三维动画运动捕捉技术的应用及未来发展探究

张昕禹

【摘要】三维动画是在二维动画的基础上发展起来的，三维动画的空间感很强，给人以立体的感觉，动画也很自然，凭借这种优势，三维动画受到了人们的广泛喜爱。随着三维技术的不断发展，其衍生物也日益增加，也出现了很多非常优秀的三维动画作品，相关的先进技术也得到发展，其中最为突出的就是三维动画运动捕捉技术。为了加深对三维动画运动捕捉技术的理解，本文基于此背景从其原理入手，对三维动画运动捕捉技术的实际应用着重分析，对其未来的发展前景进行探究。

【关键词】三维动画;运动捕捉技术;实际应用;未来发展

1. 三维动画运动捕捉技术的概述

三维动画运动捕捉技术是为了解决在三维动画制作中角色的动作设计和调节的问题而发展起来的。这种技术是在人或者是动物身上的关键位置安装跟踪器，用来捕捉运动的物体的动作数据，然后将这些动作数据记录下来整合成动画数据，根据这些数据重新对动画人物建模，这样创作出的动画人物会更加真实，运动的动作也会更加的自然。目前为止，光学式、机械式、声学式和电磁式是最常用的几种运动捕捉技术。其中，光学式的捕捉采样的速率高，不受电缆和众多机械装置的阻碍，表演者的活动范围也不受限制等优点让光学式得到广泛发展，这种运动捕捉技术解决了动画师对角色动作调节的问题。

光学式的运动捕捉的流程。首先是对相机进行校准，在拍摄过程中是要利用相机来对表演者身上关键部位的光点进行捕捉，以此来收集图像素材，然后再经过计算机系统来对图像素材中的光点进行再处理，处理的结果在虚拟的三维空间匹配。最后，将在三维空间中的运动轨迹通过计算机处理捕捉下来，然后将这些运动轨迹根据运动捕捉定向通过3ds Max、Maya等三维动画制作软件制作的动画角色，一些在现实生活中无法实现的场景就可以通过三维动画呈现出来。光学式还可以在表演者的面部贴上光点从而对表演者的面部表情进行捕捉，达到动画人物表情更加真实的目的，这也是很多动画师梦寐以求想要达到的效果。

2. 三维动画运动捕捉技术在实际中的应用

2.1 影视剧中的使用

三维动画运动捕捉技术已经在影视剧领域得到了广泛的应用，并且受到了广泛的欢迎，也取得了一定的成效。例如在电影《金刚》中，表演者穿着装有跟踪器得特殊的服装，并且在面部关键位置贴有光点，摄影机对表演者进行拍摄从而采集运动信息，然后将这些运动信息经计算机后期处理传到虚拟的三维空间中，根据这些数据形成金刚这一角色的形象，动画师也能够根据这些数据对金刚的动态对这一角色进行驱动。通过运动捕捉技术的应用，能够将表演者的动作、表情进行精准的捕捉。最近还出现了一种新的动画运动捕捉系统OpenStage，运用这个系统可以不用在人的面部贴有光点，也不用穿任何带有跟踪器的服装，是运动捕捉技术新的创新。和传统的逐帧制作动画的技术相比，三维动画运动捕捉技术能够更加快捷。迅速完成动画的制作，而且在动画制作过程中，工作人员只需获取虚拟角色的相应的运动数据，并根据剧情进行稍微的调整，就能够完成动画的制作，基于此，影视剧制作的过程中也摆脱了摄影棚的限制，可以实现在现实生活中不能实现的场景，除此之外，运用运动捕捉技术使得作品更加的生動形象，也更加的立体化，也降低了拍摄的成本。

2.2 在三维动画中的应用

三维动画是运动捕捉技术主要的应用领域。就拿抗疫医护人员的动画来说，动画师一般情况下是通过利用3DS MAX等软件等医护人员进行建模，然后利用Character Studio为模型增添相适用的骨骼，因为这两步结束后人物和骨骼之间还是相互独立的，所以就需要通过Physique将二者联系起来，动画师则可以通过对骨骼进行移动和缩放进行调整，使得骨骼和人物模型相适应，成为一体。这一过程中，3DS MAX软件中有自带的修改器UV，进行展UV的目的就是将平面的贴图指定为子对象的选择，只有在这种软件技术的操作下，才能够使贴图效果更加真实。完成UV操作后，通过利用Photoshop这种专用的制图软件，根据医护人员的服装贴图，进行相应的服装纹理的绘制，最终完成抗疫医护人员动画人物模型的制作。

2.3 在动画教学方面的应用

在动画运动规律中的应用。三维动画运动捕捉技术在动画教学中发挥了非常重要的作用，也明显的提高了教学的成效。例如在对动画运动规律的教学中，为了能够让学生更加全面地对动画规律的掌握，使其能够在日后的实际应用中灵活的运用规律，在教学过程中教师可以穿插三维动画运动捕捉技术的讲解。例如，针对人物行走规律这一课程，可以利用动画运动捕捉技术来对捕捉学生走路过程中的形态，然后利用捕捉到的数据，应用在学生喜爱的虚拟角色模型上，计算机的复制分解功能可以向学生观看到每一帧动画工作的样子，让学生能够融入到课堂的教学中，这样不仅能提高学生的上课兴致，还能够加深学生对人类走路规律的理解，能够对三维动画有个更深入的理解，有利于提高教学成效。

