淺談三維動畫中角色動畫的數據轉換

劉德新

(中影動畫產業有限公司,北京 101400)

談到角色動畫的數據不得不先來談談動畫工業中角色動畫的動作庫。作為一部動畫片或者動畫電影在動作表演上的基礎保障體系,動作庫中存放了影片中所有角色的標準動作。比如站立、走路、跑步、跳躍、主要角色的標志性動作、不同情緒的表情、說話的口型等。動畫師在工作時根據故事板的內容為動畫角色調用相應的動畫數據,對于表演性很強無法通過動作庫來完成的肢體表演才會進行全新的制作。這樣不僅可以提高工作效率,更大的優點在于能夠更好地保持動畫片中角色表演風格的一致性,這對大團隊參與制作的動畫片來說尤為重要。動畫數據的獲取有兩種方式,一種是著重藝術表現的手工制作 (Keyframe),一種是使用效率優先的動作捕捉技術 (Motion Capture,Mocap),當然通過動作捕捉獲得動畫數據也會由動畫師進行一定程度的調整以提高其藝術表現性。在同一軟件中使用同一套綁定系統進行的動畫數據導入,導出屬于三維軟件內置的基礎功能。而在同一軟件或者不同軟件中,使用不同的骨骼系統或者綁定系統進行的動畫數據轉換屬于間接轉換。

1 動畫數據的獲取

1.1 動作捕捉

動作捕捉系統是指利用外部設備對人體結構的運動進行數據記錄和姿態還原的技術。動作捕捉系統包括硬件和軟件兩部分構成,硬件部分包括剛體標記點、采集設備、傳輸設備以及數據處理設備等,軟件包括系統設置、空間標定、動作捕捉、數據處理以及3D 模型映射模型等功能模塊。動作捕捉作為動畫工業體系中一種重要的動畫制作形式,具有動作表現自然細膩、生產效率高的技術特點,在特效電影、動畫電影、虛擬現實、網絡游戲等不同領域中得到廣泛的使用。

慣性和光學兩種動捕設備雖然基于不同的技術形式,但都為客戶提供完整的解決方案 (圖1)。慣性動作捕捉系統通過穿戴設備中集成了加速計、陀螺儀和磁力計等慣性傳感器捕捉目標物體的運動數據,包括身體各部位的姿態和方位等信息,再將數據通過無線傳輸設備傳輸到處理設備中,將方位信息還原到動畫角色關節上。光學動作捕捉系統通過在演員身上貼Marker點,利用多個高速攝影機從不同角度來捕捉Marker點的準確位移,將數據實時傳輸到數據處理工作站上,通過計算Marker點的空間坐標,使用三角測量原理將數據還原到動畫角色的關節上。

圖1 左圖為慣性導航式動作捕捉系統,右圖為光學式動作捕捉系統

為了能把動作捕捉數據賦予到三維動畫角色上,需要事先在三維軟件 (3DMax、Maya、Blender)中創建角色的簡化版模型并進行基礎的骨架蒙皮制作,獲得一個可以用于接收捕捉數據的基礎綁定文件(無控制器),同時簡化的模型數據有利于提升運算效率。一般情況下,為了第一時間可以看到角色表演的效果,劇組都會傾向于選擇在動作捕捉時將動捕數據連接到比如Motion Builder、UE上,從而得到動捕演員與動畫角色的同步實時表演的效果。

在拍攝動作捕捉時現場導演和動作導演的工作尤為重要,拍攝前需要與動捕演員進行充分交流,使彼此在表演的效果上達成共識。在提高工作效率方面,需要事先對捕捉的動作列出清單,有清晰的拍攝思路,最好有參考視頻,以幫助演員更準確地理解導演的意圖。動作捕捉不僅可以捕捉單人的表演數據,也可以同時捕捉多人的表演數據,在動作捕捉時演員身著動作捕捉設備,在規定的場地范圍內進行表演。在技術層面,動捕演員需要面對的主要問題是由于自身與三維角色身體比例上的差異造成的動作誤差。此外不同難度的動作對數據的收集工作將產生非常明顯的影響,比如演員匍匐或倒地時由于身體遮擋住了某些傳感器,與站姿或坐姿的表演數據相比,質量上一般會存在較為明顯的差異。為了確保在后續工作時數據更安全,復雜的動作會拍攝更多的次數,以得到多個相對滿意的結果。很多情況下在拍攝動作捕捉時也需要考慮角色手中道具的運動數據和攝影機的運動數據,動作捕捉系統也可以通過技術手段同時記錄下它們的運動數據。

