基于动画捕获数据的若干计算机动画技术分析*1

房杰

（浙江师范大学杭州幼儿师范学院动画系，浙江杭州　310012）

基于动画捕获数据的若干计算机动画技术分析*1

房杰

（浙江师范大学杭州幼儿师范学院动画系，浙江杭州310012）

运动捕获技术目前已成为制作3D计算机动画的主流方法之一.然而，目前还没有一个能有效解决基于运动捕获技术的、更加高效的3D计算机动画制作方法.基于此，在参阅文献和总结已有计算机动画技术的基础上，全面细致地研究和分析了目前基于动画捕获数据的主要计算机动画技术及应用特点；同时，对其所具有的优势和不足进行列举和探究，并在这个基础上提出新的群体动画设计手段——基于多智能角色的群体动画创作技术，并用实验对此进行佐证，旨在为动画创作提供更加方便、高效的制作方法.

计算机动画；运动捕获；运动编辑；信号和分解；群体动画创作技术

从20世纪90年代开始，人们开始研究运动捕获技术并得到了迅速的发展，在影视、游戏、教育等领域得到了广泛的应用［1］.但如何更加方便、高效地利用运动捕获数据进行动画创作已成为目前迫切需要解决的问题.本文从动画捕获数据的角度出发，分析若干计算机动画技术，提出一种智能群体动画创作技术，希望能为当代动画制作产业的可持续发展提供帮助.

1　基于动画捕获数据的计算机动画技术优势分析

1.1优化真实度

优化真实度是计算机动画技术应用的主要优势之一.在动画作品创作过程中，利用计算机动画技术对真实场景进行模拟和特效制作，为观众营造宏大的视觉场面［2］，并引导观众深入到动画场景中，使其有身临其境的感觉和震撼的视觉享受.如很多动画电影中高逼真的人物造型、动作、表情和虚拟真实场景等都已经到了维妙维肖的程度.

1.2无损保存和扩大动画制作范围

无损保存和复制采用数字系统保存形式，以实现视频高效保存状态，逐步改善在传统模式下（如磁带、唱片等）保存、复制过程中所凸显出的相应问题.

此外，计算机技术优势亦体现在扩大动画制作范围层面，如利用计算机动画技术可以制作高难度和高危险性的电影特技，模拟常规无法实现的古代建筑、战争场景等，这些都能以计算机3D场景构建、特效制作等创作形式得以实现，从而更为充分地展现动画主题，带给观众更加丰富的视觉和心理体验.

2　动画捕获数据视角下的主要计算机动画技术及特点

2.1唇语同步技术

唇语同步技术是指在画面处理过程中利用计算机软件的发音差异性识别功能，依据动画人物的口型显示发音数据，最终达到动画完整呈现的目的.此外，随着现代科学技术的不断发展，语音系统化分类创作目标也逐步实现，计算机软件在运作过程中可利用已有的数据信息反映与之相适应的动画主体口型、动作，继而实现动画处理过程中自动化生成口型的处理目的，从而完善逐帧绘制口型的操作机制，提升整体处理效率.例如，Moho软件在Lost Marble公司深入研发的基础上实现了自动化语音生成状态［3］，即基于将音频文件输入Moho软件环境的基础上，对语句若干因素进行分析，最终通过对语句的准确调整，达到同步数据输出的动画处理状态，呈现出口型数据信息.再如，《行尸走肉》动画配音视频在制作过程中运用了Papagayo，Magpie Pro等唇语同步动画制作软件，并在基于软件安装的基础上将声音文件置入Papagage文件环境中，最终参照“语句拆分→语句调整→语音同步”的步骤输出数据.

唇语同步技术的应用在一定程度上满足了受众的听觉需求，因此，当代动画产业在发展过程中应注重参照Moho软件的成功案例，发挥其技术价值，为受众提供高质量的动画作品.

