三維動畫運動捕捉技術的應用及未來發(fā)展探究

張昕禹

【摘要】三維動畫是在二維動畫的基礎上發(fā)展起來的，三維動畫的空間感很強，給人以立體的感覺，動畫也很自然，憑借這種優(yōu)勢，三維動畫受到了人們的廣泛喜愛。隨著三維技術的不斷發(fā)展，其衍生物也日益增加，也出現(xiàn)了很多非常優(yōu)秀的三維動畫作品，相關的先進技術也得到發(fā)展，其中最為突出的就是三維動畫運動捕捉技術。為了加深對三維動畫運動捕捉技術的理解，本文基于此背景從其原理入手，對三維動畫運動捕捉技術的實際應用著重分析，對其未來的發(fā)展前景進行探究。

【關鍵詞】三維動畫;運動捕捉技術;實際應用;未來發(fā)展

1. 三維動畫運動捕捉技術的概述

三維動畫運動捕捉技術是為了解決在三維動畫制作中角色的動作設計和調節(jié)的問題而發(fā)展起來的。這種技術是在人或者是動物身上的關鍵位置安裝跟蹤器，用來捕捉運動的物體的動作數(shù)據(jù)，然后將這些動作數(shù)據(jù)記錄下來整合成動畫數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)重新對動畫人物建模，這樣創(chuàng)作出的動畫人物會更加真實，運動的動作也會更加的自然。目前為止，光學式、機械式、聲學式和電磁式是最常用的幾種運動捕捉技術。其中，光學式的捕捉采樣的速率高，不受電纜和眾多機械裝置的阻礙，表演者的活動范圍也不受限制等優(yōu)點讓光學式得到廣泛發(fā)展，這種運動捕捉技術解決了動畫師對角色動作調節(jié)的問題。

光學式的運動捕捉的流程。首先是對相機進行校準，在拍攝過程中是要利用相機來對表演者身上關鍵部位的光點進行捕捉，以此來收集圖像素材，然后再經(jīng)過計算機系統(tǒng)來對圖像素材中的光點進行再處理，處理的結果在虛擬的三維空間匹配。最后，將在三維空間中的運動軌跡通過計算機處理捕捉下來，然后將這些運動軌跡根據(jù)運動捕捉定向通過3ds Max、Maya等三維動畫制作軟件制作的動畫角色，一些在現(xiàn)實生活中無法實現(xiàn)的場景就可以通過三維動畫呈現(xiàn)出來。光學式還可以在表演者的面部貼上光點從而對表演者的面部表情進行捕捉，達到動畫人物表情更加真實的目的，這也是很多動畫師夢寐以求想要達到的效果。

2. 三維動畫運動捕捉技術在實際中的應用

2.1 影視劇中的使用

三維動畫運動捕捉技術已經(jīng)在影視劇領域得到了廣泛的應用，并且受到了廣泛的歡迎，也取得了一定的成效。例如在電影《金剛》中，表演者穿著裝有跟蹤器得特殊的服裝，并且在面部關鍵位置貼有光點，攝影機對表演者進行拍攝從而采集運動信息，然后將這些運動信息經(jīng)計算機后期處理傳到虛擬的三維空間中，根據(jù)這些數(shù)據(jù)形成金剛這一角色的形象，動畫師也能夠根據(jù)這些數(shù)據(jù)對金剛的動態(tài)對這一角色進行驅動。通過運動捕捉技術的應用，能夠將表演者的動作、表情進行精準的捕捉。最近還出現(xiàn)了一種新的動畫運動捕捉系統(tǒng)OpenStage，運用這個系統(tǒng)可以不用在人的面部貼有光點，也不用穿任何帶有跟蹤器的服裝，是運動捕捉技術新的創(chuàng)新。和傳統(tǒng)的逐幀制作動畫的技術相比，三維動畫運動捕捉技術能夠更加快捷。迅速完成動畫的制作，而且在動畫制作過程中，工作人員只需獲取虛擬角色的相應的運動數(shù)據(jù)，并根據(jù)劇情進行稍微的調整，就能夠完成動畫的制作，基于此，影視劇制作的過程中也擺脫了攝影棚的限制，可以實現(xiàn)在現(xiàn)實生活中不能實現(xiàn)的場景，除此之外，運用運動捕捉技術使得作品更加的生動形象，也更加的立體化，也降低了拍攝的成本。