1.2 動捕數據的優化

作為不太被注意的一點,在電影電視中看到的動畫角色,動作其實比真人的表演要更夸張,更具節奏感。通過動作捕捉技術所表現的動作風格,即便使用完美的動捕數據,其動畫視覺感受與傳統動畫也有著明顯的差異。造成這一現象的原因是現實中人類表演的動作無法達到動畫理論追求的高度。再者,通過動作捕捉設備獲取演員的運動數據,一般會通過動捕軟件的計算系統進行一定程度的數據優化,以修復數據采集過程產生的抖動、腳步懸空、身體滑動以及滑步等技術問題。經此處理后的動作數據會更加穩定,但在某些動作的細節上可能會受到一定程度的弱化,導致前面提到的真人表演與動畫理論間的“誤差”進一步被拉大。如果影片的藝術風格偏向傳統動畫理論,對角色的精細表演、夸張表演、極限動作表演、極限速度表演有需求,或者單靠演員和動捕設備無法滿足全部的表演需要時,必須由動畫師參與進來,根據導演的指示進行二次的動畫創作,或基于現有數據或完全手工制作。

1.3 從動作捕捉數據到角色骨骼動畫的數據流轉換

以光學動作捕捉系統為例,演員身著帶有Marker點的捕捉服,這些點在演員身上的排列遵循三角測量原理,可以將每三個在空間中的Marker點設置成一個三角平面,架構出身體不同的組成部分。如手部的三個Marker點可以安放在手背上的食指根部、小拇指根部和手腕處,這樣就形成了一個三角形平面。動捕軟件系統會記錄每個被標注的三點平面,通過高速攝像頭記錄下演員在表演過程中Maker點移動的數據。Marker點的移動數據會反應到動畫角色關節的旋轉數據上,實現動畫角色的表演。通過動作捕捉軟件的錄制功能,數據處理設備會記錄下每一幀全身的Maker點的空間信息,最終每套動作都會作為一個獨立而龐大的數據信息保存起來。

在光學動作捕捉技術中,數據記錄的是Marker點在三維空間里位移的動畫信息,支持FBX 文件格式。這些Marker點在不同的軟件里顯示的狀態也不一樣,比如在Motion Builder中顯示為Marker點,在Maya中會轉換成定位器來顯示。慣性捕捉技術提供將動捕數據直接連接到Maya的數據接口,減少了數據轉化的步驟。筆者并不傾向于直接使用實時技術記錄的動作捕捉數據,因為實時數據并沒有經過優化處理,屬于一種“初級數據”。

常見的生產流程中,光學動作捕捉數據生產的文件一般會導入到類似Motion Builder這樣的軟件中以實現與動畫角色的數據連接,使捕捉數據中的Maker點信息連接到此類型軟件提供的Actor上(圖2),以恢復真實世界中演員的表演。然后將Actor的表演連接到動畫角色的骨骼蒙皮文件上,通過重定向 (Retargeting)技術可以將Marker點的運動數據盡可能精確地還原到不同比例,不同形象的動畫角色骨架上,使得只需要少數動作演員參與即可完成整部電影的動作數據采集工作(圖3)。

圖2 左圖為設置好的Marker點平面,右圖為用于還原動捕數據的橡膠演員

圖3 同一動作數據在不同角色身上的Retargeting

出于提高生產效率的考慮,盡量減少在不同軟件間進行數據流轉換也是一種重要的手段。堅持在Motion Builder制作最終動畫效果也是一種典型的情況,這種做法實際上是將動捕和動畫制作完全獨立出來,更利于動畫制作的管理。Motion Builder中提供了一套獨立的動畫控制系統,可以勝任動畫電影大部分的制作要求。由于Motion Builder內部無法提供優質的材質、燈光和渲染方案,并且在整個動作捕捉過程中使用的模型精度都非常受限,導致動畫文件并不能滿足渲染需求,最終導致大部分的動畫流程都在此時選擇將動畫數據輸出為只保留骨骼動畫信息的FBX 格式文件。