2.2角色替换技术

现代动画创作为了营造真实的故事情景，凸显出多个人物的个性特点，在创作过程中应注重运用角色替换技术：即利用人物走路动作一致性的运动特点，在动画人物替换过程中基于保持人物原有角色骨骼动作不变的基础上，实现新角色的有效替换.但是，在角色替换过程中应注重将动画形象划分为人类、禽鸟类、鱼类等类型，在此基础上构建有针对性的骨骼动作，最终达到高效率动画创作状态.利用运动捕获技术制作人体动画起源于20世纪70年代末［4］，例如，Lost Marble公司在动画产业发展过程中为了提高自身动画制作的质量和效率，以Moho软件角色替换功能对卡通角色的头部、脚、胳膊等身体部位进行绘制，并利用矢量图层平台对卡通角色进行填色处理，同时将其导入软件环境中，最终在基于角色绘制完成的基础上准确调整其位置、力度，满足角色替换条件，为动画作品制作行为的展开提供有利的基础条件.

2.3计算机动画运动技术

2.3.1运动编辑技术

在应用运动捕获数据的过程中，逐渐凸显出捕获数据与计算机生成虚拟环境不匹配、不精准等问题，影响了整体动画制作质量.因此，在动画作品创作过程中应注重强调对运动编辑技术的应用：首先，技术人员在画面处理过程中应将运动数据特征、用户视为约束机制，利用运动非线性特性对人物形象进行编辑，结合逆向运动学人物的运动特点，采用计算机计算功能获取角色末端关节的运动数据，对人物位置进行设定，同时应用数值迭代求解算法获取自身所需信息，并将其运用于动画制作过程中；其次，在运动编辑技术应用过程中，需对关键帧运动数据的极值进行计算，获取关键姿势信息，以其他帧的表现形式来达到动画的创作目的.但是，运动编辑技术在应用过程出现缺乏姿势控制能力等问题，因而，应充分考虑这些特性，以达到最佳的动画创作效果.

2.3.2运动信号分解

运动信号处理概念于1995年被提出.在实际应用过程中，首先要明确约束、目标方程等元素，继而全面掌控动画人物的运动方向，同时将其贯穿于整个制作过程中，形成高效率的人物运动方向处理方法；其次，在基于运动信号分解的基础上，选定动画处理的运动参数，利用核函数对参数运动信息进行描述，并利用统计运动特性将其应用于统计模型观察过程中，进而在基于样品采样的基础上构建层次图，达成良好的运动描述目标；再次，应利用摄像机所采集的数据对人物动作特征信息进行系统化的整合，并对动作进行重复表演，实现对动作力度等的调整，达到最佳的运动描述状态.例如，在动画作品创作过程中，利用运动信号技术从数据库中提取适宜的运动数据，依据这些数据构造动画创作画面，设计运动转移图，高效地表达出动画人物的思想情感，满足受众的视觉需求［5］.

3　基于多智能角色的群体动画创作技术

3.1自主智能动画角色和运动生成

进行群体动画设计和制定并不是一件简单容易的事情，特别是对于计算机动画的设计及制作更是如此.借助一般的方法和手段进行群体动画的设计和制作是极为困难的，设计和制作人员需要付出大量的时间和精力，这是因为在进行群体动画的设计和制定时并不是简单地进行特定动作的设定.尽管群体是一个完整统一的系统，但是群体中的每一个个体都有着各自不同的特点，设计和制作人员需要将其中每一个个体的基本动作特点很好地表现出来，使得不同个体之间的动作保持协调一致.因此，需要寻找新的群体动画设计手段：一方面，借助运动捕获信息形成特定的运动信息平台；另一方面，给设计的动画进行角色设定，把动画角色作为自主智能体来建模，使这个角色对于所要表达的情景进行模拟和表达，在动画师干预较少的情况下，生成复杂的群体动画.作为一个自主智能体，应该具有3种功能机制，即感知机制、行为机制和运动机制［6］.因此，动画角色根据设计者的基本指令要求完成特定的动作，设计者将这些不同的动作联系在一起就建立了完整的动画.借助特定的运动群体摄影建立相应的群体动画，使得动画的设计和制作简单容易了许多.

