摘要：Endorphin動態(tài)運(yùn)動合成系統(tǒng)是基于人工智能控制器來模仿人體神經(jīng)系統(tǒng)的角色動畫模擬軟件，它不依賴傳統(tǒng)關(guān)鍵幀和動作捕捉技術(shù)就可讓3D角色產(chǎn)生互動行為或按照設(shè)定的狀態(tài)自行產(chǎn)生真實(shí)的動作，并可在實(shí)時狀態(tài)下對角色的運(yùn)動進(jìn)行合成，這在游戲角色動畫制作領(lǐng)域具有極高的實(shí)用價值。文章主要從Endorphin的原理、功能、傳統(tǒng)動作捕捉存在的問題以及Endorphin在游戲動畫制作域的應(yīng)用等幾個方面進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：動態(tài)運(yùn)動合成軟件；動作捕捉；Endorphin；Euphoria；游戲?qū)崟r動畫技術(shù)

中圖分類號：TP30 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）34-0050-03

在3D游戲角色動畫制作領(lǐng)域，動作捕捉代表著當(dāng)今游戲角色動畫制作技術(shù)的主流，但這種基于硬件的傳統(tǒng)動作捕捉系統(tǒng)在游戲角色動畫制作領(lǐng)域中存在的問題也是顯而易見的。Natural Motion公司的Endorphin動態(tài)運(yùn)動合成軟件的出現(xiàn)為游戲角色動畫制作的發(fā)展提供了新的方向，其在技術(shù)上極具創(chuàng)新性，它無需任何特殊硬件設(shè)備，采用革命性的人工智能和生物力學(xué)、遺傳算法技術(shù)，賦予角色擬真的動作及互動模擬，實(shí)時產(chǎn)生骨骼運(yùn)動軌跡和動畫數(shù)據(jù)，達(dá)到完全由軟件“捕捉”運(yùn)動的效果。

Endorphin軟件等同于建立了一個物理模擬系統(tǒng)，并給系統(tǒng)里的虛擬角色配置了高端的人工智能和生物特性，使其在不同情況下表現(xiàn)得如同動作捕捉系統(tǒng)中的演員一般，這極大地縮短了游戲角色動畫制作的時間，降低了游戲的制作成本。以發(fā)展的眼光看，這種智能化的實(shí)時角色動畫生成技術(shù)將會徹底取代傳統(tǒng)的動作捕捉

技術(shù)。

1 動態(tài)運(yùn)動合成軟件——Endorphin的原理

基于動態(tài)運(yùn)動合成技術(shù)的Endorphin軟件是以牛津大學(xué)生物學(xué)院對人和動物的運(yùn)動控制研究為基礎(chǔ)，采用遺傳算法，通過建立一個具有真實(shí)物理屬性和生物特性的角色模型，賦予它一套仿真的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，再設(shè)定希望得到的目標(biāo)行為。然后模擬自然界生物優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化過程，采用人工進(jìn)化的方法，連續(xù)篩選出最為接近目標(biāo)行為的若干段程序碼，變異組合后，產(chǎn)生下一代程序碼，經(jīng)過數(shù)代“繁殖”、“進(jìn)化”后，得到最優(yōu)的程序碼即可生成實(shí)時并且是符合要求的自適應(yīng)行為。傳統(tǒng)制作角色動畫的方法是固定，場景的改變不會對它們的動作產(chǎn)生任何影響，而Endorphin軟件的虛擬角色可對環(huán)境的感知做出反應(yīng)，這如同人類一樣可以根據(jù)場景或環(huán)境的改變產(chǎn)生自適應(yīng)行為，動畫師所要做的就是給它下達(dá)命令而已。

Endorphin軟件中產(chǎn)生的三維角色動畫完全是交互式的。它的自適應(yīng)人工智能行為列表中有眾多的可選行為，如爆炸、跳躍、翻滾、行走、跑步等，每種行為又有不同的表現(xiàn)。你也可以實(shí)現(xiàn)同時對多角色的控制，讓每個角色擁有獨(dú)立的行為和姿勢，并讓他們互相阻擋、推擠、打斗，且每個角色的行為都是實(shí)時的。

