三维动画及其运动捕捉技术.doc

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1、三维动画及其 运动捕捉技术 四川文理学院 教育科学与技术系 冯竹青 四川文理学院 教育科学与技术系 郭伟四川文理学院 文化与传媒系 兰景婷三维动画作为一种视觉冲击力强、效果逼真的动画类型在计算机动画领域中越来越受到重视，三维运动捕捉技术则作为解决三维动画制作的一个手段也被广泛地使用。本文分析了三维动画的制作流程，三维动画制作的瓶颈以及三维运动捕捉技术给三维动画制作带来的好处，探讨了三维运动捕捉技术的应用和发展。三维动画运动捕捉技术瓶颈三维动画又称 3D 动画，是指在三维立体空间中利用计算机技术完成动画制作的一种新兴方式。所谓的三维动画，主要是相对于二维动画而言的，随着现代计算机技术的发展，由于

2、三维概念的引入使得 动画的立体感、真实感更加强烈，也更符合人们认识的现实世界。在如今的动画生产上，三维动画正在 逐渐成为欧美等一些国家的主要动画类型，从美国一部部三维影院动画长篇怪物史莱克系列、冰河 世纪系列、功夫熊猫系列等可以得到证实。三维动画不同于传统的二维动画，无论是其制作的过程 还是其制作的条件都有很大的变化，本文详细分析了三维动画的制作流程以及在制作过程中出现的瓶颈， 为了解决其中的瓶颈问题而提出了三维运动捕捉技术。关键词：摘要：2011 November 影视制作 73而这正是很多动画师们梦寐以求的效果。图1 三维动画制作流程图1.1 三维动画的制作流程三维动画的制作主要是动画制作

3、人员在计算机虚拟世界中建立动画角色、场 景以及运动，然后为角色和场景添加材质和灯光，同时再借助于虚拟摄像机来记 录运动的镜头，最后计算机自动进行运算，输出动画画面。具体来说，专业的三维动画制作流程分为三个大的层面，它们分别是制作前 期、制作中期和制作后期。前期属于动画的剧本、原画、分镜头部分，它与传统 的二维动画无明显差异，中期主要是利用计算机完成虚拟世界的建立，动画的制作， 最终生成逼真的动画，后期主要是添加以及整合相关元素，完善动画效果。在三 维动画软件的制作上，一般有建模、材质和贴图、灯光、动画以及渲染等，例如3ds Max、Maya 等流行的三维动画制作软件，基本上这个过程属于三维动画

4、制 作的中期。三维运动捕捉技术正是为解决以上问题发展起来的。三维运动捕捉技术是 指在真实运动物体（例如人、动物）的 关键部位设置跟踪器，计算机通过跟踪 和处理这些跟踪器的位置，将运动物体 的动作数据记录下来形成三维动作数 据，最后将这些动作数据重新赋予动画 模型，从而创造出动画模型真实而自然 的动作。目前常用的运动捕捉技术主要 有机械式、声学式、电磁式和光学式， 其中光学式运动捕捉由于其采样速率 高、表演者活动范围大、无电缆和机械 装置的限制等优点而最为常见。因此， 长期困扰动画师的角色动作调节问题得 到了解决。2.1 运动捕捉的流程光学式运动捕捉的过程是首先进行 相机的校准设置，然后利用相机

5、捕捉表 演者身上关键部位的光点，从而形成图 像素材，图像素材的光点经过计算机系 统进行处理后在虚拟的三维空间中进行 匹配跟踪，最后经过计算机后期处理就 使得三维空间中的运动轨迹完整地被捕 捉下来了，这些运动轨迹可以根据运动 捕捉定向赋予给由 3ds Max、Maya 等 三维动画制作软件制作的动画角色，由 此我们就可以实现很多现实生活中无法 实现的场景。如果在表演者的脸部表情 关键点贴上光点，则可以实现表情捕捉， 而这正是很多动画师们梦寐以求的效 果1.2 三维动画制作过程中的瓶颈从技术层面上讲，三维动画制作的关键步骤有几何建模技术、材质调整研究、 运动轨迹设定、着色输出四个过程，可以理解为三

6、维动画的建模技术、材质技术、 运动技术、渲染技术。目前计算机的建模技术主要解决虚拟世界对象的模型重现 ； 运动技术主要解决动画中角色运动问题，尤其是人或动物的运动 ；材质技术主要 是解决如何利用计算机模拟自然界中丰富多彩的真实世界的材料质感 ；渲染技术 涉及到将计算机设置好的效果输出成一幅幅高质量的静态图像问题。在三维动画制作的关键步骤上，运动技术一直是三维动画制作中的一个难点， 尤其是角色的动作调节问题。角色的动作设计和调节是运动技术中的核心问题。 尽管在各类动漫作品中，我们都能看到气势恢宏的场景，但一部好的作品更加看 重的是动画角色的运动，这就好比一部优秀的影视作品，演员的精彩表演始终是

