關(guān)鍵詞：Kinect;動作捕捉;三維動畫;C4D

中圖法分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

近年來，動漫產(chǎn)業(yè)是我國大力支持發(fā)展的文化產(chǎn)業(yè)之一。隨著現(xiàn)代數(shù)字媒體技術(shù)的不斷進步，國家為大力扶持動漫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，陸續(xù)頒布了一系列扶持政策，如《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》和《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》，對新型數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用與教育事業(yè)有很大的幫助，給教育信息化理論、技術(shù)與應(yīng)用的研究指明了具體方向?！笆濉币?guī)劃更是提出實現(xiàn)文化產(chǎn)業(yè)（包括動漫產(chǎn)業(yè)）建設(shè)成為國民經(jīng)濟支柱的目標(biāo)。2020年，我國動漫產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)了2500億元產(chǎn)值規(guī)模目標(biāo)。隨著國內(nèi)動漫產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴大，動畫電影尤其是三維動畫電影作品受到越來越多的觀眾和投資者的喜愛，涌現(xiàn)了一大批優(yōu)秀的國產(chǎn)動漫作品，比如《西游記之大圣歸來》《哪吒之魔童降世》《大魚海棠》《白蛇：緣起》《小門神》等，具有廣闊的發(fā)展空間。目前，動漫產(chǎn)業(yè)在我國仍屬于新興產(chǎn)業(yè)，在迅速發(fā)展的過程中，對于三維動漫制作人才的需求逐年增大，對專業(yè)知識的要求也逐漸提高。培養(yǎng)專業(yè)的高級技術(shù)人才成為高等院校教育和社會培訓(xùn)的一大熱點，各大高校把三維動畫的制作引入課堂，并開設(shè)了相關(guān)課程進行實踐教學(xué)。

三維動畫制作的內(nèi)容主要包括：角色動畫和場景設(shè)計。而角色動畫制作部分又可以分為：角色概念設(shè)計、三維角色模型創(chuàng)建、材質(zhì)貼圖、燈光渲染、角色綁定、角色動作設(shè)計及關(guān)鍵幀動畫制作、三維分鏡制作、角色特效、后期動畫合成等。其中，角色綁定、角色動作設(shè)計及關(guān)鍵幀動畫制作模塊的教學(xué)內(nèi)容主要是：學(xué)生根據(jù)運動規(guī)律如何設(shè)計制作角色的動作，并利用關(guān)鍵幀記錄角色運動過程中的主要動作。關(guān)鍵幀指角色或者物體運動變化中關(guān)鍵動作所處的那一幀，相當(dāng)于二維動畫中的原畫。

在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生根據(jù)動畫劇本、角色模型創(chuàng)建完成骨骼綁定，通過骨骼和控制器手動設(shè)置關(guān)鍵幀的方式，制作角色在某一個時刻各個骨骼關(guān)節(jié)的關(guān)鍵性動作的記錄，并重復(fù)上面的動作。在某一個動作完成所有的關(guān)鍵幀設(shè)置后，軟件會自動創(chuàng)建關(guān)鍵幀之間的過渡動畫，形成一個完整的動作。在實踐教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生缺乏經(jīng)驗，對運動規(guī)律的實際掌握能力不強，往往需要花費大量的時間和精力去調(diào)整角色的關(guān)鍵幀，才能達(dá)到角色動作的準(zhǔn)確性，且還是會出現(xiàn)動作不協(xié)調(diào)、在運動中有變形拉長的現(xiàn)象，這在很大程度上影響了角色動畫動作制作的最終效果和效率。

鑒于上述分析，提出應(yīng)用Kinect動作捕捉技術(shù)實現(xiàn)角色動畫的制作，并將該技術(shù)運用到三維動畫課程中角色動畫制作的教學(xué)實踐。在具體的實踐過程中，學(xué)生將通過利用Kinect設(shè)備采集人物動作信息，導(dǎo)出bvh動作路徑文件，然后將其與C4D軟件中已綁定好骨骼的角色模型進行關(guān)聯(lián)，記錄為關(guān)鍵幀，然后利用這些關(guān)鍵幀生成過渡幀，最終合成動畫。