2 傳統(tǒng)動作捕捉技術(shù)在3D游戲動畫制作中存在的問題

傳統(tǒng)動作捕捉技術(shù)在游戲角色動畫制作中存在諸多局限性，表現(xiàn)在以下五個方面：

2.1 動畫數(shù)據(jù)的平滑問題

在游戲動畫領(lǐng)域，動畫數(shù)據(jù)的平滑是一個仍未解決的難題。游戲角色動畫本應(yīng)是互動的，但游戲里的3D動畫是由多段短小的預(yù)制動畫拼接而成，多段動畫拼接時，角色的姿態(tài)不能很好地銜接，這也就是在3D游戲里角色動畫不連貫的原因。

2.2 目標(biāo)重新設(shè)置的問題

3D游戲里基本上是把一套動作捕捉數(shù)據(jù)運(yùn)用到不同的角色上，比如捕捉一套足球射門的動作來驅(qū)動游戲里所有球員的射門，當(dāng)游戲角色與動作捕捉的演員體型差異較大時，就會發(fā)生球員腳碰不到球或腳伸入足球里等錯誤現(xiàn)象。

2.3 動作捕捉的場地和對象限制

有些運(yùn)動并不適合在動作捕捉工作室中進(jìn)行，如賽馬、跳傘等運(yùn)動。此外，這種捕捉局限于人物和動物，但游戲里的角色可能是恐龍或螞蟻，你無法讓它們作為捕捉的演員。

2.4 安全性的問題

動作捕捉主要是靠人表演，當(dāng)你需要捕捉演員從高空墜落或是汽車與演員碰撞等動作時，會給捕捉帶來意外事故的隱患。

2.5 昂貴的動作捕捉設(shè)備和復(fù)雜的后期處理

建立動作捕捉工作室需數(shù)十臺專業(yè)攝影機(jī)和至少幾十平米的大型場地，這使得多數(shù)游戲制作公司都無法擁有自己的動作捕捉工作室。再則捕捉速度一般是60幀/秒，捕捉時常出現(xiàn)跟蹤球位置重疊或骨骼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)錯亂的現(xiàn)象，要在龐大的數(shù)據(jù)里找出這些問題需要非常專業(yè)的技術(shù)人員才能夠做到。

3 與傳統(tǒng)動作捕捉系統(tǒng)相比，Endorphin軟件所具有的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)傳統(tǒng)動作捕捉技術(shù)相比，Endorphin可以直接產(chǎn)生骨骼動畫數(shù)據(jù)，其主要優(yōu)勢表現(xiàn)在以下四個方面：

3.1 可實(shí)時創(chuàng)建角色動畫，產(chǎn)生完整干凈的動態(tài)數(shù)據(jù)

Endorphin將人工智能應(yīng)用到角色生物力學(xué)的模擬中，動畫可實(shí)時調(diào)整，制作兩個人打斗的動畫僅需幾分鐘，并可產(chǎn)生完美的動態(tài)數(shù)據(jù)，無需要再通過專業(yè)人士進(jìn)行后期清除噪聲數(shù)據(jù)。

3.2 拓展利用現(xiàn)有的動畫數(shù)據(jù)

它可以獲取c**、Acclaim（*.asf）、Acclaim（*.amc）、Biovision（*.bvh）和Kaydara FBX（*.fbx）五種文件格式的運(yùn)動文件，方便地導(dǎo)入3DSMAX中的CS或者Kaydara公司的MotionBuilder軟件，進(jìn)行最終的動畫設(shè)計(jì)和渲染輸出。Endorphin 2.52版本就已能輸入Vicon動態(tài)捕捉器的所捕捉的動態(tài)數(shù)據(jù)，自動平滑處理與Endorphin之間的過渡動畫。

3.3 完成傳統(tǒng)動作捕捉不可能完成的任務(wù)

危險(xiǎn)的動作捕捉不能由演員來完成，而Endorphin的演員是虛擬的，能模擬任何危險(xiǎn)情況下的動畫，比如高空跳樓、撞擊等效果。endprint

3.4 Endorphin的“自適應(yīng)行為”

Endorphin的自適應(yīng)行為功能，具有互動性，可為3D角色自動添加動畫效果。如果將兩個足球運(yùn)動員的角色靠近放置，其中一個球員會自動碰到另一名球員，纏住他的雙腿將其拌倒，整個動作非常逼真。

