基于動畫捕獲數據的若干計算機動畫技術分析*1

房杰

（浙江師范大學杭州幼兒師范學院動畫系，浙江杭州　310012）

基于動畫捕獲數據的若干計算機動畫技術分析*1

房杰

（浙江師范大學杭州幼兒師范學院動畫系，浙江杭州310012）

運動捕獲技術目前已成為制作3D計算機動畫的主流方法之一.然而，目前還沒有一個能有效解決基于運動捕獲技術的、更加高效的3D計算機動畫制作方法.基于此，在參閱文獻和總結已有計算機動畫技術的基礎上，全面細致地研究和分析了目前基于動畫捕獲數據的主要計算機動畫技術及應用特點；同時，對其所具有的優勢和不足進行列舉和探究，并在這個基礎上提出新的群體動畫設計手段——基于多智能角色的群體動畫創作技術，并用實驗對此進行佐證，旨在為動畫創作提供更加方便、高效的制作方法.

計算機動畫；運動捕獲；運動編輯；信號和分解；群體動畫創作技術

從20世紀90年代開始，人們開始研究運動捕獲技術并得到了迅速的發展，在影視、游戲、教育等領域得到了廣泛的應用［1］.但如何更加方便、高效地利用運動捕獲數據進行動畫創作已成為目前迫切需要解決的問題.本文從動畫捕獲數據的角度出發，分析若干計算機動畫技術，提出一種智能群體動畫創作技術，希望能為當代動畫制作產業的可持續發展提供幫助.

1　基于動畫捕獲數據的計算機動畫技術優勢分析

1.1優化真實度

優化真實度是計算機動畫技術應用的主要優勢之一.在動畫作品創作過程中，利用計算機動畫技術對真實場景進行模擬和特效制作，為觀眾營造宏大的視覺場面［2］，并引導觀眾深入到動畫場景中，使其有身臨其境的感覺和震撼的視覺享受.如很多動畫電影中高逼真的人物造型、動作、表情和虛擬真實場景等都已經到了維妙維肖的程度.

1.2無損保存和擴大動畫制作范圍

無損保存和復制采用數字系統保存形式，以實現視頻高效保存狀態，逐步改善在傳統模式下（如磁帶、唱片等）保存、復制過程中所凸顯出的相應問題.

此外，計算機技術優勢亦體現在擴大動畫制作范圍層面，如利用計算機動畫技術可以制作高難度和高危險性的電影特技，模擬常規無法實現的古代建筑、戰爭場景等，這些都能以計算機3D場景構建、特效制作等創作形式得以實現，從而更為充分地展現動畫主題，帶給觀眾更加豐富的視覺和心理體驗.

2　動畫捕獲數據視角下的主要計算機動畫技術及特點

2.1唇語同步技術

唇語同步技術是指在畫面處理過程中利用計算機軟件的發音差異性識別功能，依據動畫人物的口型顯示發音數據，最終達到動畫完整呈現的目的.此外，隨著現代科學技術的不斷發展，語音系統化分類創作目標也逐步實現，計算機軟件在運作過程中可利用已有的數據信息反映與之相適應的動畫主體口型、動作，繼而實現動畫處理過程中自動化生成口型的處理目的，從而完善逐幀繪制口型的操作機制，提升整體處理效率.例如，Moho軟件在Lost Marble公司深入研發的基礎上實現了自動化語音生成狀態［3］，即基于將音頻文件輸入Moho軟件環境的基礎上，對語句若干因素進行分析，最終通過對語句的準確調整，達到同步數據輸出的動畫處理狀態，呈現出口型數據信息.再如，《行尸走肉》動畫配音視頻在制作過程中運用了Papagayo，Magpie Pro等唇語同步動畫制作軟件，并在基于軟件安裝的基礎上將聲音文件置入Papagage文件環境中，最終參照“語句拆分→語句調整→語音同步”的步驟輸出數據.

唇語同步技術的應用在一定程度上滿足了受眾的聽覺需求，因此，當代動畫產業在發展過程中應注重參照Moho軟件的成功案例，發揮其技術價值，為受眾提供高質量的動畫作品.

