動作捕捉技術在電視節目中的應用

【摘 要】 介紹動作捕捉技術及跟蹤方式，分析目前動作捕捉技術中光學動作捕捉系統框架及其應用設計方案。

【關鍵詞】 動作捕捉；跟蹤方式；光學動作捕捉系統；電視節目

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.06.012

The Application of Action Capture Technology in TV Program

LI Yan

（Hunan Broadcasting System， Changsha Hunan 410008， China）

【Abstract】The author introduces motion capture technology and tracking mode， analyzes the framework and application design of optical motion capture system in motion capture technology.

【Key Words】motion capture； tracking mode； optical motion capture system； TV program

1 引言

動作捕捉（簡稱“動捕”）技術最初是應用于電影的制作。想必很多人對于電影《阿凡達》中 “外星人”與真人一般的一舉一動、一顰一笑的逼真動作效果記憶猶新，于是越來越多的人知道了令《阿凡達》如此逼真的動作捕捉技術。而電影《魔獸世界》中，即使是以真人演繹的獸人，運用動作捕捉技術抓住捕捉對象的行為特征，賦予人物角色靈魂，達到這一目標也是一項艱巨的任務。對于扮演獸人的演員來說，最重要的是他們必須學會如何像真正的獸人一樣行動。為此，《魔獸世界》劇組專門請來運動專家，用了六周的時間訓練演員，讓演員們徹底活在獸人的世界里，直至每個人都適應了獸人的行動方式。動作捕捉技術為電影藝術再現作家筆下架構的虛擬魔幻世界提供了有效的先進技術工具。

近年來隨著虛擬角色在電視中的運用越來越多，電視節目制作也開始運用動作捕捉技術。如在2016年CCTV5世界杯期間推出的《豪門盛宴》中，出現了多名虛擬球員同屏互動；2017年大型選秀型節目《明日之子》中，選手荷茲（見圖1）是以虛擬二次元歌手的形象與真人選手同臺競技參加選秀，不但可以多機位實時拍攝，還可以與觀眾互動，并可實現現場與自帶舞美切換（虛擬場景）的虛實結合。綜合《明日之子》節目中荷茲這個人物的設定、呈現效果及觀眾對其的關注度來看，這次動作捕捉技術在電視領域的運用有著良好的借鑒作用。

近年來動作捕捉技術呈現出一些新的技術應用和發展趨勢，本文中重點分析目前動作捕捉技術發展最為成熟的光學動作捕捉系統框架及其應用設計方案。

2 動作捕捉技術及跟蹤方式

動作捕捉技術（motion capture，簡稱mocap）就是把人或者動物的動作通過動捕系統以數據和骨骼的形式保存下來，數據涉及尺寸測量、物理空間里物體的定位及方位測定等方面，然后由計算機處理這些數據。動作捕捉需要在運動物體的關鍵部位設置跟蹤點，由系統捕捉跟蹤點在三維空間中運動的軌跡，再經過計算機處理后，提供給用戶可以在動畫制作中應用的數據。動畫師可以將數據與動畫角色合成，生成動畫，然后很方便地在計算機中調整、控制運動的物體。

動作捕捉的跟蹤方式分為光學式（Optical）和非光學式捕捉系統。

光學式捕捉系統中，因被捕捉點的類型不同又分為被動和主動兩種方式的標記點。這兩種標記點的運用是根據不同的拍攝環境來做選擇的，如被捕捉的人物或道具在一個沒有干擾且捕捉攝像機在質量好的可視環境進行數據捕捉，那么被動式標記點（采用反射材料制成，優點精確度高）就能夠很好地滿足對數據的要求；相反，如果受到場地等外部環境的限制，就只能采取主動發光式標記點（采用LED發光體積較大，無法捕捉太精細的動作，如臉部表情）。

非光學式捕捉系統也因為捕捉方式的不同分為機械式（Mechanical）、電磁式（Magnetic）、慣性運動捕捉。這三種方式也是各有優缺點，如機械式優點是系統成本低廉，沒有干擾問題，但自由度非常低，不能捕捉較為復雜的動作和進行互動演出；電磁式易受環境中電磁波的干擾及連接線或電源，會影響捕捉對象的靈活性；慣性運動捕捉無需外部攝像機，無需解算，便于攜帶，有更大的捕捉區域，缺點是定位精度比較低、定位漂移。

就現階段而言，光學動作捕捉系統最為成熟，因其捕捉精度高且運動不受限制，在電影、電視、舞臺得到更廣泛的運用。

3 光學動作捕捉系統的總體構架

光學動捕系統的硬件系統由：攝像機、Giganet（動捕系統核心網絡設備）、專業電纜連線，專用配件包（專業動捕服裝、校準棒、采光點等）和PC工作站構成，如圖2所示。

動捕攝像機一般均勻地架設在演員活動的場地周圍，架設完成以后會統一做一次可視范圍的校正。演員首先穿上一套專業的動作捕捉服，衣服一般為亞光材質，然后為采集到動作需求在身體的關節處貼上相應的采光點，如圖3所示。計算機處理軟件有一套準確的運算體系，對與計算機相連的攝像機采集的數據進行準確的運算，得到每個采集點的運動軌跡，然后再把這些運動軌跡以點源的形式記錄，并匹配給對應模型的骨骼，最后就可驅動骨骼模型運動。

