慣性動作捕捉技術融入三維教學實踐探索*

曾 錦 唐 建

（四川傳媒學院 四川成都 711745）

進入數字時代，傳統的二維形式逐漸轉為數字編輯的三維形式。盡管三維動畫在制作的時間成本上已大大優于傳統二維動畫，但仍須耗費動畫師大量的時間才能完成作品。打破了這一狀況的是運動捕捉（Motion Capture）的出現，運動捕捉技術使CG 動畫發生了翻天覆地的變化。2009 年詹姆斯·卡梅隆導演的《阿凡達》能成為全球票房收入最高的電影，入圍9 項奧斯卡，《阿凡達》取得的成就離不開導演在電影中創造的宏大世界觀，離不開電影給現實生活帶來的沉重思考，但也離不開科技的支持。正是動作捕捉技術的成熟應用才在電影中為觀眾呈現出一個栩栩如生、有情感有戰爭的潘多拉星球。還有很多世界頂級的好萊塢知名導演都鐘情于該項技術，這也預示著世界動畫制作未來的技術方向。

動作捕捉是一種借助計算機技術，采用測量、跟蹤計算等方式把演員身上、臉上關鍵點的動作捕捉下來，然后融合到已經創建好的三維模型之中，從而讓計算機三維模型做出和演員類似的動作。常用的動作捕捉技術從原理上可分為光學式、慣性式、機械式、電磁式等。例如《阿凡達》《阿麗塔》等電影便是通過光學動捕技術采集演員的表演動作。光學動捕技術的主要缺點是價格昂貴，需要大量復雜的硬件設備和嚴格的演播室環境。

在高校三維動畫教學中，通常教學內容包括角色和場景制作兩大部分，針對角色制作部分又細分為角色模型創建、貼圖材質繪制、骨骼綁定及蒙皮、動作制作及關鍵幀生成、后期動畫合成等模塊。在傳統教學中，學生根據事前準備的故事內容，通過手動調整角色在某一時刻各個骨骼關節的位置制作角色的動作，并通過軟件將此幀的內容記錄下來作為一幀關鍵幀。重復以上操作，在完成所有關鍵幀之后，可以通過軟件自動創建關鍵幀之間的過渡幀，從而將角色的動作連貫起來，合成完整的動畫。在實際的教學過程中，我們發現，由于缺乏經驗，對運動規律的實際掌握能力不強，學生往往需要花費大量的時間調節角色的動作，結果仍然出現動作不到位甚至變形的情況，大大影響了動畫制作的效率和最終結果。也影響了學生學習角色動畫的興趣和信心，因為很難在短時間內表現出想要達到的角色性格、節奏、情緒等。

因此，教學方法亟須進行改進，而利用慣性運動捕捉設備和技術，與三維軟件制作軟件進行整合，就成為角色動作教學中的新方法，通過讓學生使用慣性動作捕捉設備，根據對角色的理解和設計自行表演，并將動作與三維軟件預先制作好的模型骨骼關節匹配，使其與模型產生聯動，再由三維軟件記錄為關鍵幀，然后利用這些關鍵幀生成過渡幀，最終合成動畫。

一、Xsens MVN 慣性動作捕捉系統

Xsens MVN 是一款便于操作、經濟實用的慣性動作捕捉系統。MVN 獨特之處在于不受環境光線與空間距離的限制，純凈的動作捕捉數據不需要進行后處理即可錄制完成，非常適用于各種實時的表演應用。Xsens MVN 慣性運動捕捉系統無需龐大、昂貴的實驗室，也不受遮蔽物及光線的影響，理論上動捕設備可在任何光照條件下運行，但通常需要在光線相對充沛的環境下進行運動數據的采集，以便于演員的表演。該系統比較輕便，附著在特制的捕捉服內，以獨特的微型慣性運動傳感技術和無線傳輸技術為基礎，結合生物力學等最新科技設計的高效實時動作采編工具。目前廣泛應用于游戲開發、數字娛樂與電影制作中。

