内容摘要

用传统方法制作一部较长的计算机影视动画作品是一项相当麻烦的工作。表演动画的出现,从根本上改变了现有的影视动画制作乃至特技制作方法,极大地缩短了动画制作的时间,降低了成本,使得动画制作过程更为直观,效果更为生动、逼真。表演动画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,捕捉表演者的动作甚至表情,用这些动作或表情数据直接驱动动画形象模型。运动捕捉技术是表演动画中最关键、最不可或缺的技术,本文讨论了运动捕捉技术在影视表演动画中的应用。

运动捕捉技术

运动捕捉技术实时地检测、记录表演者的肢体、表情乃至相机、灯光在三维空间的运动轨迹,将它们转化为数字化的“抽象运动”,并将其“赋予”用动画软件生成的模型,使模型做出和表演者一样的动作,并生成最终的动画序列。它的关键部分在于对表演者的表演进行动作捕捉,并对捕捉到的数据进行处理,还原为空间三维点,以此数据生成模型运动所需的动作数据,用该数据去驱动已生成的模型,生成计算机动画序列。在表演动画系统中,通常并不要求捕捉表演者身上每个点的动作,而只需要捕捉若干个关键点的运动轨迹,再根据造型中各部分的物理、生理约束就可以合成最终的运动画面。在影视表演动画系统中,运动捕捉技术从工作原理来看,主要有机械式、电磁式、声学式和光学式运动捕捉几种。

机械式运动捕捉依靠机械装置来跟踪和测量运动。可以将欲捕捉的运动物体与机械结构相连,物体运动带动机械装置运动,从而被传感器记录下相应的角度和模型的机械尺寸,进一步计算出模型的姿态,将这些姿态数据传给动画软件制作出的角色模型。这种方法成本低,装置定标简单,精度也较高,可以作到实时测量,还可以容许多个角色同时表演;但使用上不方便,机械结构对表演者的动作阻碍、限制很大,较难用于连续动作的实时捕捉,主要用于静态造型捕捉和关键帧的确定。

电磁式运动捕捉系统一般由发射源、接收传感器和数据处理单元组成。发射源在空间产生按一定时空规律分布的电磁场,接收传感器安置在表演者身体的关键位置,传感器通过电缆与数据处理单元相连。表演者在电磁场内表演时,接收传感器也随着运动,并将接收到的信号通过电缆传送给处理单元,根据这些信号可以解算出每个传感器的空间位置和方向。该方法不仅可以同时得到空间位置和方向信息,而且速度快、实时性好,装置的定标比较简单,技术较成熟,鲁棒性好,成本相对低廉;但是对环境要求严格,在表演场地附近不能有金属物品,否则会造成电磁场畸变影响精度,该系统中电缆对表演者的活动限制比较大,对于比较剧烈的运动、表演不适用。

声学式运动捕捉装置由发送器、接收器和处理单元组成。发送器是一个固定的超声波发生器,接收器一般由呈三角形排列的3 个超声探头组成。系统通过测量、计算声波从发送器到接收器的时间,可以确定接收器的位置和方向。由于声波的速度与温度有关,还必须有测温装置,并在算法中作出相应的补偿。这类装置成本较低,但对运动的捕捉有较大的延时和滞后,精度差,还要求声源和接收器间不能有遮挡,且受噪声等干扰较大,系统扩展困难。

光学式运动捕捉是通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。它是基于计算机视觉原理的。对于空间中的一个点,只要它同时被两台摄像机拍摄到,则根据同一时刻两台像机所拍摄的图像和摄像机参数,可以确定这一时刻该点在空间中的位置。当摄像机以足够高的速率连续拍摄时,从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。光学式运动捕捉的优点是表演者活动范围大,无电缆、机械装置的限制,使用很方便; 缺点是系统价格昂贵,对于表演场地的光照、反射情况敏感,装置定标也较为繁琐。虽然它可以捕捉实时运动,但后处理时间长,很难做到实时驱动角色模型及实时地观看效果。

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