1Kinect動作捕捉技術(shù)簡介

Kinect是微軟在2009年6月2日的E3大展上正式公布的XBOX360游戲機體感周邊外設(shè)，它實際上是一種3D體感多功能攝像機，利用其能即時動態(tài)捕捉及識別人體骨骼關(guān)節(jié)和超低成本的優(yōu)勢，再加上不斷完善的圖像識別和聲音識別技術(shù)，迅速得到人們的認(rèn)可。Kinect不需要使用任何控制器，它依靠相機捕捉三維空間中人物的運動，通過投射紅外線反射后返回的時間取得深度信息，再將捕捉到的影像與本身內(nèi)部存有的人體模型相對照，每一個符合內(nèi)部已存人體模型的物體就會被創(chuàng)造成相關(guān)的骨骼模型;系統(tǒng)將該模型轉(zhuǎn)換成虛擬角色，虛擬角色通過識別人體骨骼模型的關(guān)鍵部位進行動作觸發(fā)。在虛擬骨骼模型的幫助下，系統(tǒng)可識別人體的25個關(guān)鍵部位，然后得到的數(shù)據(jù)只需要簡單地剪切就可將背景和人物進行分離，而且紅外傳感器不需要光照，黑暗的環(huán)境里面也可以正常使用。如圖1所示，左邊為Kinect拍攝到的彩色圖像，右半部分為Kinect識別出的人體骨骼信息。從結(jié)果我們可以看出，人體骨骼關(guān)節(jié)信息被清晰識別。

2Cinema4D軟件簡介

Cinema4D（以下簡稱C4D）由德國MaxonComputer開發(fā)并于1993年在Amiga平臺上發(fā)布，已經(jīng)有大量的技術(shù)積累，是一個非常成熟的三維軟件，也是目前主流的三維動畫制作和產(chǎn)品展示軟件[7]，其被廣泛應(yīng)用在三維模型創(chuàng)建、材質(zhì)渲染、角色動畫制作中。在實踐教學(xué)中，利用C4D制作三維動畫的內(nèi)容主要包括：一是三維角色的模型創(chuàng)建，也就是建模;二是為模型設(shè)置材質(zhì)貼圖和燈光;三是給角色綁定骨骼、蒙皮刷權(quán)重并依據(jù)劇本內(nèi)容設(shè)計角色動作的關(guān)鍵幀動畫;四是設(shè)置攝像機動畫渲染輸出，并完成后期動畫合成。

關(guān)于C4D的角色骨骼綁定方法主要有：內(nèi)置角色系統(tǒng)骨骼綁定和網(wǎng)站骨骼綁定。網(wǎng)站骨骼綁定主要借用外部網(wǎng)站來做角色的骨骼綁定，在此不做冗述。

下面重點講述內(nèi)置角色系統(tǒng)骨骼綁定的方法——其主要利用C4D的角色系統(tǒng)綁定，自動生成骨骼關(guān)節(jié)組件：首先選擇模型，在效果器中添加角色效果器也就是俗稱的控制器，再為效果器添加組件，分別生成對應(yīng)的組件如脊椎、手臂、大腿等。值得注意的是，手掌的組件最好是要生成FK效果，F(xiàn)K是聯(lián)動動作，IK是相反的被動動作，比如挨打;其次選擇調(diào)整好的效果器，在關(guān)節(jié)點的模式下，使用移動命令調(diào)整關(guān)節(jié)的位置，調(diào)整完成后可以通過控制器檢測骨骼關(guān)節(jié)是否正確，并以控制器的方式完成角色的動作;最后就是綁定，利用角色系統(tǒng)里面的綁定命令把角色模型和我們創(chuàng)建的骨骼關(guān)節(jié)進行綁定，并讓其產(chǎn)生聯(lián)動。此外，內(nèi)置角色系統(tǒng)骨骼綁定也可以利用關(guān)節(jié)工具繪制骨骼，然后綁定到模型上，并創(chuàng)建IK鏈將繪制好的骨骼和模型產(chǎn)生聯(lián)動（也可以實現(xiàn)角色動畫的骨骼綁定，前提是對關(guān)節(jié)的基本分布有一定了解）。

3Kinect動作捕捉技術(shù)和C4D軟件結(jié)合應(yīng)用

Kinect動作捕捉技術(shù)的原理是：識別采集人物骨骼關(guān)節(jié)信息的運動軌跡關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)，再導(dǎo)出bvh動作路徑文件。真實動作捕捉數(shù)據(jù)bvh格式是可以直接導(dǎo)入C4D軟件的——只要把bvh動作路徑導(dǎo)入C4D軟件，再匹配到預(yù)先綁定好骨骼的角色模型上，就可以使其產(chǎn)生聯(lián)動，實現(xiàn)角色動畫的制作。

導(dǎo)入C4D軟件的具體操作是：先直接打開或直接把bvh數(shù)據(jù)文件拖入C4D軟件，再以合并的方式導(dǎo)入已綁定好骨骼的角色模型，接著分別展開bvh骨骼關(guān)節(jié)信息和角色模型上的骨骼關(guān)節(jié)信息;我們需要把角色模型上的骨骼關(guān)節(jié)約束到bvh骨骼關(guān)節(jié)上去——把角色模型上的每個骨骼關(guān)節(jié)添加角色標(biāo)簽里的約束標(biāo)簽，打開PSR并勾選保持原始狀態(tài)，這樣我們就可以依次把bvh數(shù)據(jù)里對應(yīng)的骨骼關(guān)節(jié)設(shè)置為目標(biāo)對象，完成bvh骨骼關(guān)節(jié)和角色模型上的骨骼關(guān)節(jié)的約束，最后播放就可以看到特定動作的動畫效果。學(xué)生根據(jù)動畫內(nèi)容，可以完成各種動作，Kinect動作捕捉技術(shù)記錄學(xué)生的動作軌跡，并將骨骼關(guān)鍵路徑信息導(dǎo)入C4D軟件中，使得角色模型的動作是由學(xué)生的動作來驅(qū)動和操作，從而達(dá)到學(xué)生動作和角色動作的互動與同步。