2.2角色替換技術

現代動畫創作為了營造真實的故事情景，凸顯出多個人物的個性特點，在創作過程中應注重運用角色替換技術：即利用人物走路動作一致性的運動特點，在動畫人物替換過程中基于保持人物原有角色骨骼動作不變的基礎上，實現新角色的有效替換.但是，在角色替換過程中應注重將動畫形象劃分為人類、禽鳥類、魚類等類型，在此基礎上構建有針對性的骨骼動作，最終達到高效率動畫創作狀態.利用運動捕獲技術制作人體動畫起源于20世紀70年代末［4］，例如，Lost Marble公司在動畫產業發展過程中為了提高自身動畫制作的質量和效率，以Moho軟件角色替換功能對卡通角色的頭部、腳、胳膊等身體部位進行繪制，并利用矢量圖層平臺對卡通角色進行填色處理，同時將其導入軟件環境中，最終在基于角色繪制完成的基礎上準確調整其位置、力度，滿足角色替換條件，為動畫作品制作行為的展開提供有利的基礎條件.

2.3計算機動畫運動技術

2.3.1運動編輯技術

在應用運動捕獲數據的過程中，逐漸凸顯出捕獲數據與計算機生成虛擬環境不匹配、不精準等問題，影響了整體動畫制作質量.因此，在動畫作品創作過程中應注重強調對運動編輯技術的應用：首先，技術人員在畫面處理過程中應將運動數據特征、用戶視為約束機制，利用運動非線性特性對人物形象進行編輯，結合逆向運動學人物的運動特點，采用計算機計算功能獲取角色末端關節的運動數據，對人物位置進行設定，同時應用數值迭代求解算法獲取自身所需信息，并將其運用于動畫制作過程中；其次，在運動編輯技術應用過程中，需對關鍵幀運動數據的極值進行計算，獲取關鍵姿勢信息，以其他幀的表現形式來達到動畫的創作目的.但是，運動編輯技術在應用過程出現缺乏姿勢控制能力等問題，因而，應充分考慮這些特性，以達到最佳的動畫創作效果.

2.3.2運動信號分解

運動信號處理概念于1995年被提出.在實際應用過程中，首先要明確約束、目標方程等元素，繼而全面掌控動畫人物的運動方向，同時將其貫穿于整個制作過程中，形成高效率的人物運動方向處理方法；其次，在基于運動信號分解的基礎上，選定動畫處理的運動參數，利用核函數對參數運動信息進行描述，并利用統計運動特性將其應用于統計模型觀察過程中，進而在基于樣品采樣的基礎上構建層次圖，達成良好的運動描述目標；再次，應利用攝像機所采集的數據對人物動作特征信息進行系統化的整合，并對動作進行重復表演，實現對動作力度等的調整，達到最佳的運動描述狀態.例如，在動畫作品創作過程中，利用運動信號技術從數據庫中提取適宜的運動數據，依據這些數據構造動畫創作畫面，設計運動轉移圖，高效地表達出動畫人物的思想情感，滿足受眾的視覺需求［5］.

3　基于多智能角色的群體動畫創作技術

3.1自主智能動畫角色和運動生成

進行群體動畫設計和制定并不是一件簡單容易的事情，特別是對于計算機動畫的設計及制作更是如此.借助一般的方法和手段進行群體動畫的設計和制作是極為困難的，設計和制作人員需要付出大量的時間和精力，這是因為在進行群體動畫的設計和制定時并不是簡單地進行特定動作的設定.盡管群體是一個完整統一的系統，但是群體中的每一個個體都有著各自不同的特點，設計和制作人員需要將其中每一個個體的基本動作特點很好地表現出來，使得不同個體之間的動作保持協調一致.因此，需要尋找新的群體動畫設計手段：一方面，借助運動捕獲信息形成特定的運動信息平臺；另一方面，給設計的動畫進行角色設定，把動畫角色作為自主智能體來建模，使這個角色對于所要表達的情景進行模擬和表達，在動畫師干預較少的情況下，生成復雜的群體動畫.作為一個自主智能體，應該具有3種功能機制，即感知機制、行為機制和運動機制［6］.因此，動畫角色根據設計者的基本指令要求完成特定的動作，設計者將這些不同的動作聯系在一起就建立了完整的動畫.借助特定的運動群體攝影建立相應的群體動畫，使得動畫的設計和制作簡單容易了許多.