2.2 在三維動畫中的應用

三維動畫是運動捕捉技術主要的應用領域。就拿抗疫醫(yī)護人員的動畫來說，動畫師一般情況下是通過利用3DS MAX等軟件等醫(yī)護人員進行建模，然后利用Character Studio為模型增添相適用的骨骼，因為這兩步結束后人物和骨骼之間還是相互獨立的，所以就需要通過Physique將二者聯(lián)系起來，動畫師則可以通過對骨骼進行移動和縮放進行調整，使得骨骼和人物模型相適應，成為一體。這一過程中，3DS MAX軟件中有自帶的修改器UV，進行展UV的目的就是將平面的貼圖指定為子對象的選擇，只有在這種軟件技術的操作下，才能夠使貼圖效果更加真實。完成UV操作后，通過利用Photoshop這種專用的制圖軟件，根據(jù)醫(yī)護人員的服裝貼圖，進行相應的服裝紋理的繪制，最終完成抗疫醫(yī)護人員動畫人物模型的制作。

2.3 在動畫教學方面的應用

在動畫運動規(guī)律中的應用。三維動畫運動捕捉技術在動畫教學中發(fā)揮了非常重要的作用，也明顯的提高了教學的成效。例如在對動畫運動規(guī)律的教學中，為了能夠讓學生更加全面地對動畫規(guī)律的掌握，使其能夠在日后的實際應用中靈活的運用規(guī)律，在教學過程中教師可以穿插三維動畫運動捕捉技術的講解。例如，針對人物行走規(guī)律這一課程，可以利用動畫運動捕捉技術來對捕捉學生走路過程中的形態(tài)，然后利用捕捉到的數(shù)據(jù)，應用在學生喜愛的虛擬角色模型上，計算機的復制分解功能可以向學生觀看到每一幀動畫工作的樣子，讓學生能夠融入到課堂的教學中，這樣不僅能提高學生的上課興致，還能夠加深學生對人類走路規(guī)律的理解，能夠對三維動畫有個更深入的理解，有利于提高教學成效。

運用游戲動畫進行課程教學。除了在三維動畫中的作用，運動捕捉技術在游戲動畫的課程教學中的適用范圍也十分廣泛。因為游戲中人物畫面的動作是由各個小片段組成的，和影視劇這種連貫性和流暢性強的作品相比較，游戲的各個片段對動作的精準性有極高的要求。游戲中的動作片段可以分為走位、攻擊和死亡的動作，所以當教師在進行游戲動畫課程的教學時，要把學生放在核心地位，以學生為中心，教師應主動去了解學生的學習需要，把學生分為若干小組，以小組為單位對游戲片段中的各動作進行分析研究，并且鼓勵學生對游戲動作進行模仿操作，親自動手操作運動捕捉技術來進行動作數(shù)據(jù)的采集。教師還可以讓各小組之間進行動作捕捉的進行比較，學習動作捕捉的準確性。這種方式能夠提高學生的學習積極性，提高課堂參與度，也能夠增強學生對三維動畫運動捕捉技術的熟練度，便于靈活的運用捕捉技術來判斷游戲動畫中動作的尺度。