4 Endorphin在游戲角色動畫制作中的應(yīng)用

4.1 Endorphin操作流程

4.1.1 設(shè)定虛擬角色。Endorphin可自動生成的角色。Endorphin有兩個軌道面板：角色軌道面板與環(huán)境軌道面板。在角色軌道點(diǎn)擊右鍵會出現(xiàn)各種行為事件以供選擇，如姿態(tài)事件、行為事件、約束事件、力事件等。在環(huán)境軌道可在場景中創(chuàng)建一些如建筑物、汽車、槍只等物體，并可設(shè)置其物理屬性。

4.1.2 創(chuàng)建事件。創(chuàng)建事件后，事件以橙色滑塊顯示在角色軌道，同時上面還有事件名稱。滑塊可在時間軸上拖動，以調(diào)節(jié)該事件的時間長度。如選擇“胳膊旋轉(zhuǎn)”的行為事件，點(diǎn)擊播放按鈕后，即可顯示虛擬角色胳膊旋轉(zhuǎn)的動畫，調(diào)節(jié)胳膊旋轉(zhuǎn)的各種參數(shù)，如肩膀、肘擺動的幅度、速度以及腿和軀干硬度等。播放超過滑塊長度后，受到重力影響，虛擬角色自然下垂倒地。如讓角色不倒下且有后續(xù)行為時，再根據(jù)需要添加其他事件，添加其他事件后軟件會再次生成一移動滑塊，兩個滑塊連接后，剛才的動作會與這個滑塊的動作連接在一起，成為一連串連續(xù)動作。動作的連接如果比較生硬，則可再次添加事件，如運(yùn)動傳遞事件進(jìn)行修飾，以使動作連貫、流暢。

4.1.3 執(zhí)行模擬命令產(chǎn)生動畫。

4.1.4 虛擬角色動畫數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。將虛擬角色模擬解算后生成動畫數(shù)據(jù)以FBX的格式導(dǎo)出，然后導(dǎo)入到3DSMAX、MAYA或是motionbuilder中。

4.2 Endorphin的事件模塊

Endorphin軟件一套完整的角色動作模擬依賴于事件的組合。Endorphin的事件模塊類似于動作數(shù)據(jù)庫，但不同于一般動作捕捉或是手工制作的動作數(shù)據(jù)庫，這種動作數(shù)據(jù)庫無法形成互動，而Endorphin的事件模塊是可以與游戲動畫師通過參數(shù)的調(diào)節(jié)進(jìn)行互動，這種交互式的行為功能，是Endorphin的核心功能。

Endorphin的事件模塊中主要有行為事件和其他事件兩個部分。行為事件包括平衡事件、掙扎事件、腿部行為、胳膊行為、倒地行為、抱住行為、雙手行為、跳躍行為、空中掙扎掉落行為、身體硬度與僵硬、彎曲行為事件、阻尼行為事件。其他事件包括運(yùn)動過渡事件、力事件、約束事件、姿態(tài)事件、運(yùn)動傳遞事件、切斷事件。事件的眾多組合可滿足多數(shù)情況下游戲動畫制作的要求，隨著Endorphin新版本的出現(xiàn)，其事件模塊功能將更豐富。

4.3 Endorphin在游戲角色動畫制作中的功能

Endorphin在游戲動畫制作中的功能主要體現(xiàn)在以下五個方面：

4.3.1 可實(shí)現(xiàn)高層次交互式動畫并實(shí)時產(chǎn)生動畫數(shù)據(jù)，用戶只需改變設(shè)定的參數(shù)即可交互式產(chǎn)生新的動畫，快速簡潔，易于修改和重新制作，無需手工制作動畫關(guān)鍵幀那樣逐幀設(shè)定。與傳統(tǒng)動作捕捉方法一樣，Endorphin生成的動畫也可作為預(yù)制動畫存儲于數(shù)據(jù)庫以被游戲調(diào)用，若Endorphin被嵌于游戲系統(tǒng)引擎，預(yù)制動畫則沒有存在的必要，所有動畫都可以由Endorphin在游戲中實(shí)時生成，且不會重復(fù)，也就不存在動畫片段間的平滑過渡問題。

