浅论运动捕捉数据在动画中的应用

摘　要： 文章以主流的(*.bvh)、(*.c3d)或(*.trc)类型的动捕数据的应用流程为例，首先阐述了动捕数据应用到角色动画的工作原理：把物理空间中跟踪点（Marker）的Translate（x,y,z）和Rotate（x,y,z）的值映射到动画软件骨骼系统的对应层级中，不同的数据格式有不同的映射方式。其次探讨了优化动捕数据的关键技术：Key Frame Reducer的可行性及其对提升动画制作品质所具有的积极意义。

关键词：动捕（运动捕捉）；跟踪点；映射；层级；关键帧简化
　　1.运动捕捉技术的历史
　　1983年 金斯伯格和麦克斯韦教授使用Op—Eye光学跟踪系统。
　　1984年 Motion Analysis实现通过二维跟踪三维定位技术。
　　1988年英国Oxford Metrics Limited公司发布第一套应用在影视的动画制作领域的Motion Capture系统—Vicon 。 这是世界上第一个设计用于动画制作的光学Motion Capture系统， 它专门为动画制作量身定做，是一套专业化的Motion Capture系统。 现在已被许多非常著名的动画制作公司采购、使用。 它的出现意味着运动捕捉技术正式进入影视动画制作。
　　1993年 Acclaim光学运动捕捉系统可以同时进行2人的动作捕捉，跟踪点(Marker)可达100.
　　1996年 Motion Analysis公司实现跟踪点(Marker)的自动标识。
　　2007年 3D动画电影《贝奥武夫 Beowulf》的角色的表演完全由动作捕捉技术来展现。
　　2010年 《阿凡达》导演利用3D立体、动作捕捉技术通过《阿凡达》将自己的想象力完美地呈现给了全球影迷，使《阿凡达》取得了前所未有的成绩。
　　2．光学式运动捕捉技术的工作流程
　　运动捕捉技术从原理上说可分为机械式、声学式、电磁式、主动光学式和被动光学式。不同原理的设备各有其优缺点，一般可从以下几个方面进行评价：定位精度；实时性；使用方便程度；可捕捉运动范围大小；抗干扰性；多目标捕捉能力；以及与相应领域专业分析软件连接程度。
　　光学式运动捕捉（Motion Capture）技术，是通过高速摄像机阵列来捕捉表演对象身上的跟踪点，把跟踪点在物理空间中的运动数据，映射到计算机的虚拟三维空间中，一般是记录跟踪点的三个维度（x、y、z）的移动（Translation）和旋转(Rotation)数据，因此动捕数据包含的信息主要对应于虚拟骨骼系统每一层级关节的TranslateX、TranslateY、TranslateZ、RotateX、RotateY、RotateZ六个属性的值。　　　　 
　　目前光学式运动捕捉技术大多基于计算机视觉原理。从理论上说，对于空间中的一个点，只要它能同时为两部摄像机所见，根据同一时间点的两部摄像机所拍摄的图像像素等数值，可以确定这一时间点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。在表演对象的关键部位设置跟踪点，由高速摄像机阵列捕捉跟踪点在三维空间中运动的轨迹，再经过计算机处理后，生成可以在动画制作中应用的数据。动画师可以将这些数据映射到动画角色，生成动画。也可以在相关软件中调整动画效果。这些数据应用范围非常广泛，就娱乐产业而言，涉及到电影、电视、MV、电子游戏等领域。
　　通过多个高速摄像机捕捉的跟踪点（Marker）所获得的数据，因为高速摄像机镜头存在死角，所以捕捉到的数据很多时候会存在丢帧现象，因此跟踪点在表演对象身上放置，必须与其骨骼系统的关节点相对应，具体的做法很简单，在表演对象身上放置跟踪点之前，我们可以先在动捕软件中创建角色骨骼系统的框架模型Model Markers，除了在关节点上的主要跟踪点之外，还需要在关节点周围放置附加的标记点（理论上附加标记点越多越有利于修复丢帧），这些标记点之间由Stick根据人体基本结构的方式相连接。有点像人类的骨骼一样，这些Stick是长度一定的Rigid Bodies，这就保证了跟踪点阵列的相对稳定。丢帧现象一般是一个或多个跟踪点丢失导致的，丢失的跟踪点的数据可以根据附近其它跟踪点的数据推算出来，当然如果丢失的跟踪点太多，就得手工修复了。见图一。 图1
