1- 三维动画制作的革命——表演动画

三维动画制作的革命——表演动画

金刚(gatsbyking@) 李德华 胡汉平

(430074 湖北 武汉 华中科技大学 图像识别与人工智能研究所

图像信息处理与智能控制国家教育部开放研究实验室 )

计算机三维动画技术综合利用艺术、计算机图像图形学、数学、物理学、生理学和其他相关学科的知识，用计算机生成连续的虚拟真实感画面，它给人们带来了全新的视觉刺激和享受，实现了过去无法想象的特技效果，已经成为高质量影视、游戏制作不可缺少的手段。从侏罗纪公园、泰坦尼克号、骇客帝国、一家之鼠等影片中，观众感受到了计算机三维动画技术的巨大魅力。

近年来在计算机三维特技制作领域，又陆续出现了一批新的技术，如三维扫描、表演动画、虚拟演播室等，这些技术已经在许多3D制作工作中崭露头角，显示出强大的优势和生命力，给三维特技制作带来了一场新的革命，而表演动画（Performance Animation）则可以说是其中最高级、最热门的计算机动画技术之一。

什么是表演动画

在最早期的动画制作中，制作者必须将画面根据剧情要求逐帧画出，工作量非常巨大。引入计算机动画技术后，可以利用计算机先设计角色造型，按照剧情确定关键帧，动画师调整关键帧中角色造型的姿势，动画软件根据关键帧生成图象序列。比起手工绘制动画，这是一个巨大的进步，但对于一个复杂的动画作品，要对关键帧中每个造型的姿态，特别是表情进行细致地调整，仍然是一个相当麻烦和困难的工作，需要动画师有丰富的经验和高度的技巧，效率低，易出错，而且很不直观，难以达到生动、自然的效果，这已经成为动画制作过程中的瓶颈。

图1 表演动画系统的组成和工作流程

表演动画技术的诞生，彻底改变了这一局面。它综合运用计算机图形学、电子、机械、光学、计算机视觉、计算机动画等技术，捕捉表演者的动作甚至表情，用这些动作或表情数据直接驱动动画形象模型。

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图1表示了一个典型的表演动画系统的组成和工作流程。在系统中，有表演者和“角色模型”。制作者利用三维构型软件制作数字化的“角色模型”，例如卡通形象，或者利用三维扫描技术获得人物或动物立体彩色数字模型，形成所谓的“虚拟演员”。而表演者负责根据剧情作出各种动作和表情，运动捕捉系统将这些“动作”和“表情”捕捉记录下来，然后在3D动画软件中，以这些动作和表情“驱动”角色模型，角色模型就能作出与表演者一样的动作和表情，并生成最终所见的动画序列。

一个完整的表演动画系统包含两大关键技术：运动捕捉和动画驱动。

运动捕捉是表演动画系统的基础，它实时地检测、记录表演者的肢体在三维空间的运动轨迹，捕获表演者的动作，转化为数字化的“抽象运动”，以便动画软件将它“驱动”角色模型，使模型做出和表演者一样的动作。实际上，运动捕捉的对象不仅仅是表演者的动作，还可以包括表情、物体的运动、相机灯光的运动等等。

从原理上讲，目前常用运动捕捉技术主要有机械式、声学式、电磁式和光学式，各种技术均有自己的优缺点和适用场合。其中以电磁式和光学式最为常见。电磁式运动捕捉的优点是信息量大，速度快，实时性好，装置的定标比较简单，技术较成熟，鲁棒性好。成本相对低廉。但对环境要求严格，允许表演范围小，特别是需要在表演者身上系电缆，对活动限制比较大，不适于捕捉比较剧烈的运动。光学式运动捕捉的优点是表演者活动范围大，无电缆、机械装置的限制，使用很方便。其采样速率较高，但系统价格昂贵，后处理过程较为复杂，动作复杂时可能发生混淆、遮挡，产生错误的结果，需要人工干预后处理过程。

运动捕捉技术得到的真实运动的记录，而以动作驱动模型而最终生成画序列，同样是一项复杂的工作。动画系统必须根据动作数据，生成符合生理约束和运动学常识的，在视觉效果上连贯自然的动画序列，并考虑光照、相机位置等的影响。在需要时，必须达成一些特殊的效果。根据剧情的要求，还可能需要对捕捉到的运动数据进行编辑和修改，甚至将其重新定向到与表演者完全不同的另一类模型。这些，涉及到角色的动力学模型和运动控制、图形学、运动编辑、角色造型等技术，是表演动画系统的又一关键。

