動作捕捉技術在三維動畫設計中的應用與項目實踐探究

摘要：目的：傳統三維動畫設計由動畫師手動調節和設置關鍵幀，最終呈現的人物角色動作和表情不夠自然和真實。因此，探討動作捕捉技術在三維動畫設計中的應用具有重要意義。方法：文章闡述動作捕捉技術從無到有、從基礎應用到成熟普及的發展歷程，分析動作捕捉技術在三維動畫設計中的應用流程，并以產教融合動畫項目《紅棉少年 筑夢傳承》為例，依次對角色建模、材質貼圖、綁定蒙皮、動作捕捉拍攝、動畫制作及優化處理等進行技術應用分析。結果：動作捕捉技術在三維動畫設計中的應用，有效改善了人物角色動作和表情刻畫呆板、失真的現象，提升了三維動畫設計與制作的效率和準確度，縮短了項目制作周期，節約了動畫制作過程中的人員精力與時間成本。動作捕捉技術等數字化軟件設備顛覆了傳統三維動畫制作的流程及工藝表現，推動了三維動畫美學維度由“失真”向“真實”方向發展。結論：動作捕捉技術的應用有效解決了傳統三維動畫設計制作周期長、拍攝成本高、人員工作強度大等問題，極大地提升了動畫制作的效率，強化了動作真實感，高效呈現場景、人物及其交互動作等，使三維動畫創作更高效、更自由、更省力。

關鍵詞：動作捕捉技術；三維動畫；應用流程；項目實踐

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）09-00-03

1 動作捕捉技術的發展歷程

動作捕捉技術是一種通過捕捉真實世界中的人物或物體的運動數據，并將其轉化為數字信號的技術。動作捕捉技術最早可以追溯到1915年，法國科學家艾蒂安-朱爾·馬雷發明了攝影槍，用于記錄動物和人類的運動。隨著電影技術的發展，動作捕捉技術被用于動畫片制作，如迪士尼公司在制作《白雪公主》時，使用旋轉盤和線纜系統嘗試捕捉演員的動作。動作捕捉技術的商業化普及開始于20世紀末期，1999年科幻電影《星際迷途：反叛者》就使用動作捕捉技術完成了部分特效場景；2002年由彼得·杰克遜執導的奇幻片《指環王：雙塔奇兵》公開上映，影片拍攝團隊使用了光學動捕技術，演員安迪·瑟金斯化身為虛擬角色咕嚕，與其他演員產生情境互動［1］。

隨著計算機圖形學和傳感器技術的迭代革新，動作捕捉技術得到顯著提升，其分辨率更高，采樣速度更快，系統配置更靈活。2009年，由詹姆斯·卡梅隆執導的科幻電影《阿凡達》開拓了動作捕捉技術的應用領域，即虛擬場景制作與角色表演捕捉［2］。當前動作捕捉技術已被廣泛應用于各類科幻電影、動漫番劇、動漫數字人以及虛擬偶像IP等領域，獲得了廣泛認可和好評，知名IP動畫項目《凡人修仙傳》《戰千年》《誅仙》《眷思量》等都對其進行了應用。

2 動作捕捉技術應用于三維動畫設計的優勢

傳統的三維動畫設計與制作需要動畫師團隊以分鏡頭設計為參考，手動調節人物角色的動作和表情，并在時間線上設置關節幀，最終呈現的人物角色在動作和表情上不夠自然和真實。動作捕捉技術在三維動畫設計中的應用，有效解決了人物角色動作和表情刻畫呆板、失真的問題，同時提升了三維動畫設計與制作的效率和準確度，縮短了制作周期，進一步節約了動畫制作成本。此外，積累以動作捕捉技術記錄的動作數據，可以形成動作捕捉數據庫，為后續在其他場景應用提供便利。

2.1 能使角色動作與表情刻畫更自然

動作捕捉技術的應用大大減輕了三維動畫師的工作強度，實現了對三維動畫作品中人物角色動作和表情的細微刻畫，解決了傳統三維動畫作品失真的問題，使角色表演更自然、更生動。例如，2017年由華納兄弟影片公司和騰訊影業聯合出品、喬丹·沃格-羅伯茨執導的《金剛：骷髏島》，其塑造的黑猩猩形象栩栩如生，這就是有效應用動作捕捉技術的經典案例。

2.2 能縮短周期與提高效率

動作捕捉技術的應用有效提高了三維動畫師的工作效率，提高了三維動畫設計的準確性。同時，相較傳統三維動畫師手動K幀，動作捕捉數據使制作效率至少提升了6倍。動作捕捉技術使三維動畫作品的制作周期大幅縮短，進一步節約了動畫制作過程中的人員精力及時間成本，使整個動畫團隊可以將工作重心放在作品的主題創意和視覺呈現上。

