革新電影的媒體形式與創(chuàng)作方法，動作捕捉作為一項重要的支撐技術潛伏在所有 “革命性技術”之內。從《奇幻森林》虛擬制作中的實時動畫交互，到2016年SIGGRAPH現(xiàn)場， 《塞娜的獻祭》借助Unreal游戲引擎實現(xiàn)同一角色與其 “自身”的實時交互，再到2018年互動敘事作品 《底特律：變人》中令人信服的游戲情感體驗，動作捕捉技術為新技術時代的影像內容生產(chǎn)和流程變革帶來了不可估量的作用。

縱觀動作捕捉的發(fā)展歷程，每一次演進都與工業(yè)技術的進步相關，每一時期的成敗也均有著技術以外的復雜因素。事實上，當電影一開始面臨聲音、色彩、立體、數(shù)字這些我們如今習以為常的技術沖擊時，這些技術在受人追捧的同時往往也飽受質疑，人們懷著嘗試的心態(tài)去接納，同時也在不斷的實踐中證明它與電影本體的關聯(lián)以及對于電影創(chuàng)作的重要性，這一切正如動作捕捉在電影生產(chǎn)中所經(jīng)歷的一樣?？陀^看來，將技術作為電影的一個元素，融合技術特色與電影本身需求，而非過度審視技術對電影的革命性與顛覆性，才是電影技術發(fā)展更為重要的態(tài)度與方向。

注釋

①SIGGRAPH （Special Interest Group for Computer GRAPHICS，計算機圖形圖像特別興趣小組）是由美國計算機協(xié)會計算機圖形專業(yè)組負責組織的計算機圖形學頂級年度會議，成立于1967年，一直致力于推廣和發(fā)展計算機繪圖和動畫制作的軟硬件技術。