二、Xsens MVN 慣性動作捕捉系統融入教學實踐中的必要性

為了驗證慣性動作捕捉技術在教學實踐中的效果，我們將動畫專業的學生劃分為兩組。第一組使用3ds Max 軟件，采用傳統的手工調整人物動作的制作方法；第二組采用Xsens MVN 動作捕捉技術和3ds Max 結合的方法，對同一個三維角色，該角色已完成Biped 骨骼配置、蒙皮綁定、權重的調節，為其設計同樣的一組動作（走路、跑步）。實驗結果：使用傳統的方法，手動調節關鍵幀制作角色動作的學生大約需要1個多小時，而使用Xsens MVN 動作捕捉技術和3ds Max 軟件相結合的學生只需要20 分鐘左右即可完成。從呈現的效果來看，Xsens MVN 動作捕捉技術和3ds Max 軟件相結合制作出的角色動作在準確性、流暢性方面不僅優于使用傳統制作的動作，而且，Xsens MVN 動作捕捉技術的演員在表演中因為增加了更多的趣味性表演，動作更為夸張和獨特。因而，采用Xsens MVN 慣性動作捕捉技術和三維軟件相結合的方法，既節省了學生的時間和精力，還極大地提高了學生的三維角色動畫制作水平，開拓了學生的想象力。

三、Xsens MVN 慣性動作捕捉系統融入教學實踐的方法

另外我們還帶領學生進行了“川劇經典人物動作數字化”的嘗試，川劇是四川人民喜聞樂見的綜合性地方藝術，是巴蜀人民藝術智慧的結晶，有著深厚的藝術積淀。在新的時代背景下，川劇正在慢慢淡出人們的視野，動畫是當今社會最為大眾喜愛的綜合藝術，將川劇轉化為動畫藝術的形式，是川劇在新媒體時代重新進入大眾視野的一個很好的切入點。“川劇經典人物動作數字化”是以川劇經典角色動作數字化為主題的研究項目，該項目旨在推動川劇的傳承與創新，檢驗傳統川劇文化與動漫化創意設計的相融性。通過動作捕捉系統，讓演員準確地傳達經典川劇作品所表現的藝術情感。利用科技使川劇文化煥發出新的生機、新的活力，讓新一代年輕人通過這種表現形式能夠和老一輩產生美好的聯系和共鳴。

項目過程中，我們選擇多名有一定表演基礎的戲劇表演系學生來作為動作捕捉演員，還邀請了知名川劇表演藝術家親臨指導，共同探討川劇的經典角色表演藝術。探究如何將傳統川劇角色的審美價值賦予動漫化設計，如何將視覺審美與傳統元素通過創意設計的方法有效銜接，通過動畫的語言詮釋川劇人物獨特的表演韻味。利用Xsens MVN 慣性運動捕捉技術，對真實演員的表演動作進行采集，并使其應用于動畫中的數字角色。將動畫技術與川劇相結合，使川劇這一非遺文化在新時代背景下煥發出獨特的魅力。

動畫制作是需要團隊合作的活動，需要遵循一定的流程才能確保動畫作品的質量。角色的動作采集也要遵循一定的標準才能達成。“川劇經典人物動作數字化”項目中涉及的角色動作均采用了Xsens MVN 慣性運動捕捉技術。以下是通過“川劇經典人物動作數字化”的實踐過程，歸納研究的慣性動作捕捉融入教學實踐中的方法。

首先需要使學生明白動作捕捉的環節，熟悉各個設備的功能和使用方法，并學會使用動作捕捉服裝的穿著要點和注意事項，再學會動作捕捉軟件的操作步驟和方法、演員表演及動作數據的采集、后期數據的格式轉換和修復等等。

（一）確定演員，進行角色分組

規劃并設計角色動作，包括動作的類型、幅度、運動范圍等具體內容的構思。“川劇經典人物動作數字化”在動作設計上反復觀摩經典曲目，觀摩角色的表演，學習整體體態，揣摩行為舉止，豐富內心，再將這些內容用自己的表演外化表達出來。川劇角色動漫化，既需要保持川劇本來的味道，還需要把握動漫角色造型、動作設計的特點。

這個過程需要和動作導演與運動捕捉師反復溝通。動作捕捉師是由動畫專業學生擔任，承擔動作采集，在領會導演創作意圖的基礎上，負責采集動作演員的具體動作。

（二）采集溝通

這個環節需要動作捕捉師協同動作導演來完成。實際表演和采集過程，根據監視器實時顯示的演員的狀態、動作的效果，及時調整，增加整個流程的準確性和可控性。

（三）捕捉實施

為了節省實際捕捉中不必要的資源損耗以及時間，參與捕捉的演員在運動捕捉師的指導下，提前熟悉并排練動作。待演員熟悉動作后，運動捕捉師就能夠通過Xsens MVN 運動捕捉系統對演員表演的動作進行采集了。

具體動作捕捉的流程方案如下：

1.環境的布置。需要準備一間實驗室，室內盡量不要有太多金屬物體，以免捕捉系統的電磁信號受到干擾，產生數據錯誤。

2.穿著捕捉服。這種服裝內部放置了17 個獨立無線慣性傳感器，它們體積微小，分別藏于角色的肩、肘、腕、趾等關節位置。這些傳感器是動捕的核心部分，負責將角色動作進行采集，并以無線的方式與計算機上的軟件實現通信。