7、第一位的，即使是再华丽的场景、再优美的音乐，如果缺少真实而自然的表演， 这样的电影肯定不会受到欢迎。在三维动画制作过程中，角色的运动设计和调节 实际上就相当于演员的表演。对于角色的运动，一般是依靠动画师手动调节各帧 参数，对于一部动画长片而言，如果是全部依靠动画师手动调节运动参数，那么 即使是对于非常有经验的动画师而言，那也将是一个非常巨大的工作量。因此，角色的动作设计和调节就成为了制约三维动画发展的瓶颈之一。2011 November影视制作 73图2 光学运动捕捉过程03运动捕捉技术的应用和发展北京电影学院、中国传媒大学、深圳职业技术学院等众多院 校早就配备了运动捕捉系统，同时也已经将运动

8、捕捉的数据广泛 地运用在三维动画制作、多媒体制作、游戏模拟、影视后期制作 等多个方面的教学和应用领域。与此同时，运动捕捉的技术也在 不断地发展，例如如何降低运动捕捉成本、如何使捕捉系统更加 方便、如何使得运动捕捉走向视频化等等。3.1 运动捕捉技术的应用运动捕捉系统从诞生之初就是运用在动画的制作方面，因此 三维运动捕捉技术目前主要的应用就是影视动画、游戏、多媒体 等相关专业的教学和创作。在影视动画领域，运动捕捉技术捕捉 到的运动数据可以生成自然的动画，减少动画的手动编辑，对于 特殊场景下的动画特效以及影视片头的制作能起到很大的作用。 国外应用运动捕捉技术制作出了很多令人震撼的大片，我国也应 用

9、该技术完成了具有中华武术精髓神韵的三维动画片秦时明月。 运用运动捕捉技术来制作的游戏也是不胜枚举，例如动作流畅逼 真的足球游戏FIFA、最受欢迎的网络游戏之一魔兽世界等 等。除了在影视动画、多媒体领域外，运动捕捉技术在体育训练、 医学研究、虚拟现实、司法重现、远程教育等领域也开始了应用。 可以预计随着其技术水平的不断提高，运动捕捉技术将会得到更 深入和广泛的运用。3.2 运动捕捉技术的发展运动捕捉技术本身也存在着发展的制约，例如光学运动捕捉 设备过于昂贵、捕捉需要在表演者身上贴上特色的光点、后期调 节和更改误差数据工作量大等。因此，运动捕捉技术其本身也在 不断地发展改进过程中。在光学运动捕捉过

10、程中，正是因为使用 了光点，使得在后期处理运动数据时出现很多的问题。目前该领 域的研究者正在使用图像处理技术、视频处理技术来识别表演者 的运动轨迹，而不是直接捕捉光点的信息，从而简化捕捉过程。 例如在 2006 年 SIGGRAPH（计算机图形图像特别兴趣小组）研 讨大会中，MOVA 公司发表了可以精确地扫描人面部表情动作的 最新技术“Contour”，该技术将光点改成荧光粉来进行捕捉，从 而大大降低了捕捉的成本 ；在 2008 年 SIGGRAPH 研讨大会中， iPi Soft 公司发布了“Shoot3D”台式运动捕捉系统，该系统在 使用的过程中只使用了一台数码摄像机，也从一定程度上降低了

11、 运动捕捉的成本。04总结尽管运动捕捉技术大量地运用在了三维动画制作领域，运用该项技术也确实为三维动画的创作带来了新的生机。但在三维动画领域，不能过分地追求技术，技术仅仅只是动画制作的一方面，例如中国传统的水墨动画是世界上独有 的动画类型，这是不能用所谓的先进的技术能达到的。三维动画的制作应该 更加注重动画创作的艺术规律，包括故事 取材、故事背景、人物设计、镜头运用等这些规律的基础之上再合理地运用技术。唯有如此，三维动画的制作才能上 一个新的台阶。2.2 运动捕捉技术在动画制作中所具有的优点2.2.1 能够表现自然的动作早期三维动画制作主要是依赖于动画师对动画的逐帧 调节，这样做不仅效率低下，

12、更关键的是手动调节出来的 动画运动效果不真实。运动捕捉技术的出现改变了这种状 况，以运动捕捉技术为基础创造出了许多生动的动画角色， 例如 3D 电影阿凡达中勇敢刚毅的混血生物阿凡达、指 环王中怪模怪样的咕噜和金刚中威猛高大的金刚以 及凶残可怕的恐龙。这些角色栩栩如生的肢体动作和形象 丰满的面部表情正是通过捕捉真实世界的动作和表情来达 到的。2.2.2 缩短三维动画制作的周期运动捕捉技术的使用基本将传统动画调节的时间缩短 至 1/6。节省的大量时间和精力可以放在动画的剧本、创 意等艺术创作上，对于三维动画制作团队来讲，采取运动 捕捉无疑是明智之举。2.2.3 积累大量的运动数据运动捕捉数据被记录下来以后，可以将这些数据运用 到任何虚拟角色身上。如果记录了大量的运动数据，那么 就相当于建立一个大的运动数据库一样。动画师可以将这 些数据重新进行组合、编辑，从而创造出更多的运动数据。 因此，运动捕捉得到 40 分钟的数据，基本可以用来制作 8 段 MTV 短片了。表1 手动调节与运动捕捉对比（以6人为一个团队作参照）动画类型 动画剧集 动画工作量 总体动作手动调节 运动捕捉常规片40集11分钟/集1000套180天30天武打片40集30分钟/集1600套300天50天游戏1部1部500套90天15天