浅析动作捕捉技术在动画虚拟场景中的运用

曹 帅，张依朵，宗欣沂

（金陵科技学院动漫学院，江苏 南京 211169）

随着科学技术的高度发展和人们生活质量的提高，影视产业蓬勃发展，影视动画已经逐渐成为丰富人们日常娱乐和文化交流的一种重要途径。国产动画随着技术发展，受众人群逐渐扩大，动作捕捉技术应用于国产动画中的虚拟场景加快了国产动画的发展进程，使得影视动画效果更加丰富多彩，动作更加精确真实。

1 动作捕捉技术的发展现状

1.1 动作捕捉技术的前身

在20 世纪时，动作捕捉概念已初现雏形。波兰裔动画大师马克思·弗莱舍发明了一项转描机技术，这种动画技术是将预先拍好的电影放到毛玻璃上，动画艺术家再逐帧绘制具有真实运动的动画画面。在早期的动画影史中，贝蒂小姐的舞蹈动作和《格列佛游记》中格列佛的动画都有用到转描机技术进行塑造，不过那时期的动作捕捉是艺术家手工“捉出来”的，这是动作捕捉最原始的形式，也可以说成是动作捕捉的先驱[1]。

转描机技术给动画的灵动性带来了飞跃性的提升。1937 年，迪士尼细致有效地将转描机技术应用到了《白雪公主》的电影当中，这是历史上首部运用转描机技术生成的长篇动画作品。1941 年，上海美术电影制片厂在《铁扇公主》中将转描机技术进行创新，后在海内外获得一致好评。由于转描机技术所需人力和时间成本较高，其替代技术也随之迅速发展起来，生物力实验室开始使用计算机分析人类动作，现代动作捕捉技术也终于找到自己的一席之地，而转描机技术主要用来学习人物和动物的动作，而不是直接描摹制作电影。

1.2 动作捕捉技术的发展

20 世纪70 年代后期，纽约技术学院计算机绘图实验室瑞贝卡·艾伦（Rebecca Allen） 教授设计了一种水银镜子，可以将录像带上演员的影像投射到计算机的显示器，作为动画关键帧的参考。计算机技术的迅速发展，给许多行业都带来福音，时至今日还热度不减的光学追踪技术能实现真实的渲染效果。1972 年前后，光学追踪为渲染某一场景首次出现在大众视野里。1982 年时，麻省理工和纽约理工学院同时利用光学追踪技术记录人体数据[2]。光学追踪技术不断发展，随着现代科技的进步逐渐成熟。

1980 年，Tomcalvert 教授首先在舞台舞蹈设计和运动异常的临床评估中使用了“机械版动作捕捉系统”，他在计算机中安装了多个电位器并使用人体动作输出的数据来驱动动画形象。Calvert 和他的团队利用电位器对膝关节区域进行了重点研究，并将“模仿系统”中的动作数据进行数字化后的输出转换，发送到计算机动画系统中。这说明，动态的捕捉对象不仅可以是演员的动作，还可以包括非生物的物体运动、演员的表情、相机及灯光的应用等。生物力学研究为未来的影视制作发展铺平了道路，在接下来的几十年中，当动作捕捉与计算机图形技术相遇时，动作数据的易获得性使得动作捕捉技术快速发展，继续被完善，并在日后得以大规模地应用到各个影视动画及游戏行业中。

目前发展前景最好的两大动作捕捉技术：惯性动作捕捉技术和光学式动作捕捉技术。这两种动作捕捉技术各有优势，惯性动作捕捉能实时跟踪和采集人体运动数据，相比较光学式中的以照相机为测量系统和发射器带来的局限，惯性动作捕捉显得更为便捷。但在使用环境上，惯性动作捕捉的传感器长时间暴露在磁场中可能会导致传感器磁化，惯性动作捕捉的误差也会随着时间的累积增加。故此，惯性动作捕捉不仅要远离存在的环境，精度也比不上光学式动作捕捉，好在这些弱点可以通过软件进行后期修正[3]。

考虑到惯性动作捕捉相比光学式动作捕捉有价格上的优势，在一些对精度要求不那么高的领域，往往会选择惯性动作捕捉技术。

如前所述，动作捕捉技术是记录物体动态信息以供分析、回放及传递的一种体感交互技术，这项技术现在广泛应用于电影制作和游戏开发领域，在一般情况下，技术人员是将真人的动作表演转换为数字演员的动作表演。动作捕捉通过记录人类的躯体信息，演员将接收传感器佩戴在身体关键部位，记录身体关节的空间位置以及肌肉群的细致运动，在得到运动物体的位置、角度、速度、加速度和冲量等相对精确的移动数据后再应用到三维软件中的模型骨骼及面部驱动点上，数字演员就可以相对精确地移动。因为这样的原因，运动跟踪也有匹配移动的叫法。