　　
　　 3．运动捕捉数据的类型
　　针对不同的三维动画软件，可以输出的运动捕捉数据格式种类较多，例如(*.asf, *.amc) (*.bvh) (*.htr) (*.trc) (*.c3d)，较常用的格式是(*.bvh)和(*.c3d)，通过外部插件,Maya可以直接使用(*.bvh) (*.htr) (*.trc) (*.c3d)这几种格式的数据，当然，最常用的调用动捕数据软件是AutoDesk公司的MotionBuilder。
　　MotionBuilder支持以上所有格式的动捕数据，可以将MotionBuilder作为中转站，将任何格式的动捕数据导入MotionBuilder，处理后存为(*.fbx), 现在主流三维动画软件对(*.fbx)数据的支持还是很不错的，处理后的(*.fbx) 数据可以应用到很多主流三维动画软件中。据说VICON公司的新版动捕软件Blade可以直接由跟踪点生成(.fbx)骨骼，并把动画数据直接传递给这种(.fbx)骨骼，省去了大量的修补丢帧数据的工作，进一步提高了工作质量和效率。
　　4．运动捕捉数据的应用
　　我们以(*.bvh)和(*.c3d)这两种格式在MotionBuilder中的使用为例。
　　MotionBuilder虽然能够导入(*.bvh)格式数据，但无法直接将(*.bvh)文件格式使用到角色上，需要重新映射到MotionBuilder的基本骨骼上才能使用。我们可以导入任意(*.bvh)数据到MotionBuilder中，旋转、移动其关节成标准的T-POSE状态，这就得到我们需要的基本骨骼，用MotionBuilder的Character节点来角色化基本骨骼，选择基本骨骼的关节，按Base(required)的关节列表，一一对应拖入Charater Defintion的Model List中，并激活Characterize选项，完成基本骨骼的角色化，并另存为不带动画的(*.fbx)文件。需要使用(*.bvh)数据到自定义动画角色的时候，可以先导入这个文件，再导入(*.bvh)数据到这个文件的基本骨骼上，选择BVH Replace Animation,动画数据会附加到基本骨骼上，然后在自定义动画角色的Character Setting下的Input Type中使用Character Input的数据输入方式。
　　再来说(*.c3d)或(*.trc)，这两种格式的处理方式基本一样。将(*.c3d)导入到MotionBuilder中，将MotionBuilder的Actor节点拖放进Viewer。 (*.c3d)或(*.trc)数据中的人物大小与MotionBuilder中Actor的并不相同，用移动和缩放工具将二者对齐（对得越齐动画效果越好），在Actor Setting中创建MarkerSet，将Ac tor的关节点拖入到MarkerSet中，激活Active和Snap选项，就完成了(*.c3d)或(*.trc)数据与MotionBuilder中Actor的绑定。需要使用(*.c3d)或(*.trc)数据到自定义动画角色的时候，在自定义动画角色的Character Setting下的Input Type中使用Actor Input的数据输入方式即可。
　　在MotionBuilder中可以对动捕数据的动画曲线进行各种处理，使得输出的文件到其它的三维动画软件中也能方便的进行编辑。例如Key Frame Reducer可以对动捕数据的动画曲线进行简化，保留重要的帧，删除其它的帧，按需要来自动简化动画帧（Key Frame）。还可以使用各种滤镜来平滑动画曲线的噪波(Noise),减少错误的关节震动。这些功能使得角色动画更流畅。见图二。 图2
　　我们知道动捕数据是逐帧记录的，密密麻麻的动画帧极大地妨碍了我们对动画帧的再编辑，使我们望而却步。通过MotionBuilder的一些功能，我们就能得到简洁的动画帧，可以轻松地控制动画曲线，有点像手Key动画一样可以自由编辑，这确实是一件很棒的事。