第一章動(dòng)作捕捉的發(fā)展及應(yīng)用1精選課件ppt1.1動(dòng)作捕捉技術(shù)介紹動(dòng)作捕捉技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化階段，其應(yīng)用領(lǐng)域也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了動(dòng)畫制作，并在虛擬現(xiàn)實(shí)、游戲、人體工程學(xué)研究、模擬訓(xùn)練、生物力學(xué)研究等許多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。2精選課件ppt3精選課件ppt廣告4精選課件ppt軍事領(lǐng)域5精選課件ppt1.2動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的類型介紹到目前為止，常用的動(dòng)作捕捉技術(shù)從原理上說(shuō)可分為機(jī)械式、聲學(xué)式、電磁式和光學(xué)式。不同原理的設(shè)備各有其優(yōu)缺點(diǎn)，其中光學(xué)式動(dòng)作捕捉技術(shù)目前是最為先進(jìn)的，一般可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：6精選課件ppt定位精度；實(shí)時(shí)性；使用方便程度；可捕捉運(yùn)動(dòng)范圍大??；成本；抗干擾性；多目標(biāo)捕捉能力。7精選課件ppt1.3動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的分類比較一：機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉（ElectromechanicalSuits）機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉依靠機(jī)械裝置來(lái)跟蹤和測(cè)量運(yùn)動(dòng)軌跡。裝置是放置在人體主要關(guān)節(jié)處的電位計(jì)或者類似量角儀的儀器構(gòu)成的一套設(shè)備，它是由人體的運(yùn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)的。8精選課件ppt2001年北京國(guó)際電視周十八日至二十二日在中國(guó)建筑文化中心舉辦，從德國(guó)引進(jìn)的機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)數(shù)主要應(yīng)用于影視制作、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、電腦游戲等領(lǐng)域，圖為十九日模特正在進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)表演。9精選課件ppt典型的系統(tǒng)由多個(gè)關(guān)節(jié)和剛性連桿組成，在可轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)中裝有角度傳感器，可以測(cè)得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化情況。裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)角度傳感器所測(cè)得的角度變化和連桿的長(zhǎng)度，可以得出桿件末端點(diǎn)在空間中的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。實(shí)際上，裝置上任何一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡都可以求出，剛性連桿也可以換成長(zhǎng)度可變的伸縮桿，用位移傳感器測(cè)量其長(zhǎng)度的變化。10精選課件ppt早期的一種機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉裝置是用帶角度傳感器的關(guān)節(jié)和連桿構(gòu)成一個(gè)"可調(diào)姿態(tài)的數(shù)字模型"，其形狀可以模擬人體，也可以模擬其他動(dòng)物或物體。使用者可根據(jù)劇情的需要調(diào)整模型的姿態(tài)，然后鎖定。角度傳感器測(cè)量并記錄關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，依據(jù)這些角度和模型的機(jī)械尺寸，可計(jì)算出模型的姿態(tài)，并將這些姿態(tài)數(shù)據(jù)傳給動(dòng)畫軟件，使其中的角色模型也做出一樣的姿態(tài)。這是一種較早出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)捕捉裝置，但直到現(xiàn)在仍有一定的市場(chǎng)。