2 动作捕捉技术在动画虚拟场景中的优势

2.1 通过真人表演动作捕捉提高动画质量

运用动作捕捉技术制作的3D 真人CG 动画，不仅大异于传统手绘2D 动画，也与此前流行的三维（3D） CG 动画风格很不相同。相较2D 和传统3D，真人CG 技术更适合工业化，它追求呈现的效果也极接近真实。这可以大大提高动画的质量，并让观众更加容易产生共鸣。

例如国产动画电影《爵迹》，是中国首个全真人的CG 电影，制作团队主要采用动作捕捉技术和渲染技术。据统计，拍摄现场约有60 台高清相机，按照位置形成一个球形扫描区域，进行扫描时，演员们按照剧本完成电影角色的动作，依次摆出至少150 种不同的表情，这些表情的捕捉对于后期角色的表情呈现给予了极大的帮助[4]。实际上拍摄都是在绿幕上完成的，为此需要演员自己幻想剧本中的场景和画面，后期通过CG 技术完成虚拟场景的合成，既可以营造强烈的科技氛围感，又可以制作出宏大世界观的虚拟场景，逼真的动画和特效让观众能够更加身临其境地感受奇幻场景。

《秦时明月》《大圣归来》《白蛇：缘起》《白蛇2：青蛇劫起》 等优秀动画作品都使用了动作捕捉技术。使用动作捕捉技术对真人演员的动作进行捕捉、记录和转换，演员需要进行多次的拍摄和演练，以使得虚拟角色的动作更加真实准确、流畅自然。另外，使用动作捕捉技术可以大大减少制作时间和人力成本，并提高动画的制作效率。此外，《凡人修仙传》还为人物微表情开发了一套无标记点的面部动画的捕捉工具，利用卷积神经网络来提取演员表演面部表情的一个特征，并且把它抽象成了网络的隐藏空间特征，再使用大量的视频数据来训练网络，这项技术通过提取演员视频中的表演，将动作、表情等信息转变为数据，运用到CG 角色上，实现了角色面部动画控制器的直接映射。

2.2 通过动作捕捉技术进行电影预演提高制作效率

动作捕捉技术可以应用于电影预演，这种方法称为“预演动作捕捉”或“前视动作捕捉”。电影预演是电影制作的一个关键步骤，用于确定场景和角色的位置、动作和灯光等细节，以及探索视觉效果和情感表达。传统的电影预演在实际场地进行，需要大量的时间和成本，并且无法在现场实时调整。使用预演动作捕捉技术可以有效解决这些问题。

预演动作捕捉通常使用无线惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU） 或相机系统来记录演员的动作，然后将数据转换为虚拟环境中的角色动作。这使得制作团队可以在虚拟环境中进行预演，变换不同的摄影角度和灯光设置，并快速调整演员的动作和表情。预演动作捕捉还可以在实际拍摄前为演员提供更好的训练和准备，从而提高拍摄效率和质量，还可以为电影带来更多创新和可能。

预演动作捕捉技术已经被广泛应用于电影制作中，例如《阿凡达》《指环王》《变形金刚》等大片中都使用了预演动作捕捉技术。然而，预演动作捕捉技术也存在一些挑战和限制。例如，现有的技术仍然无法完全捕捉到演员的表情和情感，需要借助人工制作和修饰。此外，预演动作捕捉还需要大量的技术和人力投入，特别是在场景和角色复杂的情况下。因此，在未来的研究和应用中，需要继续改进和创新技术，以更好地满足电影制作的需求。

2.3 动作捕捉技术用于虚拟拍摄增加创意可能性

动作捕捉技术可以应用于虚拟拍摄，这种方法称为“虚拟摄影”或“数字化拍摄”。传统的电影拍摄需要在实际场地进行，需要大量的时间和成本，并且受到天气、时间和地点等因素的限制。而虚拟摄影使用动作捕捉技术和计算机图形学技术，可以在虚拟环境中模拟实际场景进行拍摄和制作。

虚拟摄影通常涉及3 个主要的技术：动作捕捉技术、虚拟布景技术和实时渲染技术。动作捕捉技术用于记录演员的动作和表情，虚拟布景技术用于创建虚拟场景和角色，实时渲染技术用于实时显示和渲染虚拟环境。这些技术的结合可以实现高质量、高效率、低成本的虚拟拍摄。

虚拟摄影已经被广泛应用于电影、电视、游戏等娱乐产业中。例如，《权力的游戏》《阿凡达》《星球大战》 等优秀的影视作品，以及《使命召唤》《绝地求生》等游戏作品，都使用了虚拟摄影技术，不仅可以提高拍摄效率和质量，还可以为创作者提供更多的创意和可能。

但现有的技术仍然无法完全模拟真实的物理环境和光照效果，需要借助人工制作和修饰以及大量的技术和人力投入，特别是在场景和角色复杂的情况下。

2.4 动作捕捉技术为元宇宙领域提供有效技术支持

随着元宇宙的兴起，动作捕捉技术也开始在这一领域得到广泛应用。元宇宙是一个虚拟的数字世界，包括虚拟现实、增强现实、游戏、社交网络等多种形式，是一个具有无限潜力的数字化空间。

