动作捕捉技术在三维动画设计中的应用与项目实践探究

摘要：目的：传统三维动画设计由动画师手动调节和设置关键帧，最终呈现的人物角色动作和表情不够自然和真实。因此，探讨动作捕捉技术在三维动画设计中的应用具有重要意义。方法：文章阐述动作捕捉技术从无到有、从基础应用到成熟普及的发展历程，分析动作捕捉技术在三维动画设计中的应用流程，并以产教融合动画项目《红棉少年 筑梦传承》为例，依次对角色建模、材质贴图、绑定蒙皮、动作捕捉拍摄、动画制作及优化处理等进行技术应用分析。结果：动作捕捉技术在三维动画设计中的应用，有效改善了人物角色动作和表情刻画呆板、失真的现象，提升了三维动画设计与制作的效率和准确度，缩短了项目制作周期，节约了动画制作过程中的人员精力与时间成本。动作捕捉技术等数字化软件设备颠覆了传统三维动画制作的流程及工艺表现，推动了三维动画美学维度由“失真”向“真实”方向发展。结论：动作捕捉技术的应用有效解决了传统三维动画设计制作周期长、拍摄成本高、人员工作强度大等问题，极大地提升了动画制作的效率，强化了动作真实感，高效呈现场景、人物及其交互动作等，使三维动画创作更高效、更自由、更省力。

关键词：动作捕捉技术；三维动画；应用流程；项目实践

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2024）09-00-03

1 动作捕捉技术的发展历程

动作捕捉技术是一种通过捕捉真实世界中的人物或物体的运动数据，并将其转化为数字信号的技术。动作捕捉技术最早可以追溯到1915年，法国科学家艾蒂安-朱尔·马雷发明了摄影枪，用于记录动物和人类的运动。随着电影技术的发展，动作捕捉技术被用于动画片制作，如迪士尼公司在制作《白雪公主》时，使用旋转盘和线缆系统尝试捕捉演员的动作。动作捕捉技术的商业化普及开始于20世纪末期，1999年科幻电影《星际迷途：反叛者》就使用动作捕捉技术完成了部分特效场景；2002年由彼得·杰克逊执导的奇幻片《指环王：双塔奇兵》公开上映，影片拍摄团队使用了光学动捕技术，演员安迪·瑟金斯化身为虚拟角色咕噜，与其他演员产生情境互动［1］。

随着计算机图形学和传感器技术的迭代革新，动作捕捉技术得到显著提升，其分辨率更高，采样速度更快，系统配置更灵活。2009年，由詹姆斯·卡梅隆执导的科幻电影《阿凡达》开拓了动作捕捉技术的应用领域，即虚拟场景制作与角色表演捕捉［2］。当前动作捕捉技术已被广泛应用于各类科幻电影、动漫番剧、动漫数字人以及虚拟偶像IP等领域，获得了广泛认可和好评，知名IP动画项目《凡人修仙传》《战千年》《诛仙》《眷思量》等都对其进行了应用。

2 动作捕捉技术应用于三维动画设计的优势

传统的三维动画设计与制作需要动画师团队以分镜头设计为参考，手动调节人物角色的动作和表情，并在时间线上设置关节帧，最终呈现的人物角色在动作和表情上不够自然和真实。动作捕捉技术在三维动画设计中的应用，有效解决了人物角色动作和表情刻画呆板、失真的问题，同时提升了三维动画设计与制作的效率和准确度，缩短了制作周期，进一步节约了动画制作成本。此外，积累以动作捕捉技术记录的动作数据，可以形成动作捕捉数据库，为后续在其他场景应用提供便利。

2.1 能使角色动作与表情刻画更自然

动作捕捉技术的应用大大减轻了三维动画师的工作强度，实现了对三维动画作品中人物角色动作和表情的细微刻画，解决了传统三维动画作品失真的问题，使角色表演更自然、更生动。例如，2017年由华纳兄弟影片公司和腾讯影业联合出品、乔丹·沃格-罗伯茨执导的《金刚：骷髅岛》，其塑造的黑猩猩形象栩栩如生，这就是有效应用动作捕捉技术的经典案例。

2.2 能缩短周期与提高效率

动作捕捉技术的应用有效提高了三维动画师的工作效率，提高了三维动画设计的准确性。同时，相较传统三维动画师手动K帧，动作捕捉数据使制作效率至少提升了6倍。动作捕捉技术使三维动画作品的制作周期大幅缩短，进一步节约了动画制作过程中的人员精力及时间成本，使整个动画团队可以将工作重心放在作品的主题创意和视觉呈现上。

