影视动漫新革命—运动捕捉技术

• 关键词：运动捕捉,动作捕捉,OptiTrack,natural,point
• 作者：凌云光技术
• 摘要：运动捕捉就是捕捉演员表演时的动作，然后把这些动作同步到电脑中的虚拟角色上，使虚拟角色的动作和真人毫无差别，以达到逼真、自然的效果。到目前为止，常见的运动捕捉根据原理，可分为机械式、声学式、电磁式、光学式和惯性导航式，不同原理的技术各有优缺点，然而从技术性能表现来看，光学式是几种运动捕捉中最好的技术手段，也是目前应用最为广泛、发展最为成熟的运动捕捉技术。

我们生活在一个科技高速发展的世界里，面临着数字时代，各行各业都在与科技高度融合，借助数字技术乘风破浪，带来无限可能的发展机遇。运动捕捉，一种提供运动物体三维空间运动状况的技术手段，在CG特效、虚拟现实、人机工效、仿真训练、生物力学等领域的应用或研究方面，不断地发挥光和热，创新地创造出影响行业的价值。

迄今为止，运动捕捉技术的价值主要体现在影视动画行业中。我们先来看看，动画行业发展的几个阶段：

阶段一：定格动画

定格动画师将木偶、黏土偶角色每帧都摆一个略微不同的动作，然后逐帧拍摄，就形成了连续的活动影像。这种技术最早出现在1897年的动画短片《矮胖马戏团》中，在1933年版的《金刚》中大放异彩，在1963年的《杰逊王子战群妖》中达到巅峰。但由于这种技术要求动画师在每一帧都要摆放角色造型，因此非常费时费力。

阶段二：机械模型

上世纪80年代，机械、无线电技术的发展催生出一种新的动态木偶形式，这便是以斯坦�温斯顿为代表的特效师所制作的机械模型。这种技术的代表作便是《终结者》(1984)，拍摄时特效师使用了全尺寸的机器人模型，通过遥控、机械操作等方式使其运动起来。但这种技术的缺点是角色的动作不是特别流畅，设计制作难度大，操控复杂。

阶段三：逐帧转描

在动画片领域，很早就出现了将真人表演转换为角色动画的逐帧转描(rotoscope)技术。1937年迪士尼出品的《白雪公主》中，动画师们便是依靠逐帧临摹演员表演片段来绘制动画中的角色动作。这一技术后来也被用于《指环王动画版》、《美女与野兽》、《电子世界争霸战》等影片中。这种技术的缺陷是逐帧绘制工作量巨大，而且只能得到二维信息。

运动捕捉技术的出现完全克服了上述三种技术的缺陷，其最大的优势就是提高动画制作效率，同时能够带来最细腻的人物动作和表情，给观众带来逼真的视觉效果，更具画面感染力，这种科技保障让导演能够全身心投入影片内容的讲述，能够更加自由地创作故事情节。

2009年，一部旷世奇作《阿凡达》问世，它在电影技术史上占据不可替代的地位，也是运动捕捉技术在影视制作应用中走向成熟的重要里程碑。也正因为《阿凡达》的成功，使得运动捕捉技术在影视动漫中的应用越来越广泛，与此同时运动捕捉技术在稳定性、操作效率、应用弹性以及降低系统成本等也得到了迅速提高。

什么是运动捕捉技术?

简单来讲，运动捕捉就是捕捉演员表演时的动作，然后把这些动作同步到电脑中的虚拟角色上，使虚拟角色的动作和真人毫无差别，以达到逼真、自然的效果。到目前为止，常见的运动捕捉根据原理，可分为机械式、声学式、电磁式、光学式和惯性导航式，不同原理的技术各有优缺点，然而从技术性能表现来看，光学式是几种运动捕捉中最好的技术手段，也是目前应用最为广泛、发展最为成熟的运动捕捉技术。

光学运动捕捉基于计算机图形学原理，从理论上说，对于三维空间中的一个点，只要这个点能同时为两部摄像机所见，则根据同一时刻两部摄像机所拍摄的图像和对应参数，可以确定这一时刻该点在三维空间里的位置信息。当摄像机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。利用这个原理，通过对目标物体上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。

运动捕捉系统的组成

运动捕捉技术是怎么组成的?它是如何工作的?我们以Opititrack光学全身运动捕捉系统为例为大家做一个详细的诠释：

系统的部件构成如下表所示：

除此之外还需要一些如相机支架、安装云台、三脚架等。

运动捕捉系统搭建：

首先要将这些器件组成一套完整的运动捕捉系统，以常见的6相机系统搭建为例，第一确定运动空间，相机最好以运动空间中心位置呈中心对称状分布，并且保证每个相机都能捕捉到全部运动空间，一般根据捕捉的人数以及精度要求的不同，搭建空间范围也可以任意调整。

空间标定：

系统搭建完成后，就要做相应的空间标定工作，空间标定包括两部分，1、相机空间位置标定，确定某个捕捉点在不同相机中的二维信息以及相机的位置关系;2、自定义世界坐标XYZ轴以及原点，建立一个世界坐标系，将捕捉点在某台相机中的二维位置信息转化为世界坐标系的三维位置信息。

虚拟人物的模型创建：

标定工作结束后，身穿带有特殊标记点服装的真实人物就可以进入捕捉空间进行模型创建，即将现实中人物的每一个标记点对应到虚拟摸行当中去。创建结束后，你会发现你的动作和虚拟模型的动作实现了同步，这样真正的捕捉工作就可以进行了。

数据输出：

动作捕捉完成后，就要输出相应的数据进运用到后期的处理和制作当中。Opititrack运动捕捉系统的Arena软件可以输出多种格式三维数据，例如C3D、BVH等常见的三维数据格式，另外Arena可实时输出数据到Motionbuilder软件中。

这就是一套完整的运动捕捉系统的工作流程，当然表情捕捉与动作捕捉的原理完全一样，唯一不同的地方就是把身体上的标记点转移到人物的脸上。

这套Opititrack光学运动捕捉系统为了适应用户越来越高的要求还新增一键建模、手指捕捉和多人捕捉等功能，运动捕捉数据更加精细，软件界面和操作流程更加简单，真正能够实现影视动漫的新革命。

性能特点：

键完成骨骼标定 一键即刻标定骨骼，并支持多人同时标定，带来史无前例的、快速简洁的用户体验
精确的手指跟踪 采用业界最高精度的3D点数据获取算法，整合全新的运动学标记法，让高精度手指运动与身体运动同步捕获变为现实。
增加跟踪对象个数 运动学标记法经过优化可以跟踪更多对象，支持同步多人运动捕捉。
运动学标记法 采用易于理解的算法解析每个主体的骨骼结构以生成标记点。这种算法提供极其精确的标记点信息，即使在标记点有遮挡的情况下，依然能输出高精度的实时数据。
设置简单 能够减少75%的系统设置时间。辅助瞄准、自动遮蔽、一键创建刚体、通用的硬件以及业内最长传输距离的千兆网口摄像机等性能确保了即便是大型系统也能由一个人轻松搞定。 （右上：辅助瞄准开，右下：辅助瞄准关）

Opititrack运动捕捉系统应用案例

影视动漫

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虚拟仿真