3.運動捕捉環境布置好后，軟件系統需要通過演員固定姿勢的測試，來實現捕捉系統對角色動作的校準。這些固定姿勢分別為T-Pose、N-Pose、屈膝等。在測試的過程中，若演員擺出的姿勢與系統指定姿勢不同，則動作采集無法繼續，需要重新開始測試直至通過。

4.校準通過后，開始正式的動作采集工作。在MVN Studio軟件中可實時觀察到需要捕捉到的動作。運動捕捉并非每次記錄都是令人滿意的，我們需要在采集過程中通過MVN Studio 進行實時檢測，判斷是否符合前期動作設計的要求，如不符，則須重新錄制。

5.運動捕捉完成后，將采集到的動作數據通過MVN Studio軟件轉換為BVH 格式的動作文件。這種格式的文件與三維軟件中的骨骼系統實現無縫對接，可以被Maya、3ds Max、等動畫軟件所支持，使三維角色呈現出逼真、連貫的動作。

（四）數據處理與修正

運動捕捉的動作盡管比動畫師手調動作更易于實現，但這種技術仍會出現一些客觀問題。最典型的是捕捉后的關鍵幀過于繁雜密集，這就需三維動畫師在軟件中以手動的方式進行再次修正。這項工作主要是減少冗長的關鍵幀、優化動作數據、修正動作細節三方面。

（五）與角色模型適配

將采集的數據導入3ds max 或Maya 等三維軟件中，進行修幀和補幀后，將其轉化為動作數據，并將數據適配給已完成骨骼綁定的角色，給動畫角色賦予動作捕捉的內涵和概念。

（六）建立動作庫

由于動作捕捉系統已為角色動作的生成創造了必備的關鍵幀，在原有關鍵幀的基礎上，對角色動畫進行再次編輯就方便多了。最終，把修正好的動作進行分類并且存儲建庫。這種動作數字化的創作方法極大提高了動畫制作的效率。“川劇經典人物動作數字化”動作庫的創建會為后續川劇動漫化動畫作品的制作節約大量成本。

結語

本文介紹了Xsens MVN 慣性動作捕捉技術和三維軟件相結合的三維角色動畫教學方法，并將這種方法用于教學實踐。和傳統的完全依靠動畫師手動調節角色運動參數，借助Xsens MVN 慣性動作捕捉技術，能夠大大提高三維角色動畫的制作效率和效果。從我們的教學實踐看，利用Xsens MVN 動作捕捉技術和三維軟件相結合的方法，在課程教學實踐中收到了非常不錯的效果。將這種新方法引入到教學中，利于學生高效掌握角色動畫制作流程，提高學生的學習興趣，值得進一步推廣。

不過，應用Xsens MVN 慣性動作捕捉技術和3ds Max 軟件相結合的方法制作三維角色動畫，也存在新的挑戰。尤其是采用類似Xsens MVN 這樣基于慣性的動作捕捉技術，密集放置的傳感器并不方便，對于大范圍的行走和奔跑等，在一些具有挑戰性的姿態上還需要精心控制節奏和幅度，來記錄足夠的運動信息，在某些時候采集下來的數據會出現上臂莫名旋轉的問題；另一方面，對于捕捉類似手指關節運動、面部表情等細節，技術上很難實現。往往對于這些細節處，仍需人工在三維軟件中進行微調，修復相關骨骼動作。因此，為了調整這些細節，可能也會出現耗時、耗力的情況。

在三維動畫教學中引入Xsens MVN 慣性動作捕捉技術和三維軟件進行整合，通過Xsens MVN 慣性動作捕捉技術，使表演者的動作和模型的動作產生聯動，生成關鍵幀，然后利用關鍵幀制作動畫。并把這種方法應用到實際教學中，可以大大提高角色動作設計制作的效率，而且學生可以直接作為動作捕捉演員，通過自己對角色的理解和分析，直觀地表演出角色的年齡、性格等等，增加參與感，大大增加學生的學習興趣，使學生更加專注于動作的設計和創新。同時，最后完成的動作效果也再利用手動調節關鍵幀的方法進一步完善，效果和效率都會得到大大提升。

但大多數情況下，借助Xsens MVN 慣性動作捕捉技術，設備簡單、使用便捷、使用場景廣泛的優勢，可以快速地獲得骨骼動作信息，做出逼真的三維角色動畫，值得在教學實踐中進行推廣。