3.2实验结果

借助上述形成的群体动画设计和制作体系，笔者建立了相应虚拟环境游戏条件下的群体动画制作实验（如图1所示）.人群的初始位置在场地中心，在某一时刻，游戏开始，各个动画角色根据感知到的场景信息［7］，通过分析和判断得出最佳的躲避方式.动画中每一个角色都会进行这样的判断和分析：在游戏开始时，会给动画人物提供相应的行动环境，动画人物通过分析和判断得出最佳的躲避方式并进行行为分解，这些行为通过跑步的形式来实现；在此基础上使得各个不同的运动联系在一起，形成一个有机体，设计制作完成相应的动画内容.动画中的角色具备了独立判断和分析的能力，实现和完成相应的动作.借助一般的方法和手段进行群体动画的设计和制作是极为困难的，设计和制作人员需要付出大量的时间和精力，但是借助于这种制作体系，能够使动画的设计和制作大大简化.

图1　基于多智能角色的群体动画制作实验

4　结论和思考

研究动画捕获数据对于计算机动画技术的发展有着极为重要的意义，本文对基于运动捕获数据的计算机动画设计及制作技术进行了研究和分析，指出目前已有技术存在的不足.例如，虽然运动信号分解技术对运动的全局控制操作比较方便，但缺乏对细节的操作能力；运动动作捕捉只能记录模特的运动，难以用来制作一些超乎实际的特技运动［8］，等等.针对这些缺陷，通过对技术不断进行升级，不仅能使动画角色进行很好的动作管理，还能够通过特定的抽象符号对于运动进行解读，如本文提到的利用运动捕获数据进行群体动画设计和制作体系.这些改进不但大大提高了群体动画设计的制作效率，而且也提升了整体创作质量，凸显了计算机动画真实形象和生动的特点.

［1］刘丰.基于运动捕获数据的若干动画技术研究［D］.杭州：浙江大学，2004.

［2］张斌，唐飞.传统动画与计算机动画技术探讨［J］.科技资讯，2014，24（12）：16.

［3］葛孟磊，唐飞.二维计算机动画制作新技术分析［J］.电子技术与软件工程，2014，18（6）：125.

［4］Sturman D J.A brief history ofmotion capture for computer character animation［J］.Computer GraphicsWorld，1988，12（7）：15-17.

［5］陶忠丽.浅析计算机动画在电影特技中的运用［J］.电子世界，2014，23（12）：296.

［6］Tu Xiaoyuan.Artificial animals for computer animation：biomechanics，locomotion，perception，and behavior［D］.Toronto：University of Toronto，1996.

［7］刘丰.基于运动捕获数据的若干动画技术研究［D］.杭州：浙江大学，2004.

［8］Gleicher M.Animation from observation：motion capture and motion editing［J］.Computer Graphics，1999，33（4）：51-54.

（责任编辑陶立方）

Several com puter animation technologies
based on the analysis of animation capture data

FANG Jie
（Hangzhou College of Pre-school Teacher Education，Zhejiang Normal University，Hangzhou 310012，China）

Motion capture technology which rose in 1990s had been widely used in auxiliary animation.Motion capture technology had become one of themainstream methods of three-dimensional computer animation.However，the problem was how to produce three-dimensional computer animationsmore efficiently on the basis of motion capture information.Based on this，it was summarized the existing computer animation technology，conducted a comprehensive and detailed research and analysis on various animation design means applied now，meanwhile，itwas enumerated and explored their advantages and disadvantages，and a new group animation design method was formed on this basis：group animation creation technology based on multi intelligent character and prove itwith experimental results，aiming to provide amore convenient and efficient production method for animation creation.

computer animation；motion capture；motion editing；signal and decomposition；group animation creation technology

G127

A

1001-5051（2016）02-0175-04

10.16218/j.issn.1001-5051.2016.02.009

*收文日期：2015-11-12；2016-03-23

房杰（1981-），女，山东淄博人，讲师.研究方向：二维动画.