2.3 能形成动作捕捉数据库

采用光学动作捕捉技术获得动作轨迹和面部表情数据后，动画师团队可以进一步优化动捕数据，并对角色动作或表情进行数据重组编辑，形成更多的数据组合；同时将相关数据分类存储于云端，积累形成动作捕捉数据库。未来搭建其他虚拟人物角色时，可以基于前期的分类动捕数据，提取对应动作赋予角色表演，特殊动作再另行制订动捕计划。随着动作捕捉数据的积累，后期的三维动画制作周期可以进一步缩短。

2.4 能推动三维动画美学维度发展

以人工智能技术、计算机图形学和传感器设备为支撑的数字化设备，颠覆了传统三维动画制作的流程及工艺表现。动作捕捉技术的迭代更新，推动三维动画美学维度由“失真”朝“真实”方向有序发展，为观众带来逼真的观影体验。

3 动作捕捉技术在三维动画设计中的应用流程

三维动画设计与制作具有一定的复杂性，整个动画制作团队只有遵循一定的制作工序，才能确保动画作品的质量［3］。动作捕捉技术在三维动画设计中的应用技术流程包括三维动画设计数据准备、动捕方案制定、演员表演数据采集、数据修正处理和动画制作等。在三维动画设计中，确保动作捕捉数据精准和全面是整个动作团队的必修课。

3.1 高质量的动作捕捉设备

针对三维动画设计对捕捉精度、距离和场景的要求，搭配高端动捕相机，满足高速运动捕捉、多人场景捕捉需求，如单人表演、武打场景和生物动态模拟等场景。最终实现骨骼、刚体等的影像映射，为三维动画师提供直观且精准的动作参考。

3.2 专业的动作捕捉场地

动作捕捉通常需要在特定的场所进行，要求场地光照均匀、空间敞亮，以便动捕相机能在无遮挡的环境下捕捉到所有运动数据。另外，场地内需要设置适当的背景和标记，以便动捕相机追踪捕捉到有效动作。通常情况下，动作团队会提前进行场地校准和数据检验。

3.3 准确的标记放置

动作捕捉开始前，动作演员需要穿戴紧身的莱卡动捕服饰和放置反光标记点。标记点的放置位置要准确无误，一般放置在关键的关节和肌肉群上，以便准确记录动作的变化。

3.4 专业的动作捕捉演员

选择经验丰富的动作捕捉演员，他们具备良好的身体协调能力和表演技巧，能够准确遵守导演或动画师的要求。演员应该接受适当的训练，了解动作捕捉的流程和要求。

3.5 详尽的动作捕捉计划

在动作捕捉前，制订详细的动作捕捉计划，包括所需捕捉的动作序列、镜头角度和运动范围。计划中应包含对可能出现的问题的预防措施。

3.6 多次重复和验证

对关键的动作进行多次重复捕捉，以确保数据的可靠性。对捕捉到的数据进行实时预览和验证，及时调整捕捉参数。

3.7 后期数据处理

使用专业的动作捕捉软件对原始数据进行处理，包括去噪、平滑处理和运动插值，确保数据处理过程中不会丢失重要的动作细节。

3.8 与动画师的协作

动画师应参与动作捕捉的整个过程，提供专业见解，并在必要时对动作数据进行微调。动画师可以利用动作捕捉数据进一步创作和优化动画。

3.9 持续的技术迭代

在动作捕捉技术不断进步的背景下，应持续关注和学习新技术，不断更新设备和软件，以提高捕捉的精度和效率。

3.10 质量控制和测试

在动画制作的各个阶段进行质量控制，确保动作数据在整个项目中保持一致和高质量。同时进行充分测试，以验证动作数据在不同情境下的表现。

4 项目实践

动画项目《红棉少年 筑梦传承》讲述了四名少年学习砖雕、飘色、广东音乐、沙湾水牛奶传统小食制作技艺等非物质文化遗产的励志故事。短片借此勉励广大青少年主动肩负起时代赋予的重任，脚踏实地、志存高远，在实现中华民族伟大复兴的中国梦的生动实践中放飞青春梦想。该项目主要使用Maya软件完成角色建模、材质贴图和绑定蒙皮，动画制作使用K帧和动作捕捉完成，镜头渲染使用云渲染技术，后期使用AfterEffects进行镜头特效合成，使用Premiere进行镜头剪辑并输出成片。

4.1 角色和场景建模

本项目的角色和场景主要使用Maya动画软件平台完成建模。

四个主要人物均采用三头身的少年形象，人物建模时尽量贴合原画设计稿，保证头身比例关系，确保模型布线合理规范，方便角色动作表演及口型表情呈现。角色五官及运动关节等位置布线相对集中，避免角色关节运动及表情设置时变形或破面，单个角色模型总体面数控制在1万面左右。设定人物与场景的比例关系，主要场景和街道建模时尽量还原沙湾古镇的环境特征，模型以块面为主，关键结构做好布线处理。