运用游戏动画进行课程教学。除了在三维动画中的作用，运动捕捉技术在游戏动画的课程教学中的适用范围也十分广泛。因为游戏中人物画面的动作是由各个小片段组成的，和影视剧这种连贯性和流畅性强的作品相比较，游戏的各个片段对动作的精准性有极高的要求。游戏中的动作片段可以分为走位、攻击和死亡的动作，所以当教师在进行游戏动画课程的教学时，要把学生放在核心地位，以学生为中心，教师应主动去了解学生的学习需要，把学生分为若干小组，以小组为单位对游戏片段中的各动作进行分析研究，并且鼓励学生对游戏动作进行模仿操作，亲自动手操作运动捕捉技术来进行动作数据的采集。教师还可以让各小组之间进行动作捕捉的进行比较，学习动作捕捉的准确性。这种方式能够提高学生的学习积极性，提高课堂参与度，也能够增强学生对三维动画运动捕捉技术的熟练度，便于灵活的运用捕捉技术来判断游戏动画中动作的尺度。

3. 三维动画运动捕捉技术在未来的发展情况

3.1 和其他技术相结合

将三维动画运动捕捉技术和其他相关技术相结合，进行整合优化能够提高动作捕捉的真实性和精准性，灵活性也会提高。例如将三维动画运动捕捉技术和關键帧技术进行整合优化，首先利用运动捕捉技术中的光学式捕捉运动的轨迹，对具体的动作进行精确的捕捉，动作捕捉后获得的数据则会通过MotionBuilder 软件向 Characters 传递，软件会自动的生成动画然后保存下来，最后将匹配完好的数据传递到已经选定的虚拟角色上，在 MotionBuilder 软件当中进行关键帧层的构建，这样可以对虚拟角色的动作进行灵活随意的调整，让角色动作达到最想要达到的效果。值得一提的是，在对三维动画运动捕捉技术和关键帧技术整合运用时，数据标记点应该是最开始的状态，这有利于动画制作人员在 MotionBuilder 软件中进行映射，在 Character Controls 中编辑与控制 Actor。在将虚拟角色和相应的光学式数据相结合的时候，要保证在导航面板中数据和角色的完全匹配，还要对要创建的角色做标记，以便工作人员仅需要点击激活键就能够灵活自由的对角色进行驱动。在对虚拟角色进行自定义的修改时，要实行的是无损动作修改，就是将关键帧层和动画运动捕捉数据相结合，根据剧情等相应的要求，再对角色的动作进行调整，通过增加动作的幅度，让动作更加的有力度。

3.2 不断地突破困难瓶颈

三维动画运动捕捉技术作为一种新兴的技术，不可避免的存在着一定的问题。例如在使用光学式进行捕捉运动轨迹时，所需要的成本是很高的，不仅如此，还要找到表演者身上的关键部位进行标点。后期制作的过程中，又要导出数据，又要通过数据对动作进行调整，这是非常大的工作量。鉴于此，研究人员开始跳出光学式捕捉动作的思维，尝试转变捕捉的方式，从原本的捕捉光点转变为利用视频对光点进行处理，从而更加准则的获得运动的动作轨迹，这样有利于降低对动作捕捉的难度，同时也减少了捕捉的成本，缩减了后期的工作量，提高了工作效率。

3.3 应用范围更加广泛

三维动画运动捕捉技术在未来的发展不仅仅只应用在影视剧，动画教学，游戏动画等制作方面，其应用范围会变得越来越广泛。例如在我国的几个大型网游中，利用了三维动画运动捕捉技术进行场景和动画的制作，这一技术也可以应用在军事，医学等领域。例如在军事中，可以通过虚拟场景来预估导弹的影响范围，在医学领域中，通过对主刀医生的动作捕捉，有利于医师对手术进程的掌握和了解。由此，三维动画运动捕捉技术在未来能够应用于更多的领域，并给各领域的工作者带来福音。

4. 结论

综上所述，三维动画运动捕捉技术能够对运动事物的动作进行快速、精确地捕捉，捕捉结束后通过计算机的后期制作得到数据，将这些数据传递到建好模的虚拟角色上，这会使角色的动作变得更加生动形象。三维动画运动捕捉技术在影视剧、动画制作以及动画教学中都获得了广泛的应用，也都取得了良好的效果。因为是一种新兴技术，因此这种技术本身也存在着一定的问题，所以和其他的相关技术相互整合优化，实现技术间的优势互补，突破三维动画运动捕捉技术中所存在的问题，能够达到“1+1>2”的效果，这样运动捕捉技术的应用范围也会更加的广泛，从而实现三维动画运动捕捉技术的长久发展。

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