2.3 能形成動作捕捉數據庫

采用光學動作捕捉技術獲得動作軌跡和面部表情數據后，動畫師團隊可以進一步優化動捕數據，并對角色動作或表情進行數據重組編輯，形成更多的數據組合；同時將相關數據分類存儲于云端，積累形成動作捕捉數據庫。未來搭建其他虛擬人物角色時，可以基于前期的分類動捕數據，提取對應動作賦予角色表演，特殊動作再另行制訂動捕計劃。隨著動作捕捉數據的積累，后期的三維動畫制作周期可以進一步縮短。

2.4 能推動三維動畫美學維度發展

以人工智能技術、計算機圖形學和傳感器設備為支撐的數字化設備，顛覆了傳統三維動畫制作的流程及工藝表現。動作捕捉技術的迭代更新，推動三維動畫美學維度由“失真”朝“真實”方向有序發展，為觀眾帶來逼真的觀影體驗。

3 動作捕捉技術在三維動畫設計中的應用流程

三維動畫設計與制作具有一定的復雜性，整個動畫制作團隊只有遵循一定的制作工序，才能確保動畫作品的質量［3］。動作捕捉技術在三維動畫設計中的應用技術流程包括三維動畫設計數據準備、動捕方案制定、演員表演數據采集、數據修正處理和動畫制作等。在三維動畫設計中，確保動作捕捉數據精準和全面是整個動作團隊的必修課。

3.1 高質量的動作捕捉設備

針對三維動畫設計對捕捉精度、距離和場景的要求，搭配高端動捕相機，滿足高速運動捕捉、多人場景捕捉需求，如單人表演、武打場景和生物動態模擬等場景。最終實現骨骼、剛體等的影像映射，為三維動畫師提供直觀且精準的動作參考。

3.2 專業的動作捕捉場地

動作捕捉通常需要在特定的場所進行，要求場地光照均勻、空間敞亮，以便動捕相機能在無遮擋的環境下捕捉到所有運動數據。另外，場地內需要設置適當的背景和標記，以便動捕相機追蹤捕捉到有效動作。通常情況下，動作團隊會提前進行場地校準和數據檢驗。

3.3 準確的標記放置

動作捕捉開始前，動作演員需要穿戴緊身的萊卡動捕服飾和放置反光標記點。標記點的放置位置要準確無誤，一般放置在關鍵的關節和肌肉群上，以便準確記錄動作的變化。

3.4 專業的動作捕捉演員

選擇經驗豐富的動作捕捉演員，他們具備良好的身體協調能力和表演技巧，能夠準確遵守導演或動畫師的要求。演員應該接受適當的訓練，了解動作捕捉的流程和要求。

3.5 詳盡的動作捕捉計劃

在動作捕捉前，制訂詳細的動作捕捉計劃，包括所需捕捉的動作序列、鏡頭角度和運動范圍。計劃中應包含對可能出現的問題的預防措施。

3.6 多次重復和驗證

對關鍵的動作進行多次重復捕捉，以確保數據的可靠性。對捕捉到的數據進行實時預覽和驗證，及時調整捕捉參數。

3.7 后期數據處理

使用專業的動作捕捉軟件對原始數據進行處理，包括去噪、平滑處理和運動插值，確保數據處理過程中不會丟失重要的動作細節。

3.8 與動畫師的協作

動畫師應參與動作捕捉的整個過程，提供專業見解，并在必要時對動作數據進行微調。動畫師可以利用動作捕捉數據進一步創作和優化動畫。

3.9 持續的技術迭代

在動作捕捉技術不斷進步的背景下，應持續關注和學習新技術，不斷更新設備和軟件，以提高捕捉的精度和效率。

3.10 質量控制和測試

在動畫制作的各個階段進行質量控制，確保動作數據在整個項目中保持一致和高質量。同時進行充分測試，以驗證動作數據在不同情境下的表現。

4 項目實踐

動畫項目《紅棉少年 筑夢傳承》講述了四名少年學習磚雕、飄色、廣東音樂、沙灣水牛奶傳統小食制作技藝等非物質文化遺產的勵志故事。短片借此勉勵廣大青少年主動肩負起時代賦予的重任，腳踏實地、志存高遠，在實現中華民族偉大復興的中國夢的生動實踐中放飛青春夢想。該項目主要使用Maya軟件完成角色建模、材質貼圖和綁定蒙皮，動畫制作使用K幀和動作捕捉完成，鏡頭渲染使用云渲染技術，后期使用AfterEffects進行鏡頭特效合成，使用Premiere進行鏡頭剪輯并輸出成片。

4.1 角色和場景建模

本項目的角色和場景主要使用Maya動畫軟件平臺完成建模。

四個主要人物均采用三頭身的少年形象，人物建模時盡量貼合原畫設計稿，保證頭身比例關系，確保模型布線合理規范，方便角色動作表演及口型表情呈現。角色五官及運動關節等位置布線相對集中，避免角色關節運動及表情設置時變形或破面，單個角色模型總體面數控制在1萬面左右。設定人物與場景的比例關系，主要場景和街道建模時盡量還原沙灣古鎮的環境特征，模型以塊面為主，關鍵結構做好布線處理。