國(guó)外給這種裝置起了個(gè)很形象的名字："猴子"。11精選課件ppt機(jī)械式有一個(gè)很大的缺陷，就是依靠電位計(jì)的系統(tǒng)不能測(cè)量空間的位移。在大多數(shù)情況下，加入電磁式的感應(yīng)器可以解決這個(gè)問(wèn)題，但是作為電磁式的系統(tǒng)同樣也有一些問(wèn)題，比如說(shuō)對(duì)附近的金屬的感應(yīng)，主要是跟感應(yīng)源相近的材料。12精選課件ppt機(jī)械式捕捉優(yōu)點(diǎn)：捕捉范圍非常大。成本低，便宜。精確度相對(duì)較高。可以做到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量。數(shù)據(jù)的捕捉相對(duì)簡(jiǎn)單。感應(yīng)器不會(huì)閉塞?？梢詫?duì)多個(gè)演員進(jìn)行同時(shí)捕捉。13精選課件ppt機(jī)械式捕捉缺點(diǎn)：硬件笨重、使用起來(lái)非常不方便。系統(tǒng)樣本速率很低。系統(tǒng)對(duì)人體骨骼有制約。較難用于連續(xù)動(dòng)作的實(shí)時(shí)捕捉。14精選課件ppt二：聲學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉常用的聲學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉裝置由發(fā)送器、接收器和處理單元組成。發(fā)送器是一個(gè)固定的超聲波發(fā)生器，接收器一般由呈三角形排列的三個(gè)超聲探頭組成。通過(guò)測(cè)量聲波從發(fā)送器到接收器的時(shí)間或者相位差，來(lái)計(jì)算并確定接收器的位置和方向。15精選課件ppt這類裝置成本較低，但對(duì)運(yùn)動(dòng)的捕捉有較大延遲和滯后，實(shí)時(shí)性較差，精度一般不很高，聲源和接收器間不能有大的遮擋物體，受噪聲和多次反射等干擾較大。由于空氣中聲波的速度與氣壓、濕度、溫度有關(guān)，所以還必須在算法中做出相應(yīng)的補(bǔ)償。16精選課件ppt三、電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是比較常用的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備。一般由發(fā)射源、接收傳感器和數(shù)據(jù)處理單元組成。發(fā)射源在空間產(chǎn)生按一定時(shí)空規(guī)律分布的電磁場(chǎng)；接收傳感器（通常有10～20個(gè)）安置在表演者身體的關(guān)鍵位置，隨著表演者的動(dòng)作在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),通過(guò)電纜或無(wú)線方式與數(shù)據(jù)處理單元相連。17精選課件ppt表演者在電磁場(chǎng)內(nèi)表演時(shí)，接收傳感器將接收到的信號(hào)通過(guò)電纜傳送給處理單元，根據(jù)這些信號(hào)可以解算出每個(gè)傳感器的空間位置和方向。目前這類系統(tǒng)的采樣速率一般為每秒15～120次（依賴于模型和傳感器的數(shù)量），為了消除抖動(dòng)和干擾，采樣速率一般在15Hz以下。對(duì)于一些高速運(yùn)動(dòng)，如拳擊、籃球比賽等，該采樣速度還不能滿足要求。18精選課件ppt電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉的優(yōu)點(diǎn)首先在于它記錄的是六維信息，即不僅能得到空間位置，還能得到方向信息，這一點(diǎn)對(duì)某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合很有價(jià)值。其次是速度快，實(shí)時(shí)性好，表演者表演時(shí)，動(dòng)畫系統(tǒng)中的角色模型可以同時(shí)反應(yīng)，便于排演、調(diào)整和修改。裝置的定標(biāo)比較簡(jiǎn)單，技術(shù)較成熟，成本相對(duì)低廉。19精選課件ppt它的缺點(diǎn)在于對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格，在表演場(chǎng)地附近不能有金屬物品，否則會(huì)造成電磁場(chǎng)畸變，影響精度。系統(tǒng)的允許表演范圍比光學(xué)式要小，特別是電纜對(duì)表演者的活動(dòng)限制比較大，對(duì)于比較劇烈的運(yùn)動(dòng)和表演則不適用。20精選課件ppt四、光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉通過(guò)對(duì)目標(biāo)上特定光點(diǎn)的監(jiān)視和跟蹤來(lái)完成運(yùn)動(dòng)捕捉的任務(wù)。