2 Maya中動作捕捉動畫的數據流轉換

2.1 FBX骨骼動畫數據到角色骨骼的數據流轉換

在大多數動畫公司的制作流水線中,Maya仍然是角色動畫師們的首選軟件。其在綁定和動畫方面的基礎功能和插件工具方面表現得一直非常優秀,擁有著深厚的用戶基礎和技術積累。無論是基于提高動畫表演考慮,還是為模型精度、材質、燈光、渲染,乃至文件裝配等方面的考慮,它都是一個優質的選擇。

為了能夠提供更高質量的渲染效果,在Maya中將使用可以達到電影級別質感的高精度模型和材質。與之相對的,基礎骨骼蒙皮的文件將被帶有復雜功能的綁定文件代替。

對于次要角色或者群眾角色,使用基礎骨骼加高精度模型的搭配也是可以的?；A蒙皮綁定是為符合動作捕捉技術而制作的基礎綁定系統,是為了能夠繼承動作捕捉數據的一種綁定文件。由于使用了相同的骨架,每節骨骼的名稱都一一對應,為角色的基礎綁定文件導入帶有動作的FBX 數據,默認情況下動畫軟件會根據每個關節的名字將FBX 文件中的動畫數據自動替換到角色的相應關節上。在這種綁定模式中,只能通過調整蒙皮骨骼旋轉屬性上的動畫曲線來實現“適當”的動作調整或者強化。

此時,嚴格來說只是一套不完整的骨骼綁定文件,不具備標準意義上的控制系統,無法滿足復雜的動畫調整需要,也不符合動畫師工作的技術標準。完整的角色綁定系統不僅帶有骨骼和蒙皮模型,還帶有正向運動學 (Forward kinematics,FK)控制系統和反向運動學 (Inverse kinematics,IK)控制系統,提供兩種控制模式間的切換 (圖4)。以動作捕捉骨骼的運動方式為例,它是典型的FK。比如動捕數據中雙腳很容易發生滑步現象,或者站在地上不夠穩,這時最好將雙腿的FK 動畫轉換成IK 動畫就可以消除上述不良現象了。動畫師在工作中會按照動作需要在以上兩種模式中選擇合適的控制方式。為了讓數據流轉換后的動畫角色在表演方面有更好的控制力,一個進階的處理方式是將FBX 骨骼動畫數據傳遞到完整的角色綁定系統的控制器上。

圖4 用于動作捕捉的蒙皮骨骼,正向運動控制系統 (FK),反向運動控制系統 (IK)

2.2 FBX骨骼動畫數據到完整角色綁定系統的數據流轉換

在Maya中所謂FK/IK 切換,表示一段動作的一部分使用FK 來制作,一部分使用了IK,在整個過程中兩種控制模式分別負責完成不同特點的動作。FK/IK 切換可以是全身,也可以是一只手臂或一條腿。傳統意義上的切換控制模式需要花費10幀動畫或者1幀動畫兩種。

在Motion Builder或者Maya的Human IK 中,提供了新的切換方式。它將角色IK 控制器系統中記錄的每一幀動畫數據轉化到某種形式的變量中,再把這些變量轉化為FK 控制器的動畫曲線。以達到兩種控制系統的動畫完全一致的結果。反之亦然。

在Maya中提供的Human IK 系統,幫助用戶完成從FBX 骨骼動畫數據到角色綁定系統的數據流轉換。此系統參考了很多Motion Builder的操作思路,可以將FBX 骨骼動畫數據中的各個關節與角色綁定系統的FK 控制器逐個鏈接在一起,再將各FK控制器上的動畫數據進行烘焙動畫 (Bake Animation),從而實現到IK 控制器動畫數據的轉換。盡管表面上看其內容都可以歸屬到動畫師的工作范圍內,但是Maya系統內嵌的Human IK 系統在學習和使用上都與Maya有著明顯的區別。實際工作中能同時擅長使用Motion Builder和Maya的動畫師人數相對要少很多,Human IK 系統在Maya用戶中的接受度也深受此影響。