4.2 材質貼圖

完成建模環節后，在Maya動畫軟件平臺中賦予角色和場景模型基本材質，并完成UV展開；在UV編輯器中進行UV分割、展開、縫合等操作，最后導出UV展開圖，在Photoshop中完成貼圖繪制；將貼圖生成顏色貼圖、高光貼圖、凹凸貼圖等，并將貼圖文件節點鏈接到對應材質球，完成角色和場景模型的材質貼圖環節。

4.3 綁定磨皮

根據角色模型比例及動作演繹需求，為角色創建Human IK骨架系統，依次從腰部、頸部、頭部、手臂、腿部等定義各關節位置，最后進行角色綁定蒙皮，測試模型關節彎曲變形，根據具體需要進行權重擦除或重新綁定測試。

4.4 動作捕捉拍攝

4.4.1 環境準備與設備檢查

為了確保動作捕捉數據的準確性，需要清理場地，移除任何可能干擾動作捕捉的障礙物和反光面，確保場地有足夠的運動空間。檢查所有的動作捕捉設備，包括動捕攝像頭、傳感器、標記點和相關的軟硬件設備，確保它們處于良好的工作狀態。

4.4.2 系統校準與空間標定

使用Motive軟件完成動捕場地和三維空間坐標的同步設置，具體包括攝像頭位置、角度和焦距，同時校準傳感器的靈敏度。界定動作捕捉空間的舞臺區域，在空間內放置標記點，確保所有動作數據都能被有效識別和跟蹤。

4.4.3 服飾穿戴與標記粘貼

動作演員穿戴緊身的萊卡服飾，并依次在腰部、頸部、頭部、手臂、腿部等關節放置粘貼反光標記點。動作演員擺出T-Pose開始表演后，使用Motive軟件記錄動捕演員的動作表演數據。借助電子展示屏在MotionBuilder平臺實時觀測演員和模型的動作演繹，動作導演和動畫師共同協作，測試動作數據的實時性和準確度。

4.4.4 記錄動作捕捉數據

根據動畫分鏡設計中的角色動作、表情和場景調度，捕捉動作序列、鏡頭角度和運動范圍。對關鍵動作進行多次重復捕捉，以確保數據的可靠性，并在Motive中以FBX文件格式導出；將動作捕捉數據導入MotionBuilder平臺進行動作數據優化處理，并再次以FBX文件格式導出帶有角色骨架的動作數據。

4.5 動畫處理

在Maya動畫軟件平臺中打開對應鏡頭的動畫場景文件，導入MotionBuilder平臺，導出FBX格式文件，將動捕數據文件與Human IK骨架匹對關聯，從而快速賦予角色表演動態。

動畫項目《紅棉少年 筑夢傳承》中四個主要角色走路、奔跑和下蹲等動作就結合了動捕數據進行了參考。由于人物角色是三頭身比例的Q版造型，與真人比例存在一定的差異，為保證角色動作表演的流暢度和準確性，使用真人拍攝的動捕數據關聯角色動畫時，需要局部調節手臂關節、膝關節、手指關節等動作幅度和彎曲角度。

4.6 渲染輸出

三維動畫項目一般依據動畫分鏡頭設計順序，以鏡頭為基礎單位，搭建角色與場景的鏡頭動畫表演，渲染時需要根據虛擬環境空間設定鏡頭和搭建燈光，并分層渲染測試燈光效果。《紅棉少年 筑夢傳承》主要采用單機渲染效果測試，如角色阿炳的奔跑鏡頭，分別渲染測試了第1、5、9、13幀，確保動畫場景搭建的燈光能夠滿足鏡頭動畫的光照效果。分鏡頭測試完畢后，完整的動畫渲染使用云渲染平臺分批完成。

5 結語

當前動作捕捉技術已廣泛應用于三維動畫設計中。探索動作捕捉技術在三維動畫設計中的高質量應用，是未來努力的方向。隨著人工智能技術、計算機圖形學和傳感器等數字化設備及技術的不斷革新，動作捕捉技術的應用場景將更加多元化，應用效果也將更精準。

參考文獻：

［1］ 焦文靜，楊文靜.動作捕捉技術在三維游戲動畫制作中的應用［J］.科技創新與生產力，2022（4）：120-123.

［2］ 焦垚楠.動作捕捉技術在電影領域的應用發展研究［J］.現代電影技術，2020（6）：26-30.

［3］ 柳金輝.運動捕捉技術在三維動畫設計中的應用及發展前景［J］.濟寧學院學報，2024（2）：90-95.

基金項目：本論文為2021年度廣東省教育廳省繼續教育質量提升工程項目“三維動畫設計”研究成果，項目編號：JXJYGC2021EY0290

作者簡介：賴亮鑫 （1982—），男，副教授，研究方向：數字創意設計、三維動畫設計。