4在教學(xué)實踐中的應(yīng)用

為了驗證新方法在教學(xué)實踐中的效果，我們針對動畫和數(shù)字媒體藝術(shù)兩個專業(yè)的學(xué)生，分別使用傳統(tǒng)的三維角色動畫教學(xué)方法與Kinect動作捕捉技術(shù)和C4D結(jié)合的教學(xué)方法，在規(guī)定的課時里完成三維角色動畫的綁定、蒙皮、動作制作等課程內(nèi)容。在實踐課程上，實驗室采用C4DR19版本、角色綁定使用創(chuàng)建IK鏈控制角色的骨骼進行試驗。制作一個簡單動作的角色動畫（走路、跑步），使用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，手動設(shè)計關(guān)鍵幀調(diào)節(jié)角色動作的學(xué)生大約需要1個半小時，而使用Kinect動作捕捉技術(shù)和C4D軟件相結(jié)合的學(xué)生只需要15分鐘左右即可完成。從呈現(xiàn)的效果來看，Kinect動作捕捉技術(shù)和C4D軟件相結(jié)合制作出的角色動作在準(zhǔn)確流暢性方面要優(yōu)于使用傳統(tǒng)教學(xué)制作的動作。因而，采用Kinect動作捕捉技術(shù)和C4D軟件相結(jié)合的方法，能夠在保證角色動作準(zhǔn)確流暢的基礎(chǔ)上讓每一個學(xué)生在短時間內(nèi)做出比較炫酷的角色動畫效果，既節(jié)省了時間和精力，還極大地提高了學(xué)生的三維角色動畫制作水平。這不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和效率，降低了成本，而且使角色動畫制作教學(xué)更為生動。利用Kinect動作捕捉技術(shù)和C4D軟件相結(jié)合的方法，我們在課程教學(xué)實踐中收到了非常不錯的效果。

5結(jié)論

本文介紹了一種Kinect動作捕捉技術(shù)和C4D軟件相結(jié)合的三維角色動畫制作的方法，并將這種新穎的方法用于教學(xué)實踐。對比傳統(tǒng)的角色動畫制作技術(shù)，借助Kinect動作捕捉技術(shù)，能夠大大提高三維角色動畫的制作效率和水平。從我們的教學(xué)實踐的效果看，學(xué)生采用Kinect動作捕捉技術(shù)制作三維角色動畫的效率比使用傳統(tǒng)方法提高了三倍左右。將這種新方法引入到教學(xué)中，利于學(xué)生高效掌握角色動畫制作流程，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，值得進一步推廣。

不過，應(yīng)用Kinect動作捕捉技術(shù)和C4D軟件相結(jié)合的方法制作三維角色動畫，也存在新的挑戰(zhàn)。尤其是采用類似Kinect這樣基于光學(xué)原理的動作捕捉技術(shù)，一方面，在人物被遮擋時可能存在動作捕捉信息丟失問題;另一方面，對于捕捉類似手指關(guān)節(jié)運動、面部表情等細(xì)節(jié)，技術(shù)上很難實現(xiàn)。往往對于這些細(xì)節(jié)處，仍需人工在C4D軟件中進行微調(diào)，補充相關(guān)骨骼動作。因此，為了調(diào)整這些細(xì)節(jié)，可能也會出現(xiàn)耗時、耗力的情況。但大多數(shù)情況下，借助Kinect動捕技術(shù)有利于快速地獲得骨骼動作信息，做出逼真的三維角色動畫。作為新技術(shù)，值得在教學(xué)實踐中進行推廣，以拓寬學(xué)生的視野。

在今后的應(yīng)用研究和教學(xué)實踐中，我們需要進一步探索、引入更精準(zhǔn)更高效的動作捕捉硬件技術(shù)，比如可穿戴動作捕捉和光學(xué)捕捉相結(jié)合的技術(shù)，以此獲得逼真的角色骨骼運動信息。此外，我們還應(yīng)探索如何利用動作捕捉技術(shù)與C4D軟件結(jié)合完成人物或非人物的復(fù)雜動作場景的制作，進而保證動作的辨識度和準(zhǔn)確性，以提高角色動作的生動性和節(jié)奏感。

作者簡介：

舒水（1988— ），碩士，講師，研究方向：數(shù)字媒體、動畫設(shè)計。