動(dòng)作捕捉技術(shù)在三維游戲動(dòng)畫(huà)制作中的應(yīng)用

焦文靜，楊文靜

（金陵科技學(xué)院，江蘇 南京 211169）

20 世紀(jì)末，動(dòng)作捕捉（動(dòng)捕） 技術(shù)開(kāi)始被關(guān)注，后被應(yīng)用于影視制作中。例如，轉(zhuǎn)描機(jī)技術(shù)是一種動(dòng)畫(huà)家用來(lái)逐幀地追蹤真實(shí)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà)技術(shù)，最早由馬克思·弗雷歇爾（Max Fleischer） 發(fā)明，著名的應(yīng)用有20 世紀(jì)末90 年代初卡通形象貝蒂娃娃（Betty Boop） 的舞蹈動(dòng)作以及《格列佛游記動(dòng)畫(huà)版》的制作；在《指環(huán)王》拍攝期間，拍攝工作室使用了光學(xué)動(dòng)作捕捉技術(shù)，演員安迪·瑟金斯（Andy Serkins） 化身為虛擬角色咕嚕（Gollum） 與其他演員互動(dòng)。

《一夢(mèng)江湖》游戲制作分為兩大部分，即建模與動(dòng)畫(huà)。動(dòng)畫(huà)主要依靠動(dòng)捕來(lái)完成，例如游戲人物的打斗和日常動(dòng)作。項(xiàng)目從初期籌備至完成，制作者需要不斷地跟進(jìn)與學(xué)習(xí)，記錄一套完整的動(dòng)作捕捉流程。動(dòng)作捕捉技術(shù)被分為機(jī)械式、聲學(xué)式、電磁式、慣性導(dǎo)航傳感器式和光學(xué)式。

機(jī)械式動(dòng)捕的優(yōu)點(diǎn)在于成本較低、精度較高，但缺點(diǎn)也很明顯，即其裝置結(jié)構(gòu)會(huì)影響表演者施展動(dòng)作，并且難以用于動(dòng)作的不間斷捕捉。聲學(xué)式動(dòng)捕在時(shí)間上有延遲，系統(tǒng)的反應(yīng)能力較差，記錄值與真值有誤差。電磁式動(dòng)捕的優(yōu)點(diǎn)在于它記錄的是六維信息，不僅能得到表演者所在的位置信息，還能得到其方向信息，缺點(diǎn)是對(duì)環(huán)境有著嚴(yán)格的要求，表演的場(chǎng)地不能存在金屬物品，否則電磁場(chǎng)會(huì)有差異，影響捕捉的精確程度，系統(tǒng)對(duì)于表演者的活動(dòng)范圍限制較大，且不能有過(guò)于激烈的動(dòng)作[1]。慣性導(dǎo)航傳感器式動(dòng)捕不受環(huán)境的限制，戶(hù)外和狹小空間等都可使用，裝置還可以隨身攜帶，但位置精度相對(duì)較小。光學(xué)式動(dòng)捕分為主動(dòng)式和被動(dòng)式，被動(dòng)式被稱(chēng)作光學(xué)式非標(biāo)定動(dòng)捕，是指由多個(gè)高分辨率紅外攝像機(jī)從不同角度對(duì)物體進(jìn)行跟蹤和監(jiān)視，表演者不需要穿戴專(zhuān)業(yè)的設(shè)備，但對(duì)場(chǎng)地有較高要求；而主動(dòng)式光學(xué)動(dòng)捕技術(shù)不需要采用攝像機(jī)，主要應(yīng)用于對(duì)捕捉實(shí)時(shí)性要求較高的領(lǐng)域，主動(dòng)式和被動(dòng)式光學(xué)式動(dòng)捕是互補(bǔ)存在的關(guān)系。

1 項(xiàng)目概述

《一夢(mèng)江湖》是網(wǎng)易游戲開(kāi)發(fā)的一款國(guó)民級(jí)武俠RPG 手游，它以出色的冒險(xiǎn)劇情、新穎的宗派玩法和藝術(shù)效果帶來(lái)了更加自由奔放的武俠世界。武俠世界中，打斗是最主要的動(dòng)作表達(dá)，K 幀不能完全展現(xiàn)動(dòng)作美感，真實(shí)鮮活的動(dòng)作表達(dá)需要依靠動(dòng)作捕捉來(lái)完成。該項(xiàng)目主要使用Maya，Vicon，3DsMax 等軟件完成建模渲染和動(dòng)作捕捉，大致操作為：首先通過(guò)Maya 來(lái)建模并進(jìn)行骨骼綁定和蒙皮處理，其次通過(guò)動(dòng)作捕捉獲取動(dòng)作數(shù)據(jù)并將其導(dǎo)入到Vicon 進(jìn)行優(yōu)化，然后將優(yōu)化完成的數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型，最后使用模型模擬相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