表演动画的出现，是动画制作技术的一次革命，这一技术将从根本上改变现有的影视动画制作乃至特技制作方法，极大地缩短动画制作的时间，降低成本，使得动画制作过程更为直观，效果更为生动逼真，甚至能使影片中的人物、动物等做出不可能作出的动作，达到惊人的特技效果。鉴于表演动画技术的巨大优越性，国内外许多厂商开发多种类型的表演动画设备，如Kaydara、Dreamteam、Lambridge Animation System等，而许多高级的三维动画软件，如Maya 等，都具备支持动作驱动的功能。

表演动画的优点

与传统动画制作技术相比，表演动画有许多独特的优越性：

·动画质量高。在传统技术中，角色的动作都是由动画师调整的，在很多情况下，例如男性和女性行走姿态的细微区别、顶尖舞蹈家的艺术表演、体育运动、表情的变化等等，这种手工调整很难达到非常逼真自然的程度。而表演动画则直接对演员、运动员和舞蹈家的动作进行捕捉，以真实的动作和表情去驱动角色模型，使得最终生成的动画画面真实自然，其效果远远优于传统技术。

·速度快。将原先对于角色姿态的手工调整变为直观的表演，极大地提高了动画制作的速

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度，可以在很短的时间里制作复杂的动画。

·节省开支。在非常短的时间可以看到所设计的结果，特别是复杂的动作设计，可以有效地节约制作成本。

·特殊效果。表演动画系统在提供真实动作的同时，又具备表演动作与角色模型分离的特性，通过改变动作与角色模型的对应关系，可以得到一些匪夷所思的特殊效果，例如以猿猴的动作驱动一只兔子，以人的动作驱动老虎的三维模型。

·灵活的控制。制作人员可以在几分钟之内看到所捕捉的动作，而且具有非常大的灵活性，如果制作人员想改变一下所捕捉的动作，可以利用标准的动画工具如反向运动学、皮肤变形等对这个动作做进一步的修改、编辑。制作人员也可以对动作增加各种变化。

·积累数字图像素材：一旦动作被捕捉，坐标就可以被映射到任意具有不同年龄、大小、种族、服饰的人物上。所有动作可以通过创建动作数据库进行存储，一次表演其动作可存于素材库中，多次修改使用，甚至可以将一些过去的影片中的经典动作提取出来，驱动新的角色模型。

表演动画技术的应用前景

表演动画技术的出现给影视特技制作、动画技术带来革命性的变化，将从根本上改变现有的影视动画制作乃至特技制作方法。动画师不需要再在计算机屏幕上反复摆弄模型的姿态，一点点地调整模型的表情，而只需要通过人的直观动作表演就能轻易完成任务。它可以极大地提高了动画制作的效率，缩短制作时间，降低制作成本。许多成功的应用表明，采用表演动画技术的制作成本甚至不到有传统方法的十分之一，而且使动画制作过程更为直观，效果更为生动逼真，甚至能使影片中的人物、动物等做出不可能作出的动作，达到惊人的特技效果。

三维动画特技制作的包含了数字模型构建、动画生成、场景合成三大环节，而三维扫描、表演动画、虚拟演播室等新技术，恰恰给这三大环节都带来的全新的技术突破。综合运用这些新技术，可望获得魔幻般的特技效果，彻底改变动画制作的面貌。可以想象，先用三维扫描技术对一个八十岁的白发老太太进行扫描，形成一个数字化人物模型，然后将乔丹的动作捕捉下来，用以驱动老人模型的运动，观众将看到八十老妪空中扣篮的场面。甚至可以用演员的表演驱动动物的模型，拍摄真正的动物王国故事。利用表演动画技术还可以实现网上或电视中的虚拟主持人。

现代高级三维、仿真游戏，强调游戏者的“参与感”和“沉浸感”，强调游戏者与游戏环境的互动性。可以借助三维扫描技术得到游戏者数字模型，置于游戏环境，再利用运动捕捉技术捕捉游戏者的各种动作，用以驱动其数字模型，这样可以给游戏者以全新的感受，开发出真实感极强的游戏系统。

我们相信，随着技术的进一步成熟和发展，表演动画技术将会在动画制作等许多领域扮演更重要的角色。

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