4.2 材质贴图

完成建模环节后，在Maya动画软件平台中赋予角色和场景模型基本材质，并完成UV展开；在UV编辑器中进行UV分割、展开、缝合等操作，最后导出UV展开图，在Photoshop中完成贴图绘制；将贴图生成颜色贴图、高光贴图、凹凸贴图等，并将贴图文件节点链接到对应材质球，完成角色和场景模型的材质贴图环节。

4.3 绑定磨皮

根据角色模型比例及动作演绎需求，为角色创建Human IK骨架系统，依次从腰部、颈部、头部、手臂、腿部等定义各关节位置，最后进行角色绑定蒙皮，测试模型关节弯曲变形，根据具体需要进行权重擦除或重新绑定测试。

4.4 动作捕捉拍摄

4.4.1 环境准备与设备检查

为了确保动作捕捉数据的准确性，需要清理场地，移除任何可能干扰动作捕捉的障碍物和反光面，确保场地有足够的运动空间。检查所有的动作捕捉设备，包括动捕摄像头、传感器、标记点和相关的软硬件设备，确保它们处于良好的工作状态。

4.4.2 系统校准与空间标定

使用Motive软件完成动捕场地和三维空间坐标的同步设置，具体包括摄像头位置、角度和焦距，同时校准传感器的灵敏度。界定动作捕捉空间的舞台区域，在空间内放置标记点，确保所有动作数据都能被有效识别和跟踪。

4.4.3 服饰穿戴与标记粘贴

动作演员穿戴紧身的莱卡服饰，并依次在腰部、颈部、头部、手臂、腿部等关节放置粘贴反光标记点。动作演员摆出T-Pose开始表演后，使用Motive软件记录动捕演员的动作表演数据。借助电子展示屏在MotionBuilder平台实时观测演员和模型的动作演绎，动作导演和动画师共同协作，测试动作数据的实时性和准确度。

4.4.4 记录动作捕捉数据

根据动画分镜设计中的角色动作、表情和场景调度，捕捉动作序列、镜头角度和运动范围。对关键动作进行多次重复捕捉，以确保数据的可靠性，并在Motive中以FBX文件格式导出；将动作捕捉数据导入MotionBuilder平台进行动作数据优化处理，并再次以FBX文件格式导出带有角色骨架的动作数据。

4.5 动画处理

在Maya动画软件平台中打开对应镜头的动画场景文件，导入MotionBuilder平台，导出FBX格式文件，将动捕数据文件与Human IK骨架匹对关联，从而快速赋予角色表演动态。

动画项目《红棉少年 筑梦传承》中四个主要角色走路、奔跑和下蹲等动作就结合了动捕数据进行了参考。由于人物角色是三头身比例的Q版造型，与真人比例存在一定的差异，为保证角色动作表演的流畅度和准确性，使用真人拍摄的动捕数据关联角色动画时，需要局部调节手臂关节、膝关节、手指关节等动作幅度和弯曲角度。

4.6 渲染输出

三维动画项目一般依据动画分镜头设计顺序，以镜头为基础单位，搭建角色与场景的镜头动画表演，渲染时需要根据虚拟环境空间设定镜头和搭建灯光，并分层渲染测试灯光效果。《红棉少年 筑梦传承》主要采用单机渲染效果测试，如角色阿炳的奔跑镜头，分别渲染测试了第1、5、9、13帧，确保动画场景搭建的灯光能够满足镜头动画的光照效果。分镜头测试完毕后，完整的动画渲染使用云渲染平台分批完成。

5 结语

当前动作捕捉技术已广泛应用于三维动画设计中。探索动作捕捉技术在三维动画设计中的高质量应用，是未来努力的方向。随着人工智能技术、计算机图形学和传感器等数字化设备及技术的不断革新，动作捕捉技术的应用场景将更加多元化，应用效果也将更精准。

参考文献：

［1］ 焦文静，杨文静.动作捕捉技术在三维游戏动画制作中的应用［J］.科技创新与生产力，2022（4）：120-123.

［2］ 焦垚楠.动作捕捉技术在电影领域的应用发展研究［J］.现代电影技术，2020（6）：26-30.

［3］ 柳金辉.运动捕捉技术在三维动画设计中的应用及发展前景［J］.济宁学院学报，2024（2）：90-95.

基金项目：本论文为2021年度广东省教育厅省继续教育质量提升工程项目“三维动画设计”研究成果，项目编号：JXJYGC2021EY0290

作者简介：赖亮鑫 （1982—），男，副教授，研究方向：数字创意设计、三维动画设计。