光學動捕系統的軟件方面，因捕捉對象的不同而選擇不同的軟件，捕捉對象為道具時可選用Tracker；捕捉對象為任何類型的骨骼（兩足和四足動物骨骼）時可使用Blade；隨著技術的發展，2017年新推出了一款和Blade功能相似但更強大的Shogun，在之前的動作捕捉工作流程里需要先進行一個數據的重建，然后才能看到人物的骨骼效果，現在這款軟件可以直接掃描自動構建人物的骨骼數據，還可做到多人同時采集數據。

4 案例方案設計

隨著影視的高度發展，虛擬角色技術逐漸完善，使得動作捕捉技術應用的需求迅速擴大，尤其伴隨電視臺頻道的細分、融媒體直播等業務的發展，更需要像動作捕捉技術這類技術的支撐。湖南金鷹卡通衛視作為湖南廣播電視臺細分市場的專業性定位非常強的頻道，由于特定的受眾群體，對于卡通角色的運用量非常大。

金鷹卡通衛視的卡通形象麥咭，作為頻道的形象代言時常要參與頻道形象片和欄目宣傳片的制作。這次是參與《飛行幼樂園》麥咭與主持人合拍mv。在傳統的CG（Computer Graphics）角色的正常制作流程下，要制作一部與真人合拍的MV ，是需要花大量的時間和人力才能完成的。如何能在現有設備的基礎上花較少的時間高質量地完成這一MV的拍攝，下面較為詳細地介紹動作捕捉方案的設計與實施。

4.1 方案設計

麥咭的動作是通過拾取扮演者的動作而獲得，因此先要測試錄制現場環境數據及麥咭與扮演者動作匹配的數據。

測試時遇到了始料未及的問題，演員骨骼無法完全與麥咭骨骼的軸向匹配。經過多次掃場定位軸向，終于把麥咭的骨骼與演員的骨骼匹配成一致的軸向（見圖4）。因麥咭的模型結構與驅動它的扮演者結構有很大的區別，為了讓麥咭的動作更加形象生動和不穿幫，把扮演者的動作做了符合麥咭身體結構的調整，如扮演者的手不能自然下垂，需要與身體有一定距離，對應到麥咭模型上的手部才不會錯位到身體里。然后根據現有的VIZRT虛擬系統提出了相應的解決方案：使用VIOCN動態捕捉系統配合身穿動捕服的演員直接驅動麥咭人偶模型，輸出成一路可摳像的視頻信號（見圖5、圖6），并將其放置在虛擬場景中與主持人一起同步錄制（見圖7、圖8）。在這個技術方案確定之后，著手解決以下幾個問題。

（1）所使用的VIZRT虛擬系統渲染引擎只能支持剛體模型，無法支持類似于麥咭這樣的柔體模型。

對此，使用MOTIONBULIDER軟件來做模型的驅動渲染，同時將MOTIONBULIDER生成的實時畫面作為視頻信號輸出到VIZRT渲染引擎。但是這樣一來又產生了新的問題，MOTIONBULIDER軟件視頻信號輸出無法同時輸出鍵信號，不能把單獨的麥咭虛擬形象輸出到虛擬引擎，于是把畫面背景設置為全藍，將帶藍色背景的視頻信號輸出到VIZRT引擎，然后用軟件色鍵進行摳像合成的方式解決。

（2）動捕系統和虛擬綠箱使用的是同一個演播廳空間（見圖5），進行拍攝時動捕演員有可能會出現在畫面當中，發生“穿幫”。

對此，使用VIZRT引擎的遮罩功能進行屏蔽解決。在錄制的同時，調整好3個虛擬機位的虛擬場景，并根據主持人的位置擺放好麥咭虛擬人偶在場景中的位置；根據動捕演員的站位確定虛擬場景遮罩的位置，避免穿幫。

4.2 錄制系統設備配置

為實現在MV錄制時實時驅動麥咭，并和主持人一起完成舞蹈動作。系統使用的設備有：16臺VICON MX-T40S攝像機、專業動捕服一套、采光點53個（采光點數量是根據人體骨骼關節點而設定，為行業內默認的數量及點位的位置）、校準棒一個、vicon mx-Giganet專業數據連接器2臺；虛擬機位3個，由shotuk tk-53vr 搖臂、shotuk tp90、云頓250E、Ultimatte 11高清色鍵器3臺、HPz820渲染引擎3臺。系統的連接見圖9。

整個節目錄制耗時4?5小時，成片2個MV，大大縮減了后期制作的成本，成片效果反映良好。麥咭主持綜藝節目的錄制為以后生產類似的節目提供了一個好的參考和借鑒。

5 結語

隨著技術的發展和電視節目的深度開發，需要更高更新的電影動畫角色制作技術應用在電視節目播出中，塑造類似麥咭、荷茲這樣的虛擬角色。但由于資金和技術所限，在整個電視節目制作領域仍屬起步階段，還需在設計和制作中不斷地嘗試，才能做出更好的電視節目。

參考文獻：

[1] 黃楠. 動作捕捉技術發展[J]. 數字娛樂技術，2011（10）：28-33.

[2] 周飛. 深入淺出動作捕捉技術[J]. 湖北經濟學院學報（人文社會科學版），2013（12）：25-26.

作者簡介：

李艷，2000畢業于湖南師范大學藝術學院設計系，同年進入湖南廣播電視臺一直從事后期動畫制作，近年來從事虛擬場景以及動態捕捉技術的設計制作和運用。