隨著使用Python語言的Maya用戶不斷增多,使用Python 語言來解決問題的情況也越來越普遍。2020年筆者參與了取材于抗美援朝英雄事跡的三維動畫電影《最可愛的人》的綁定、動作捕捉、數據轉換工作?；谠贛aya綁定和動作捕捉中積累的工作經驗,隨著對Motion Builder和Human IK 工作原理逐步深入的理解,以及在工作中的不斷摸索,筆者為項目組編寫了一個基于Maya流程的動作捕捉數據流轉換工具箱。其主要思路是逐幀提取IK 控制系統中骨骼的旋轉信息,逐幀賦予到FK控制器的旋轉屬性上。反之,逐幀提取FK 系統的骨骼的空間位置信息,逐幀賦予到IK 控制器的移動屬性上。它對以上介紹的動作捕捉數據流轉中的各個技術點進行了詳細的拆分和重新的組合(圖5)。

圖5 動作捕捉數據傳遞到FK 控制器示例,以及筆者編寫的數據流轉換工具箱

如圖5所示,左側為動作捕捉的原始文件,可以看出角色的頭上和身上缺失了很多道具模型,右側為使用了Advanced Skeleton角色綁定系統的標準綁定文件,不僅身體有控制器,帽子、腰帶、子彈袋都添加了綁定控制。工作中,動畫師只需要點擊工具箱中MoCap To Adv的按鈕,就可以完成動作捕捉的骨骼動畫數據轉化為角色綁定的控制器動畫的工作。參考以往合作項目中提供的技術經驗和Human IK 的計算形式,為角色添加了手臂和腿部FK/IK 無縫切換功能。節省了整個團隊需要花費的學習時間,減少了工作步驟,進而提高動畫師整體的工作效率,降低項目執行成本(圖6)。

圖6 動捕數據,角色綁定文件,傳遞動捕數據后的FK 系統,轉化后的IK 系統 (非同一動作截圖)

3 角色動畫數據轉換的新思路

動畫行業技術發展從未停止過。對此筆者有這樣的體會:一方面軟件功能的更新,更多的是受到軟件廠商自身技術發展規劃的影響,不同軟件間的技術傾向愈發明顯。另一方面動畫制作流程的優化,更多是受到動畫制作公司對自身生產流程不斷完善的影響,很多改善流程提高工作效率的腳本或者工具大多出自動畫制作公司。在不同的三維軟件中角色動畫數據的轉換原理和操作步驟基本是同樣“繁瑣”的,區別在于如何更好地優化工作流程,減少手工操作。

開源軟件Blender受益于Blender基金會的成功運營,大批科技公司參與到Blender的開發當中來,比如AMD、NVIDIA、Facebook、微軟、育碧UBISOFT、Epic Game、unity、Google、Adobe等。

2021年7月,Adobe與著名的角色動畫數據下載網站Mixamo合作,發布了一款基于Mixamo動畫數據的、在Blender中使用的自動綁定插件Mixamo Auto-Control Rig,實現了在Blender內為骨骼動畫數據創建完整控制系統的功能。本次Adobe提供的自動綁定插件基于Mixamo的骨骼規范,基本思路類似于將Mixamo提供的帶有動畫信息的骨骼數據讀入到Blender后,將骨骼上已經存在的動畫關鍵幀提取并存儲為某種形式的變量信息,然后使用Blender提供的綁定程序為該骨骼創建完整的綁定控制系統,最后把存儲在變量中的動畫關鍵幀數據賦給相應的控制器。相比前文提到的使用Maya時的數據流轉換過程有了新的優化思路,在此流程中不再需要分別準備綁定文件和動捕骨骼的動畫數據,而是將動畫骨骼數據直接轉換成完整角色綁定系統。

此外,定位為萬能角色動畫資源庫和動畫效率軟件的Animcraft是角色動畫數據轉換領域的佼佼者。其不僅提供大量優質的動作素材庫,還可以通過軟件內置的重定向功能輕松實現二足、四足、表情資源,在不同的骨骼、綁定、身材、軟件間,按照關鍵幀或者控制器精準互傳,讓動畫數據與角色數據在各種軟件之間順暢分享,靈活轉換。

4 結束語

隨著動畫行業的不斷發展,動畫數據與角色數據在各種軟件之間順暢分享成為現實,在優化工作流程、提高工作效率、降低制作成本方面都會帶來積極的影響。在此,不僅希望有更多的朋友能對動畫行業感興趣,也希望有更多有志之士能參與到中國動畫工業的發展當中來,為改善技術和優化生產集思廣益,以實現更多的自動化為目標,共同促進中國動畫的發展。