3. 三維動畫運動捕捉技術在未來的發(fā)展情況

3.1 和其他技術相結合

將三維動畫運動捕捉技術和其他相關技術相結合，進行整合優(yōu)化能夠提高動作捕捉的真實性和精準性，靈活性也會提高。例如將三維動畫運動捕捉技術和關鍵幀技術進行整合優(yōu)化，首先利用運動捕捉技術中的光學式捕捉運動的軌跡，對具體的動作進行精確的捕捉，動作捕捉后獲得的數(shù)據(jù)則會通過MotionBuilder 軟件向 Characters 傳遞，軟件會自動的生成動畫然后保存下來，最后將匹配完好的數(shù)據(jù)傳遞到已經(jīng)選定的虛擬角色上，在 MotionBuilder 軟件當中進行關鍵幀層的構建，這樣可以對虛擬角色的動作進行靈活隨意的調整，讓角色動作達到最想要達到的效果。值得一提的是，在對三維動畫運動捕捉技術和關鍵幀技術整合運用時，數(shù)據(jù)標記點應該是最開始的狀態(tài)，這有利于動畫制作人員在 MotionBuilder 軟件中進行映射，在 Character Controls 中編輯與控制 Actor。在將虛擬角色和相應的光學式數(shù)據(jù)相結合的時候，要保證在導航面板中數(shù)據(jù)和角色的完全匹配，還要對要創(chuàng)建的角色做標記，以便工作人員僅需要點擊激活鍵就能夠靈活自由的對角色進行驅動。在對虛擬角色進行自定義的修改時，要實行的是無損動作修改，就是將關鍵幀層和動畫運動捕捉數(shù)據(jù)相結合，根據(jù)劇情等相應的要求，再對角色的動作進行調整，通過增加動作的幅度，讓動作更加的有力度。

3.2 不斷地突破困難瓶頸

三維動畫運動捕捉技術作為一種新興的技術，不可避免的存在著一定的問題。例如在使用光學式進行捕捉運動軌跡時，所需要的成本是很高的，不僅如此，還要找到表演者身上的關鍵部位進行標點。后期制作的過程中，又要導出數(shù)據(jù)，又要通過數(shù)據(jù)對動作進行調整，這是非常大的工作量。鑒于此，研究人員開始跳出光學式捕捉動作的思維，嘗試轉變捕捉的方式，從原本的捕捉光點轉變?yōu)槔靡曨l對光點進行處理，從而更加準則的獲得運動的動作軌跡，這樣有利于降低對動作捕捉的難度，同時也減少了捕捉的成本，縮減了后期的工作量，提高了工作效率。

3.3 應用范圍更加廣泛

三維動畫運動捕捉技術在未來的發(fā)展不僅僅只應用在影視劇，動畫教學，游戲動畫等制作方面，其應用范圍會變得越來越廣泛。例如在我國的幾個大型網(wǎng)游中，利用了三維動畫運動捕捉技術進行場景和動畫的制作，這一技術也可以應用在軍事，醫(yī)學等領域。例如在軍事中，可以通過虛擬場景來預估導彈的影響范圍，在醫(yī)學領域中，通過對主刀醫(yī)生的動作捕捉，有利于醫(yī)師對手術進程的掌握和了解。由此，三維動畫運動捕捉技術在未來能夠應用于更多的領域，并給各領域的工作者帶來福音。

4. 結論

綜上所述，三維動畫運動捕捉技術能夠對運動事物的動作進行快速、精確地捕捉，捕捉結束后通過計算機的后期制作得到數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)傳遞到建好模的虛擬角色上，這會使角色的動作變得更加生動形象。三維動畫運動捕捉技術在影視劇、動畫制作以及動畫教學中都獲得了廣泛的應用，也都取得了良好的效果。因為是一種新興技術，因此這種技術本身也存在著一定的問題，所以和其他的相關技術相互整合優(yōu)化，實現(xiàn)技術間的優(yōu)勢互補，突破三維動畫運動捕捉技術中所存在的問題，能夠達到“1+1>2”的效果，這樣運動捕捉技術的應用范圍也會更加的廣泛，從而實現(xiàn)三維動畫運動捕捉技術的長久發(fā)展。

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