动作捕捉技术可以在元宇宙中实现身体动作和表情的自然记录和表达，从而提高虚拟角色的真实感和沉浸感。例如，在元宇宙游戏中，玩家可以使用身体动作来控制游戏中角色的动作，而动作捕捉技术可以记录这些动作并将其转化为虚拟角色的动作，从而提高游戏的沉浸感。此外，动作捕捉技术还可以用于元宇宙中的社交互动。例如，虚拟聚会或会议可以提高参与者之间的互动效果和沟通效果。

动作捕捉技术仍需要进一步改进和创新，以满足元宇宙的不断发展和变化。例如，开发更为便携、高效、准确的动作捕捉设备，提高动作捕捉技术的精度和稳定性，以及更好地整合动作捕捉技术和人工智能等技术，以实现更加智能化、自然化的虚拟互动。

2.5 动作捕捉技术通过虚拟体验促进文化交流

动作捕捉技术可以用于虚拟场景和虚拟现实技术中，创建逼真的虚拟场景，使用户可以在虚拟环境中体验和学习传统文化。例如，动作捕捉技术可以精确地记录、保存和传播传统文化表演，如中国武术、舞蹈、京剧等，这可以帮助保护传统文化，技术可介入具有中国传统文化元素的动画、游戏等作品创作，使更多人了解和学习传统文化，同时可以使用虚拟现实设备体验武术、太极等，有助于中国传统文化的传承。例如，游戏《大闹天宫》、动画《武庚纪》《封神演义》等都采用了动作捕捉技术，技术使游戏、动画中的角色动作更加真实、流畅，增强了视觉效果和观赏性。同时，角色形象、场景设计等也融入了中国传统文化元素，如孙悟空的造型，天宫的建筑，各种神仙、妖魔、武器等为中国传统文化的传承和推广做出了贡献。

3 动作捕捉技术在动画虚拟场景中的劣势与困境

一是国内的动作捕捉技术相对于国外技术而言略有不足，能够投入使用的规模小。例如《最终幻想》《贝吉特快》《黑客帝国动画版》3D 短片以及国产动画《秦时明月》《眷思量》等，都在角色的动作制作方面运用了动作捕捉技术，使得这几部动画中角色的动作表演都接近真人动作。包括上文提到的《爵迹》，写实程度几乎贴合电影，但动作还是无法达到现实生活中的自然程度，角色的动作也没有表现得太鲜活或充满“趣味性”。任意一个动作在大自然中都饱含无穷无尽的运动轨迹，这就是大自然的独特魅力，也是计算机技术无法超越的。目前，“动作捕捉器”在70%数据处理方面存在局限性，因此就算用再高超的计算机计算或根据动作捕捉器的数据模拟生成动作，做得再真实也是受硬件限制，会怎么看都有些机器的“冰冷”，显得生硬[5]。

二是动作捕捉的制作成本相对较高，需要投入大量资金作为技术支撑。动作捕捉技术需要使用专业的硬件和软件设备，成本较高。特别是对于一些小型动画制作公司来说，购买和维护这些设备可能会成为一项巨大的财务负担。另外，虽然动作捕捉技术可以快速捕捉人物动作，但可能无法完全捕捉角色的某些特定动作或特殊效果，在后期制作中进行修改和编辑可能需要更多的时间和精力。因此，国内相当多的动画制作团队为了节约成本，只能延长制作周期，选择相对传统的手K 逐帧动画，由此动作捕捉技术未广泛运用，部分观众群体对这一技术呈现的视觉体验有所缺失。

三是技术依赖性。动作捕捉技术需要专业的技术人员进行操作和维护，制作团队必须具备相关技术和知识。如果没有足够的技术支持，可能会影响制作的进程和质量。例如，上文所提到的《爵迹》系列动画虽然票房可观，但口碑却不如预期。过于真实的角色造型和动作反而失去了动画应该有的趣味性和艺术性，因此观众接受度不高。

4 结束语

通过本文的分析可以看出，动作捕捉技术在国产动画虚拟场景中的运用已经成为越来越流行的趋势，它为动画制作提供了一种高效、精确和创新的手段，使得制作的动画作品更加真实、流畅，提高了作品的观赏性和艺术价值。

动作捕捉技术的运用不仅使得动画制作更加高效和成本更加节约，同时也为创作者提供了更高的创作自由度和更多的可能性，使得创作者可以更加专注于作品的创意和艺术表现。同时，动作捕捉技术也为中国传统文化的传承和推广提供了新的途径和手段，创作出一系列具有中国传统文化元素的优秀动画作品，为中国传统文化于国际上的传播做出了贡献。

然而，动作捕捉技术在国产动画虚拟场景中的应用仍然存在着一些劣势和不足，存在对动作捕捉设备的要求较高、后期制作和调整成本较高等问题，这些问题需要制作团队在应用动作捕捉技术时予以重视和解决。

在未来的发展中，动作捕捉技术在国产动画虚拟场景中的应用还有很大的发展空间和潜力，需要制作团队不断探索创新、克服问题，将动作捕捉技术应用得更加完善和成熟。