目前常見的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉大多基于計(jì)算機(jī)視覺原理。從理論上說(shuō)，對(duì)于空間中的一個(gè)點(diǎn)，只要它能同時(shí)為兩部相機(jī)所見，則根據(jù)同一時(shí)刻兩部相機(jī)所拍攝的圖像和相機(jī)參數(shù)，可以確定這一時(shí)刻該點(diǎn)在空間中的位置。當(dāng)相機(jī)以足夠高的速率連續(xù)拍攝時(shí)，從圖像序列中就可以得到該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。21精選課件ppt典型的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)通常使用6～8個(gè)相機(jī)環(huán)繞表演場(chǎng)地排列，這些相機(jī)的視野重疊區(qū)域就是表演者的動(dòng)作范圍。為了便于處理，通常要求表演者穿上單色的服裝，在身體的關(guān)鍵部位，如關(guān)節(jié)、髖部、肘、腕等位置貼上一些特制的標(biāo)志或發(fā)光點(diǎn)，稱為"Marker"，視覺系統(tǒng)將識(shí)別和處理這些標(biāo)志。系統(tǒng)定標(biāo)后，相機(jī)連續(xù)拍攝表演者的動(dòng)作，并將圖像序列保存下來(lái)，然后再進(jìn)行分析和處理，識(shí)別其中的標(biāo)志點(diǎn)，并計(jì)算其在每一瞬間的空間位置，進(jìn)而得到其運(yùn)動(dòng)軌跡。為了得到準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)軌跡，相機(jī)應(yīng)有較高的拍攝速率，一般要達(dá)到每秒60幀以上。22精選課件ppt如果在表演者的臉部表情關(guān)鍵點(diǎn)貼上Marker，則可以實(shí)現(xiàn)表情捕捉，如圖所示。目前大部分表情捕捉都采用光學(xué)式。23精選課件ppt有些光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)不依靠Marker作為識(shí)別標(biāo)志，例如根據(jù)目標(biāo)的側(cè)影來(lái)提取其運(yùn)動(dòng)信息，或者利用有網(wǎng)格的背景簡(jiǎn)化處理過(guò)程等。目前研究人員正在研究不依靠Marker，而應(yīng)用圖像識(shí)別、分析技術(shù)，由視覺系統(tǒng)直接識(shí)別表演者身體關(guān)鍵部位并測(cè)量其運(yùn)動(dòng)軌跡的技術(shù)，估計(jì)將很快投入實(shí)用。光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉的優(yōu)點(diǎn)是表演者活動(dòng)范圍大，無(wú)電纜、機(jī)械裝置的限制，表演者可以自由地表演，使用很方便。其采樣速率較高，可以滿足多數(shù)高速運(yùn)動(dòng)測(cè)量的需要。Marker的價(jià)格便宜，便于擴(kuò)充。

24精選課件ppt這種方法的缺點(diǎn)是系統(tǒng)價(jià)格昂貴，雖然它可以捕捉實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，但后處理（包括Marker的識(shí)別、跟蹤、空間坐標(biāo)的計(jì)算）的工作量較大，對(duì)于表演場(chǎng)地的光照、反射情況有一定的要求，裝置定標(biāo)也較為煩瑣。特別是當(dāng)運(yùn)動(dòng)復(fù)雜時(shí)，不同部位的Marker有可能發(fā)生混淆、遮擋，產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)果，這時(shí)需要人工干預(yù)后處理過(guò)程。

25精選課件ppt將運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)用于動(dòng)畫制作，可極大地提高動(dòng)畫制作的水平。該技術(shù)的應(yīng)用直接導(dǎo)致了美國(guó)和日本動(dòng)畫片里，卡通人物的動(dòng)作真實(shí)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)沒有擁有該技術(shù)的中國(guó)動(dòng)畫片。它極大地提高了動(dòng)畫制作的效率，降低了成本，而且使動(dòng)畫制作過(guò)程更為直觀，效果更為生動(dòng)。隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，表演動(dòng)畫技術(shù)將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，而運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)作為表演動(dòng)畫系統(tǒng)不可缺少的、最關(guān)鍵的部分，已經(jīng)顯示出更加重要的地位。