运动捕捉技术概述


      随着计算机技术的高速发展与视频行业对计算机动画制作需求的不断增加,用户对高效计算机动画制作手段的需求变得越来越强烈。传统意义上在三维动画制作软件中人工调整虚拟角色动作的工作方式已经成为计算机动画制作过程中的最大瓶颈,而发展日趋成熟的Motion Capture技术彻底改变了这一局面,给影视特技制作、动画技术带来了革命性的变化。

      运动捕捉(Motion Capture)综合运用计算机图形学、电子、机械、光学、计算机视觉、计算机动画等技术,通过捕捉表演者的动作或者表情,用这些动作或表情数据直接驱动动画形象模型。动画制作过程更为直观,效果更为生动。可以想象,先用三维扫描技术对一个八十岁的白发老人进行扫描,形成一个数字化人物模型,然后将乔丹的动作捕捉下来,用以驱动老人模型的运动,观众将看到八十老太空中扣篮精彩离奇的场面。想象一下,如果我们用演员的表演来驱动动物的模型,专讲动物王国的故事又将是一个怎样的场面。

      这种制作技术大大提高了动画的制作水平,将动画艺术和动画技术进一步紧密结合,为动画艺术创作提供了更广阔的空间,不但使动画人物更加真实,动作更加流畅,而且也提高了工作效率,节省了制作时间和制作成本(只有传统方法的十分之一左右),使制作人员可以在脚本、动作、场景、角色设计上投注更多的精力,减少构思至产出的时间差,从而制作出更加优秀的作品。

什么是Motion Capture

       Motion Capture技术涉及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面,然后可以由计算机直接理解处理这些数据。

      在运动物体的关键部位设置跟踪器,由Motion Capture系统捕捉跟踪器的位置,再经过计算机处理后,提供给用户可以在动画制作中应用的数据。当数据被计算机识别后,动画师即可以将数据与动画角色合成,生成动画,然后很方便的在计算机产生的镜头中调整、控制运动的物体。

运动捕捉技术在动画制作中所具有的优点

(1)真实的动作

      在以往的计算机动画制作中,我们都是使用三维动画制作软件(如3DMAX,MAYA)来制作三维角色的形象并调整角色动作。整个角色动作都是由操作人员逐帧调整的,这样动作的制作工作就变得十分烦琐、复杂,且极易出现误差,效率很低。所以一般使用三维动画制作软件制作出来的动作时间都会很长,而且有些动作制作得十分拙劣。这一现象在某些电影电视作品中并不难发现。但是以Motion Capture为基础的动画制作系统则改变了这个状况,它对演员、运动员和舞蹈家的动作进行捕捉,演员动作不受限制,动作流畅,自然,不需要让动画师重新进行制作。这些动作都是非常具有特点的、非常敏锐的。例如:由计算机生成的人物中,男性和女性走路的动作是不一样的。将实际动作数据记录下来输入计算机,经处理后由计算机在虚拟镜头中恢复。由于它记录的是物体的实际运动,所以动作精确,效率极高,制作动画的效果非常逼真。

      近年来,随着Motion Capture技术的进步,很多影视公司和游戏制作公司为了使产品表现达到最完美的效果,开始放弃了传统的在3D软件下用手工调整人物动作的方法,而代之以较真实且精确的Motion Capture技术。如电影《铁达尼号》人物从船上跌下来的动作、《星际大战首部曲》中的外星人的动作、足球游戏软件中的人物踢球的动作,都采用了运动捕捉技术。Motion capture 为这些产品可谓是锦上添花。

(2)制作的速度

      如果一部片子需要大量的动作数据,在有限的时间和预算内,使用大量的动画师去一点点手调模型的各个动作是非常不切实际的,并且手工制作的动作效果也并不理想。但是使用运动捕捉技术能将所有动作的制作从进行拍摄捕捉到预览常常只需几分钟。一个小规模的制作组与一个演员即可以在一个下午制作出许多复杂的动画。

(3)艺术性的控制

      导演可以在捕捉现场进行指导,观察演员的表演,指出动作的不足,现场探讨最为适合场景的动作。技术人员可以在几分钟之内看到所捕捉的动作,而且具有非常大的灵活性——如果制作人员想改变一下所捕捉的动作,可以利用标准的动画工具如反向运动学、皮肤变形等对这个动作做进一步的编辑。制作人员也可以对动作增加各种变化,产生新的艺术效果。

(4)积累数字图像素材

      一旦动作被捕捉,坐标就被映射到任意具有不同年龄、大小、种族、服饰的人物上。所有动作可以通过创建动作数据库进行存储。对于动画师来说,Motion Capture的资料像是一种新的素材,可以组合、调整,更快地创造出高品质的动画,一天的Motion Capture制作所取得的20分钟动作资料,已经可以用来制作4段MTV短片。

(5)节省开支

      在非常短的时间可以看到所设计的结果,特别是复杂的动作设计。在PC游戏的设计中,动作捕捉和动画比拍摄视频图像更节省,避免了演员的化妆、服饰、灯光、布景等。

 Motion Capture的其他应用领域

      运动捕捉技术不仅已经成为动画制作业的关键制作环节,在其它领域也有非常广泛的应用前景。表情和动作是人类情绪、愿望的重要表达形式,运动捕捉技术完成了将表情和动作数字化的工作,提供了新的人机交互手段,比传统的键盘、鼠标更直接方便,不仅可以实现“三维鼠标”和“手势识别”,还能使操作者以自然的动作和表情直接控制计算机,并为最终实现可以理解人类表情、动作的计算机系统、机器人提供了技术基础。

      在虚拟现实系统中,为实现人与虚拟环境及系统的交互,必须确定参与者的头部、手、身体等的位置与方向,准确地跟踪、测量参与者的动作,将这些动作实时检测出来,以便将这些数据反馈给显示和控制系统。这些工作对虚拟现实系统是必不可少的,也正是运动捕捉技术的另一发展领域。

      运动捕捉技术还可用于机器人遥控。机器人将危险环境的信息传送给控制者,控制者根据信息做出各种动作,运动捕捉系统将动作捕捉下来,实时传送给机器人并控制其完成同样的动作。与传统的遥控方式相比,这种系统可以实现更为细致、复杂、灵活而快速的动作控制,从而可大大提高机器人应付复杂情况的能力。在当前机器人全自主控制远未成熟的情况下,这一技术有特别重要的意义。

      现代高级三维、仿真游戏,强调游戏者的“参与感”和“沉浸感”,强调游戏者与游戏环境的互动性。现在也可以借助三维扫描技术得到游戏者数字模型,将其置于游戏环境,再利用运动捕捉技术捕捉游戏者的各种动作,用以驱动其数字模型,这样可以给游戏者以全新的感受,开发出真实感极强的游戏系统。
      在体育训练中,运动捕捉技术可以捕捉运动员的动作,便于进行量化的分析,结合人体生理学、物理学原理,研究改进的方法,使得体育训练摆脱了纯粹依靠经验的状态,进入理论化、数字化的时代。还可以将成绩差的运动员动作捕捉下来与优秀运动员进行对比分析,从而帮助训练。在人体工程学研究、模拟训练、生物力学研究等领域,运动捕捉技术同样大有可为。可以预料,随着技术本身的发展和相关应用领域技术水平的提高,运动捕捉技术将会得到越来越广泛的应用。