通過(guò)矩陣節(jié)點(diǎn)分析Maya 動(dòng)畫(huà)制作過(guò)程中的難點(diǎn)內(nèi)容。在Maya 動(dòng)畫(huà)制作過(guò)程中，所有物體的三維顯示是由軟件自動(dòng)計(jì)算實(shí)現(xiàn)。當(dāng)變換對(duì)象移動(dòng)時(shí)，矩陣運(yùn)算需要疊加，只能通過(guò)錯(cuò)切、旋轉(zhuǎn)和縮放來(lái)優(yōu)化矩陣[2]。“離散布”的案例研究是通過(guò)Linstep 函數(shù)計(jì)算出離散布料在平面分布的UV 信息，并利用矩陣變換將信息導(dǎo)入軟件節(jié)點(diǎn)，從而進(jìn)一步優(yōu)化矩陣[3]。

布料解算是通過(guò)3DsMax 軟件中的插件來(lái)完成，即人物身體在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，其衣著也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，此時(shí)可通過(guò)一個(gè)布料插件來(lái)進(jìn)行布料的材質(zhì)解算。身體與衣著會(huì)產(chǎn)生穿模現(xiàn)象，解算前需要根據(jù)其運(yùn)動(dòng)關(guān)系K 好關(guān)鍵幀，使其符合物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后選中根部之外的子級(jí)，調(diào)整合適的布料硬度和擺幅來(lái)完成布料解算。見(jiàn)圖1。

圖1 《一夢(mèng)江湖》動(dòng)捕花絮

2 項(xiàng)目制作

2.1 角色建模

三維動(dòng)畫(huà)中的人物和場(chǎng)景需要依靠3D 建模軟件來(lái)完成。人物建模需要考慮跑動(dòng)時(shí)流暢度和打擊感的同時(shí)盡量貼合原畫(huà)[4]。建模師在建高模時(shí)會(huì)先建出一個(gè)大致的粗模，然后由簡(jiǎn)入細(xì)，再由細(xì)入簡(jiǎn)。游戲模型要求保持四邊面，并將不可避免的三邊面置于不重要的位置。因?yàn)槊善み^(guò)程中模型會(huì)發(fā)生變形，四邊面模型會(huì)發(fā)生表面突起現(xiàn)象，導(dǎo)致表面不平滑；而三邊面模型運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生整個(gè)部位突起。模型的面數(shù)越多，模型表面就越光滑。游戲建模的面數(shù)沒(méi)有具體的要求，但考慮到移動(dòng)端的運(yùn)算內(nèi)存限制，建模面數(shù)應(yīng)盡量做到最精簡(jiǎn)。高模建成后，由于高達(dá)1 000 多萬(wàn)的面數(shù)不適用于移動(dòng)端游戲，因此建模師會(huì)進(jìn)行烘焙，將面數(shù)較低的模型貼合高模，從而得到低模。低模經(jīng)過(guò)上色、UV 貼圖和渲染后便可以添加動(dòng)作。模型運(yùn)動(dòng)需要在關(guān)節(jié)處布3條以上的環(huán)線，例如眼皮與眼眶周?chē)鶕?jù)眼輪匝肌形狀要布環(huán)型線，并形成3 個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，否則特殊表情動(dòng)作會(huì)使眼部動(dòng)畫(huà)變形穿幫。

由于角色模型會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，因此服裝建模會(huì)對(duì)動(dòng)作產(chǎn)生較大影響。《一夢(mèng)江湖》中對(duì)于滄海角色少女體態(tài)的表達(dá)，需恰當(dāng)處理人體、骨骼和服裝之間的關(guān)系，避免模型運(yùn)動(dòng)中貼圖出現(xiàn)裂紋、邊緣不貼合和模型間融合不佳等問(wèn)題。

2.2 角色蒙皮

為了使角色完成所需的動(dòng)作，必須先將相應(yīng)的骨骼綁定到角色模型上，這個(gè)綁定的過(guò)程稱(chēng)為蒙皮。根據(jù)項(xiàng)目要求，《一夢(mèng)江湖》使用3DsMax 來(lái)進(jìn)行骨骼綁定，見(jiàn)圖2。