26精選課件ppt1.4光學(xué)動(dòng)作捕捉設(shè)備的組成和應(yīng)用光學(xué)式動(dòng)作捕捉設(shè)備一般由以下幾個(gè)部分組成：傳感器被固定在運(yùn)動(dòng)物體特定的部位，向系統(tǒng)提供運(yùn)動(dòng)的位置信息。通常采用特殊材料的感光球，將其粘在身體特定的部位。27精選課件ppt信號(hào)捕捉設(shè)備負(fù)責(zé)捕捉、識(shí)別傳感器的信號(hào)。如圖所示，一般是由包括捕捉特殊波長(zhǎng)區(qū)域光波的攝像機(jī)、發(fā)光器以及鏡頭、光學(xué)過(guò)濾器等組成。28精選課件ppt數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備負(fù)責(zé)將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)從信號(hào)捕捉設(shè)備快速準(zhǔn)確地傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。29精選課件ppt數(shù)據(jù)處理設(shè)備負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)捕捉到的原始信號(hào)，計(jì)算傳感器的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正、處理，并與三維角色模型相結(jié)合。30精選課件ppt光學(xué)捕捉技術(shù)在國(guó)際上的使用現(xiàn)狀目前在影視界使用光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的工作室包括：DreamworksSKG（斯皮爾伯格的夢(mèng)工廠）、WarnerBrothers（華納兄弟工作室）等；在游戲制作界使用它的公司有：ElectronicArts、Square、RARE、Sony、Midway、SNK、CAPCOM等。31精選課件ppt利用光學(xué)原理進(jìn)行三維動(dòng)作捕捉的過(guò)程是使用多個(gè)攝像機(jī)拍攝身穿安裝了反射標(biāo)記衣服的演員動(dòng)作，然后動(dòng)作捕捉系統(tǒng)將多個(gè)攝像機(jī)拍攝的鏡頭用數(shù)學(xué)的方式繪制出每個(gè)反射標(biāo)記的三維坐標(biāo)。這些標(biāo)記或者被連接到一個(gè)計(jì)算機(jī)生成的人物身上對(duì)應(yīng)的解剖點(diǎn)，或者被用于算出可以進(jìn)行動(dòng)畫的連接角度或旋轉(zhuǎn)。這些三維空間坐標(biāo)被傳送到動(dòng)畫軟件如：Alias/WavefrontMaya、Online、Prism、NichimenGraphics和3DStudioMAX。由于這些坐標(biāo)來(lái)自演員真實(shí)的動(dòng)作，使動(dòng)畫看起來(lái)非常逼真自然。32精選課件ppt復(fù)雜和快速的動(dòng)作包括體育比賽中的拳擊動(dòng)作可以被快速地捕捉進(jìn)來(lái)，而不需要依賴動(dòng)畫師使用反向運(yùn)動(dòng)學(xué)的軟件系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)作制作，既節(jié)省了時(shí)間又節(jié)省的金錢，而且它快速的反饋也使制作人員和導(dǎo)演可以及時(shí)作出決定。這些捕捉的動(dòng)作也可放在網(wǎng)站上供世界各地的用戶或制作人員進(jìn)行觀看和評(píng)論。33精選課件ppt光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)所具有的優(yōu)勢(shì)：

真實(shí)的動(dòng)作：對(duì)演員、運(yùn)動(dòng)員和舞蹈家的動(dòng)作進(jìn)行捕捉，并不是讓動(dòng)畫師重新進(jìn)行制作，這些動(dòng)作都是非常具有特點(diǎn)的、非常敏銳的。例如：由計(jì)算機(jī)生成的人物中，男性和女性走路的動(dòng)作是不一樣的。如果將女性人物走路的動(dòng)作賦予在男性身上，觀眾會(huì)覺得不協(xié)調(diào)。

制作的速度：對(duì)動(dòng)作進(jìn)行拍攝捕捉到預(yù)覽常常只需幾分鐘。一個(gè)小規(guī)模的制作組與一個(gè)演員可以在一個(gè)下午制作出許多復(fù)雜的動(dòng)畫。34精選課件ppt

藝術(shù)性的控制：實(shí)時(shí)捕捉系統(tǒng)可以在演員表演的同時(shí)看到所捕捉的動(dòng)作，具有非常大的靈活性－－如果制作人員想改變一下所捕捉的動(dòng)