4.3.2 高新能顯卡支持下，可實(shí)現(xiàn)對一個或多個虛擬角色進(jìn)行模擬，角色的數(shù)量無上限；也可以改變虛擬角色的骨骼結(jié)構(gòu)，模擬動物；亦可在場景中放置任何物體，讓角色與之碰撞或發(fā)生其他接觸。

4.3.3 Endorphin內(nèi)部預(yù)制有常見的肢體運(yùn)動行為，如手觸、腳踢物體、跳躍、向前向后摔倒等，而且允許或限制虛擬人某些部位的運(yùn)動。例如在整個動畫過程中，虛擬人的手必須抓住門的扶手或雙手握著手槍，這些預(yù)制動作極大地方便了游戲動畫的制作。

4.3.4 Endorphin可以設(shè)置虛擬角色的最終位置和姿勢，系統(tǒng)會在模擬過程中盡量往目標(biāo)靠近，這種規(guī)定動畫結(jié)局的方法能給游戲的開放式設(shè)計(jì)帶來有效的控制。系統(tǒng)允許把模擬的動畫和輸入的動畫混合，這樣可以將現(xiàn)有的動畫和Endorphin的物理模擬無縫結(jié)合，這對動畫制作次要的連續(xù)變化非常有用。

4.3.5 Endorphin允許用戶輸入動畫和模擬動畫混合，這可以將動畫師現(xiàn)有的3DSMAX或MAYA動畫數(shù)據(jù)輸入到Endorphin中，利用Endorphin物理模擬優(yōu)勢可以節(jié)約大量的游戲動畫制作時間。

5 游戲角色動畫引擎——Euphoria

Natural Motion公司在其核心產(chǎn)品Endorphin產(chǎn)品基礎(chǔ)上新開發(fā)的Euphoria游戲角色動作引擎，這與只能作為角色動畫制作工具的Endorphin有了根本性的

變化。

Euphoria利用CPUs對交互的動畫進(jìn)行合成，不再是基于對已存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用，而是對游戲角色真實(shí)肌肉運(yùn)動和生物力學(xué)的快速模擬，它可使游戲動畫生成的實(shí)時性更強(qiáng)，編程人員不必事先編寫角色的反應(yīng)程序，而是直接由動畫引擎通過計(jì)算動作力度等多重變量來決定游戲中的角色模型將如何反應(yīng)，每次的計(jì)算結(jié)果都會有所不同，因此玩家會體驗(yàn)到與以往不同的獨(dú)特感覺，游戲中角色的動作就是你本人的動作，而不再是動畫數(shù)據(jù)，游戲中的角色行動起來就好像有中樞神經(jīng)控制一樣的靈敏。

Euphoria將動態(tài)動作合成技術(shù)運(yùn)用到Playstation 3、Xbox 360和PC機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)動作合成技術(shù)鑲嵌于游戲引擎，使之能夠營造出真實(shí)、獨(dú)特的游戲體驗(yàn)，動畫逼真程度可稱得上前所未有。這是繼3D圖像后游戲領(lǐng)域中最大的革新，也是游戲?qū)崟r動畫技術(shù)的一次重大突破。

6 結(jié)語

Endorphin作為一個可進(jìn)行動作捕捉模擬的交互式動態(tài)運(yùn)動合成軟件，具有實(shí)時演算、角色動畫自動生成的功能，其剪輯式編輯動畫的操作方式改變了人們制作游戲角色動畫的傳統(tǒng)思維。Endorphin軟件盡管受現(xiàn)階段人工智能和生物仿真技術(shù)發(fā)展的限制，仍然只是一個制作動畫的工具，其產(chǎn)生的自適應(yīng)行為種類也有限，但Endorphin所采用的技術(shù)模式代表著未來游戲角色動畫的發(fā)展趨勢。隨著更先進(jìn)的Euphoria游戲角色動作引擎的出現(xiàn)，使游戲的實(shí)時動畫技術(shù)上升到了一個新的高度，在可見的未來，智能化的實(shí)時動畫生成技術(shù)將在3D游戲動畫領(lǐng)域一統(tǒng)天下。

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作者簡介：尚冰（1973-），男，安徽人，供職于蘇州高博軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：三維動畫。endprint