內容摘要

用傳統方法制作一部較長的計算機影視動畫作品是一項相當麻煩的工作。表演動畫的出現,從根本上改變了現有的影視動畫制作乃至特技制作方法,極大地縮短了動畫制作的時間,降低了成本,使得動畫制作過程更為直觀,效果更為生動、逼真。表演動畫綜合運用計算機圖形學、電子、機械、光學、計算機視覺、計算機動畫等技術,捕捉表演者的動作甚至表情,用這些動作或表情數據直接驅動動畫形象模型。運動捕捉技術是表演動畫中最關鍵、最不可或缺的技術,本文討論了運動捕捉技術在影視表演動畫中的應用。

運動捕捉技術

運動捕捉技術實時地檢測、記錄表演者的肢體、表情乃至相機、燈光在三維空間的運動軌跡,將它們轉化為數字化的“抽象運動”,并將其“賦予”用動畫軟件生成的模型,使模型做出和表演者一樣的動作,并生成最終的動畫序列。它的關鍵部分在于對表演者的表演進行動作捕捉,并對捕捉到的數據進行處理,還原為空間三維點,以此數據生成模型運動所需的動作數據,用該數據去驅動已生成的模型,生成計算機動畫序列。在表演動畫系統中,通常并不要求捕捉表演者身上每個點的動作,而只需要捕捉若干個關鍵點的運動軌跡,再根據造型中各部分的物理、生理約束就可以合成最終的運動畫面。在影視表演動畫系統中,運動捕捉技術從工作原理來看,主要有機械式、電磁式、聲學式和光學式運動捕捉幾種。

機械式運動捕捉依靠機械裝置來跟蹤和測量運動。可以將欲捕捉的運動物體與機械結構相連,物體運動帶動機械裝置運動,從而被傳感器記錄下相應的角度和模型的機械尺寸,進一步計算出模型的姿態,將這些姿態數據傳給動畫軟件制作出的角色模型。這種方法成本低,裝置定標簡單,精度也較高,可以作到實時測量,還可以容許多個角色同時表演;但使用上不方便,機械結構對表演者的動作阻礙、限制很大,較難用于連續動作的實時捕捉,主要用于靜態造型捕捉和關鍵幀的確定。

電磁式運動捕捉系統一般由發射源、接收傳感器和數據處理單元組成。發射源在空間產生按一定時空規律分布的電磁場,接收傳感器安置在表演者身體的關鍵位置,傳感器通過電纜與數據處理單元相連。表演者在電磁場內表演時,接收傳感器也隨著運動,并將接收到的信號通過電纜傳送給處理單元,根據這些信號可以解算出每個傳感器的空間位置和方向。該方法不僅可以同時得到空間位置和方向信息,而且速度快、實時性好,裝置的定標比較簡單,技術較成熟,魯棒性好,成本相對低廉;但是對環境要求嚴格,在表演場地附近不能有金屬物品,否則會造成電磁場畸變影響精度,該系統中電纜對表演者的活動限制比較大,對于比較劇烈的運動、表演不適用。

聲學式運動捕捉裝置由發送器、接收器和處理單元組成。發送器是一個固定的超聲波發生器,接收器一般由呈三角形排列的3 個超聲探頭組成。系統通過測量、計算聲波從發送器到接收器的時間,可以確定接收器的位置和方向。由于聲波的速度與溫度有關,還必須有測溫裝置,并在算法中作出相應的補償。這類裝置成本較低,但對運動的捕捉有較大的延時和滯后,精度差,還要求聲源和接收器間不能有遮擋,且受噪聲等干擾較大,系統擴展困難。

光學式運動捕捉是通過對目標上特定光點的監視和跟蹤來完成運動捕捉的任務。它是基于計算機視覺原理的。對于空間中的一個點,只要它同時被兩臺攝像機拍攝到,則根據同一時刻兩臺像機所拍攝的圖像和攝像機參數,可以確定這一時刻該點在空間中的位置。當攝像機以足夠高的速率連續拍攝時,從圖像序列中就可以得到該點的運動軌跡。光學式運動捕捉的優點是表演者活動范圍大,無電纜、機械裝置的限制,使用很方便; 缺點是系統價格昂貴,對于表演場地的光照、反射情況敏感,裝置定標也較為繁瑣。雖然它可以捕捉實時運動,但后處理時間長,很難做到實時驅動角色模型及實時地觀看效果。

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