3.2實驗結果

借助上述形成的群體動畫設計和制作體系，筆者建立了相應虛擬環境游戲條件下的群體動畫制作實驗（如圖1所示）.人群的初始位置在場地中心，在某一時刻，游戲開始，各個動畫角色根據感知到的場景信息［7］，通過分析和判斷得出最佳的躲避方式.動畫中每一個角色都會進行這樣的判斷和分析：在游戲開始時，會給動畫人物提供相應的行動環境，動畫人物通過分析和判斷得出最佳的躲避方式并進行行為分解，這些行為通過跑步的形式來實現；在此基礎上使得各個不同的運動聯系在一起，形成一個有機體，設計制作完成相應的動畫內容.動畫中的角色具備了獨立判斷和分析的能力，實現和完成相應的動作.借助一般的方法和手段進行群體動畫的設計和制作是極為困難的，設計和制作人員需要付出大量的時間和精力，但是借助于這種制作體系，能夠使動畫的設計和制作大大簡化.

圖1　基于多智能角色的群體動畫制作實驗

4　結論和思考

研究動畫捕獲數據對于計算機動畫技術的發展有著極為重要的意義，本文對基于運動捕獲數據的計算機動畫設計及制作技術進行了研究和分析，指出目前已有技術存在的不足.例如，雖然運動信號分解技術對運動的全局控制操作比較方便，但缺乏對細節的操作能力；運動動作捕捉只能記錄模特的運動，難以用來制作一些超乎實際的特技運動［8］，等等.針對這些缺陷，通過對技術不斷進行升級，不僅能使動畫角色進行很好的動作管理，還能夠通過特定的抽象符號對于運動進行解讀，如本文提到的利用運動捕獲數據進行群體動畫設計和制作體系.這些改進不但大大提高了群體動畫設計的制作效率，而且也提升了整體創作質量，凸顯了計算機動畫真實形象和生動的特點.

［1］劉豐.基于運動捕獲數據的若干動畫技術研究［D］.杭州：浙江大學，2004.

［2］張斌，唐飛.傳統動畫與計算機動畫技術探討［J］.科技資訊，2014，24（12）：16.

［3］葛孟磊，唐飛.二維計算機動畫制作新技術分析［J］.電子技術與軟件工程，2014，18（6）：125.

［4］Sturman D J.A brief history ofmotion capture for computer character animation［J］.Computer GraphicsWorld，1988，12（7）：15-17.

［5］陶忠麗.淺析計算機動畫在電影特技中的運用［J］.電子世界，2014，23（12）：296.

［6］Tu Xiaoyuan.Artificial animals for computer animation：biomechanics，locomotion，perception，and behavior［D］.Toronto：University of Toronto，1996.

［7］劉豐.基于運動捕獲數據的若干動畫技術研究［D］.杭州：浙江大學，2004.

［8］Gleicher M.Animation from observation：motion capture and motion editing［J］.Computer Graphics，1999，33（4）：51-54.

（責任編輯陶立方）

Several com puter animation technologies
based on the analysis of animation capture data

FANG Jie
（Hangzhou College of Pre-school Teacher Education，Zhejiang Normal University，Hangzhou 310012，China）

Motion capture technology which rose in 1990s had been widely used in auxiliary animation.Motion capture technology had become one of themainstream methods of three-dimensional computer animation.However，the problem was how to produce three-dimensional computer animationsmore efficiently on the basis of motion capture information.Based on this，it was summarized the existing computer animation technology，conducted a comprehensive and detailed research and analysis on various animation design means applied now，meanwhile，itwas enumerated and explored their advantages and disadvantages，and a new group animation design method was formed on this basis：group animation creation technology based on multi intelligent character and prove itwith experimental results，aiming to provide amore convenient and efficient production method for animation creation.

computer animation；motion capture；motion editing；signal and decomposition；group animation creation technology

G127

A

1001-5051（2016）02-0175-04

10.16218/j.issn.1001-5051.2016.02.009

*收文日期：2015-11-12；2016-03-23

房杰（1981-），女，山東淄博人，講師.研究方向：二維動畫.