圖2 模型蒙皮制作

首先，建立一個(gè)Biped 骨骼，通過(guò)創(chuàng)建圖形（Figure） 及設(shè)置其參數(shù)對(duì)應(yīng)角色模型。然后，根據(jù)前視圖與右視圖調(diào)整模型與Biped 骨骼的位置，調(diào)整完退出Figure。此時(shí)，要在封套“參數(shù)”卷展欄中使用Biped 創(chuàng)建模型骨骼，由于大幅度的運(yùn)動(dòng)會(huì)使模型產(chǎn)生撕裂、變形和扭曲，因此需要為不同部位的關(guān)節(jié)設(shè)置封套，為不易受力影響變形的部位設(shè)置剛性封套，為易受力影響變形的部位設(shè)置可變形封套，有些關(guān)節(jié)部位需要打開(kāi)連接關(guān)節(jié)的兩塊骨骼封套。調(diào)整好關(guān)節(jié)處封套的頂點(diǎn)設(shè)置權(quán)重并逐步調(diào)整權(quán)重值，使模型的關(guān)節(jié)變形過(guò)渡合理，蒙皮才算完成。

2.3 動(dòng)作拍攝

2.3.1 場(chǎng)地校準(zhǔn)

現(xiàn)實(shí)中，動(dòng)作捕捉場(chǎng)地不能做到絕對(duì)的抗反射，動(dòng)作捕捉軟件會(huì)顯示反光點(diǎn)異常。因此，需在正式拍攝前先調(diào)整軟件，屏蔽異常反光點(diǎn)以降低解算的差異性；然后粘貼標(biāo)記點(diǎn)，并確保標(biāo)記點(diǎn)能被至少3 個(gè)攝像機(jī)識(shí)別到；再通過(guò)掃描面板和每個(gè)攝像機(jī)檢測(cè)當(dāng)前掃描場(chǎng)的標(biāo)記點(diǎn)的采樣數(shù)量、覆蓋率和質(zhì)量判斷，掃場(chǎng)時(shí)注意不要快速揮動(dòng)掃場(chǎng)桿，盡量不要和地面產(chǎn)生摩擦或者碰撞，以確保動(dòng)作捕捉的精確性。

2.3.2 系統(tǒng)校準(zhǔn)

理論上，通過(guò)兩個(gè)關(guān)節(jié)標(biāo)記點(diǎn)就可以確定一個(gè)相鄰的標(biāo)記點(diǎn)的位置。但在實(shí)際演算中，關(guān)節(jié)標(biāo)記點(diǎn)有被遮擋的可能性。因此，在光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉時(shí)，需要配置幾個(gè)高頻攝相機(jī)加以輔助。使用標(biāo)定點(diǎn)，利用動(dòng)捕軟件準(zhǔn)確地計(jì)算出鏡頭的所在位置和角度，建立攝像機(jī)的三維坐標(biāo)，以便更準(zhǔn)確地對(duì)動(dòng)作進(jìn)行捕捉[5]。

動(dòng)捕場(chǎng)地基本可分為兩大區(qū)：現(xiàn)實(shí)場(chǎng)地拍攝區(qū)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制區(qū)。現(xiàn)實(shí)場(chǎng)地拍攝區(qū)就是動(dòng)捕演員進(jìn)行表演的場(chǎng)地，場(chǎng)地外會(huì)有顯示Motion－Builder 模型的電子屏幕，將模型與演員的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)展示，動(dòng)作導(dǎo)演與策劃等人員可通過(guò)屏幕觀看并進(jìn)行討論，鏡頭的記錄也更便捷；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制區(qū)則是記錄動(dòng)作數(shù)據(jù)的場(chǎng)地，拍攝區(qū)的畫(huà)面會(huì)被實(shí)時(shí)傳入控制區(qū)，計(jì)算機(jī)會(huì)顯示Vicon 演員模型和MotionBuilder 人物模型實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。

2.3.3 重置空間

將鏡頭與實(shí)際場(chǎng)館進(jìn)行對(duì)比、校對(duì)，再次粘貼標(biāo)記點(diǎn)即可重新確定虛擬空間與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)地的大小比例。

2.3.4 粘貼標(biāo)記點(diǎn)和創(chuàng)建骨骼

演員穿上特制的萊卡服裝，在關(guān)節(jié)、臀部、肘部和手腕等關(guān)鍵部位貼上標(biāo)記點(diǎn)。標(biāo)記點(diǎn)的型號(hào)也有要求，3 mm，4 mm 的標(biāo)記點(diǎn)用于面部和手部捕捉，9 mm，12 mm 的標(biāo)記點(diǎn)用于全身捕捉，12 mm，20 mm 的軟標(biāo)記點(diǎn)應(yīng)用于有接觸碰撞的表演動(dòng)作，而25 mm，35 mm 和50 mm 的標(biāo)記點(diǎn)則應(yīng)用于大的場(chǎng)地。粘貼完標(biāo)記點(diǎn)后，演員擺出T-Pose 開(kāi)始表演，錄入數(shù)據(jù)后方可創(chuàng)建骨骼點(diǎn)。

