探討機器學習技術(shù)和視覺技術(shù)在三維人體動畫中的應用

隨著我國數(shù)字媒體處理技術(shù)的進步和計算機硬件成本的下降，使得計算機動畫技術(shù)和應用得到了廣泛的應用。尤其是三維人體動畫領(lǐng)域，使用運動捕獲設(shè)備能夠得到較多的真實感三維人體運動資源，在運動仿真、影視特技、動畫生成、計算機游戲和虛擬現(xiàn)實等方面應用較多。三維人體動畫技術(shù)主要分為隨著運動捕獲系統(tǒng)的應用所生成的基于捕獲數(shù)據(jù)的人體動畫制作技術(shù)和以傳統(tǒng)二維計算機動畫技術(shù)為基礎(chǔ)產(chǎn)生的模型動畫兩種。第一種是以真實感三維運動數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，使用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法生成三維人體動畫，是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的動畫制作方法，主要包含運動捕獲數(shù)據(jù)的合成、編輯、重用等。第二種是以教學模型為基礎(chǔ)制作滿足用戶要求的動畫，是一種模型動畫制作手段，主要包含動力學、物理學、運動學知識的關(guān)節(jié)動畫技術(shù)、關(guān)鍵幀動畫技術(shù)等。

一、三維人體運動數(shù)據(jù)的捕獲

使用計算機技術(shù)中的運動捕獲技術(shù)完成動畫的創(chuàng)作是目前動畫技術(shù)中使用較多的技術(shù)。采取該種較為先進的創(chuàng)作方法能夠?qū)π枰臄?shù)據(jù)獲得起到簡化的效果，并且具有真實、精準等特點，和傳統(tǒng)技術(shù)相比較，在制作的過程中較為快捷、簡便。使用該技術(shù)可以將已經(jīng)捕獲的人體動態(tài)數(shù)據(jù)上傳到已經(jīng)創(chuàng)建完成的三維立體模型中，使模型能夠自動的產(chǎn)生需要的播放順序。

目前計算機動畫領(lǐng)域中應用較為廣泛的技術(shù)是光學運動捕捉系統(tǒng)，英國、美國等國家均已較為完善的使用該技術(shù)進行創(chuàng)作，我國目前也研究出一種低成本的系統(tǒng)，該種系統(tǒng)能夠自動的在需要記錄形態(tài)物體上進行反光標記，使用多角度、高倍的攝像機對該物體進行追蹤拍攝，捕捉動作，之后使用一定的方法對兩種影像融合在一起，按照計算機的視覺技術(shù)對捕獲的數(shù)據(jù)進行重新組合，使動畫達到逼真的效果要求。然而因為該種設(shè)備價格較高，因此在一定程度上阻礙了該種技術(shù)的廣泛應用。

目前較為常見的捕捉技術(shù)主要分為兩種：一種是利用統(tǒng)計學習的方法創(chuàng)作人體運動捕捉技術(shù)，先選定一段視頻，將其中人物在沒有標記的狀況下恢復本來形態(tài)，該過程屬于逆反操作，為了解決這個問題，需要對檢驗模型和控制模型的方法進行學習。另一種是按照視覺的方式創(chuàng)作運動捕捉技術(shù)，利用視覺的方式提取額物體運動時的數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定的分析滿足制作動畫的要求。

二、運動數(shù)據(jù)預處理

因為受到捕獲誤差和條件的影響，或者是為了對某特定應用要求進行滿足，使得捕獲到的三維人體運動數(shù)據(jù)需要進行處理后才可以在三維人體動畫創(chuàng)作中應用。運動數(shù)據(jù)預處理主要包含運動順序識別、分割、關(guān)鍵幀提取、運動數(shù)據(jù)壓縮、真實或者是自然感三維人體運動數(shù)據(jù)評估、數(shù)據(jù)中缺失特征重建。由于三維人體運動數(shù)據(jù)的本質(zhì)是多媒體數(shù)據(jù)的一種，所以在分析和理解多媒體內(nèi)容中較多使用的機器學習技術(shù)也可以在三維人體運動數(shù)據(jù)處理中進行使用。

三、運動數(shù)據(jù)重組

在三維人體動畫創(chuàng)作中最重要的內(nèi)容是對已經(jīng)有的數(shù)據(jù)重組性進行提高，尤其是在運動捕獲設(shè)備和人體運動數(shù)據(jù)庫中的應用情況，可以有效的為運動數(shù)據(jù)重組技術(shù)提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。運動數(shù)據(jù)重組技術(shù)的本質(zhì)是數(shù)據(jù)驅(qū)動的運動生成技術(shù)一種，由于其具備該特點，所以近幾年來流行學習、統(tǒng)計學習、子空間分析等機器學習技術(shù)被廣泛的應用，主要是分析已經(jīng)存在的三維人體運動數(shù)據(jù)、對新生成的運動數(shù)據(jù)進行指導和學習。

四、行為動畫的產(chǎn)生

實現(xiàn)智能化、自動化的人體行為動畫產(chǎn)生是計算機動畫，尤其是三維人體動畫創(chuàng)作中的一個重要內(nèi)容。據(jù)相關(guān)研究表明，部分研究人員通過對行為模型的構(gòu)建來實現(xiàn)對虛擬角色行為動畫產(chǎn)生的指導，也有部分研究人員利用對具有自主決策能力的自治體進行構(gòu)建，從而實現(xiàn)行為動畫的產(chǎn)生。

五、總結(jié)

計算機動畫是計算機圖形學中的研究內(nèi)容，然而從技術(shù)角度出發(fā)，三維人體動畫創(chuàng)作中包含了人工智能、認知科學、機器學習、計算機圖形學、計算機視覺等內(nèi)容，是一個融合了多學科技術(shù)的研究范疇。目前機器學習技術(shù)和視覺技術(shù)已經(jīng)快速的融入到了人體動畫研究領(lǐng)域，是未來人體動畫研究的重要發(fā)展方向，后期動畫制作方面和動畫制作素材捕獲方面是今后后期制作技術(shù)需要突破的研究內(nèi)容。從制作動畫本身出發(fā)，機器學習技術(shù)和視覺技術(shù)已經(jīng)完全可對人物表情模擬進行實現(xiàn)，對三維人體動畫技術(shù)的發(fā)展起到了十分重要的推動作用。

（作者單位：蘭州大學）