2.4 動(dòng)畫(huà)處理

通過(guò)Vicon Blade 軟件的通用骨骼模板制作出與演員匹配的骨骼，將收集到的三維運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到模板中，就可以將拍攝的動(dòng)作轉(zhuǎn)化為模型骨骼的運(yùn)動(dòng)了。如果未對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，則會(huì)導(dǎo)致模型局部抖動(dòng)，部位丟失。例如《一夢(mèng)江湖》中滄海角色的二技能“斗牛墟”，角色反手握武器，身體前傾，向前方進(jìn)行二連突刺。此時(shí)，手部與腳部的骨骼點(diǎn)很容易產(chǎn)生抖動(dòng)或丟失，如果未進(jìn)行骨骼點(diǎn)修正，角色模型會(huì)出現(xiàn)肢體塌陷、關(guān)節(jié)位移和動(dòng)作頻繁抖動(dòng)等問(wèn)題，導(dǎo)致手指與武器連接出現(xiàn)穿模、手部彎折、腳指頻繁抽搐等。這是因?yàn)槭褂脛?dòng)捕拍攝會(huì)生成大量的關(guān)鍵幀，需要手動(dòng)減少多余的關(guān)鍵幀，優(yōu)化動(dòng)作數(shù)據(jù)，修正動(dòng)作細(xì)節(jié)。在動(dòng)捕的拍攝過(guò)程中，動(dòng)作幅度的產(chǎn)生會(huì)使Marker 點(diǎn)被覆蓋，導(dǎo)致錄入數(shù)據(jù)后骨骼點(diǎn)消失，需要拖動(dòng)時(shí)間軸手動(dòng)排查并修補(bǔ)。修補(bǔ)完成后，由于場(chǎng)地不可避免存在反光點(diǎn)，因此錄入的數(shù)據(jù)會(huì)伴隨一些數(shù)字噪點(diǎn)，需將其刪除。確保動(dòng)作完整展現(xiàn)后，需再修改模型因運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生抖動(dòng)位移的骨骼點(diǎn)。完成后，從Vicon Blade中導(dǎo)出FBX 文件，并將文件導(dǎo)入MotionBuilder，兩者相互關(guān)聯(lián)，角色即可合理地動(dòng)起來(lái)，見(jiàn)圖3。

圖3 Vicon Blade 動(dòng)作數(shù)據(jù)優(yōu)化

2.5 渲染輸出

利用MotionBuilder 進(jìn)行初步的動(dòng)畫(huà)制作后，需要隨機(jī)挑選一兩個(gè)動(dòng)作場(chǎng)景進(jìn)行畫(huà)面渲染，來(lái)確認(rèn)動(dòng)作的最終效果是否符合要求。動(dòng)作效果可以用MotionBuilder 直接渲染或者用Maya 進(jìn)行當(dāng)前幀渲染，然后加入適當(dāng)?shù)奶匦А⒁粜Ш凸庥啊４_認(rèn)好所有模型與動(dòng)作數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤后，方可運(yùn)用漫反射貼圖與法線貼圖等素材，通過(guò)Unity3D 引擎進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染。

3 動(dòng)作捕捉技術(shù)應(yīng)用的未來(lái)發(fā)展

隨著國(guó)家大力支持技術(shù)研發(fā)，對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)需求逐步擴(kuò)大，我國(guó)動(dòng)捕技術(shù)在游戲市場(chǎng)的應(yīng)用將更廣泛，與國(guó)外動(dòng)捕技術(shù)的差距也將不斷縮小。《一夢(mèng)江湖》將動(dòng)捕運(yùn)用到了角色打斗、待機(jī)動(dòng)作和日常活動(dòng)上。動(dòng)捕技術(shù)在游戲中多用于打斗，而打斗最需要力量感，單是K 幀很難完全展現(xiàn)一個(gè)動(dòng)作的美感，而動(dòng)捕可以彌補(bǔ)K 幀的不足，將動(dòng)作表現(xiàn)得更加精準(zhǔn)。近年來(lái)，人們熱衷于創(chuàng)造虛擬世界，將動(dòng)捕運(yùn)用到VR 體驗(yàn)中，能使體驗(yàn)者與虛擬世界進(jìn)行交互，無(wú)論是手部的抓拿還是腿部的跑跳，人體都能夠活動(dòng)自如。