【摘 要】 介紹動(dòng)作捕捉技術(shù)及跟蹤方式，分析目前動(dòng)作捕捉技術(shù)中光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)框架及其應(yīng)用設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】 動(dòng)作捕捉；跟蹤方式；光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)；電視節(jié)目

文章編號(hào)： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.06.012

The Application of Action Capture Technology in TV Program

LI Yan

（Hunan Broadcasting System， Changsha Hunan 410008， China）

【Abstract】The author introduces motion capture technology and tracking mode， analyzes the framework and application design of optical motion capture system in motion capture technology.

【Key Words】motion capture； tracking mode； optical motion capture system； TV program

1 引言

動(dòng)作捕捉（簡(jiǎn)稱“動(dòng)捕”）技術(shù)最初是應(yīng)用于電影的制作。想必很多人對(duì)于電影《阿凡達(dá)》中 “外星人”與真人一般的一舉一動(dòng)、一顰一笑的逼真動(dòng)作效果記憶猶新，于是越來(lái)越多的人知道了令《阿凡達(dá)》如此逼真的動(dòng)作捕捉技術(shù)。而電影《魔獸世界》中，即使是以真人演繹的獸人，運(yùn)用動(dòng)作捕捉技術(shù)抓住捕捉對(duì)象的行為特征，賦予人物角色靈魂，達(dá)到這一目標(biāo)也是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。對(duì)于扮演獸人的演員來(lái)說(shuō)，最重要的是他們必須學(xué)會(huì)如何像真正的獸人一樣行動(dòng)。為此，《魔獸世界》劇組專門請(qǐng)來(lái)運(yùn)動(dòng)專家，用了六周的時(shí)間訓(xùn)練演員，讓演員們徹底活在獸人的世界里，直至每個(gè)人都適應(yīng)了獸人的行動(dòng)方式。動(dòng)作捕捉技術(shù)為電影藝術(shù)再現(xiàn)作家筆下架構(gòu)的虛擬魔幻世界提供了有效的先進(jìn)技術(shù)工具。

近年來(lái)隨著虛擬角色在電視中的運(yùn)用越來(lái)越多，電視節(jié)目制作也開(kāi)始運(yùn)用動(dòng)作捕捉技術(shù)。如在2016年CCTV5世界杯期間推出的《豪門盛宴》中，出現(xiàn)了多名虛擬球員同屏互動(dòng)；2017年大型選秀型節(jié)目《明日之子》中，選手荷茲（見(jiàn)圖1）是以虛擬二次元歌手的形象與真人選手同臺(tái)競(jìng)技參加選秀，不但可以多機(jī)位實(shí)時(shí)拍攝，還可以與觀眾互動(dòng)，并可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與自帶舞美切換（虛擬場(chǎng)景）的虛實(shí)結(jié)合。綜合《明日之子》節(jié)目中荷茲這個(gè)人物的設(shè)定、呈現(xiàn)效果及觀眾對(duì)其的關(guān)注度來(lái)看，這次動(dòng)作捕捉技術(shù)在電視領(lǐng)域的運(yùn)用有著良好的借鑒作用。

近年來(lái)動(dòng)作捕捉技術(shù)呈現(xiàn)出一些新的技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)，本文中重點(diǎn)分析目前動(dòng)作捕捉技術(shù)發(fā)展最為成熟的光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)框架及其應(yīng)用設(shè)計(jì)方案。

2 動(dòng)作捕捉技術(shù)及跟蹤方式

動(dòng)作捕捉技術(shù)（motion capture，簡(jiǎn)稱mocap）就是把人或者動(dòng)物的動(dòng)作通過(guò)動(dòng)捕系統(tǒng)以數(shù)據(jù)和骨骼的形式保存下來(lái)，數(shù)據(jù)涉及尺寸測(cè)量、物理空間里物體的定位及方位測(cè)定等方面，然后由計(jì)算機(jī)處理這些數(shù)據(jù)。動(dòng)作捕捉需要在運(yùn)動(dòng)物體的關(guān)鍵部位設(shè)置跟蹤點(diǎn)，由系統(tǒng)捕捉跟蹤點(diǎn)在三維空間中運(yùn)動(dòng)的軌跡，再經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后，提供給用戶可以在動(dòng)畫制作中應(yīng)用的數(shù)據(jù)。動(dòng)畫師可以將數(shù)據(jù)與動(dòng)畫角色合成，生成動(dòng)畫，然后很方便地在計(jì)算機(jī)中調(diào)整、控制運(yùn)動(dòng)的物體。

動(dòng)作捕捉的跟蹤方式分為光學(xué)式（Optical）和非光學(xué)式捕捉系統(tǒng)。

光學(xué)式捕捉系統(tǒng)中，因被捕捉點(diǎn)的類型不同又分為被動(dòng)和主動(dòng)兩種方式的標(biāo)記點(diǎn)。這兩種標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)用是根據(jù)不同的拍攝環(huán)境來(lái)做選擇的，如被捕捉的人物或道具在一個(gè)沒(méi)有干擾且捕捉攝像機(jī)在質(zhì)量好的可視環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)捕捉，那么被動(dòng)式標(biāo)記點(diǎn)（采用反射材料制成，優(yōu)點(diǎn)精確度高）就能夠很好地滿足對(duì)數(shù)據(jù)的要求；相反，如果受到場(chǎng)地等外部環(huán)境的限制，就只能采取主動(dòng)發(fā)光式標(biāo)記點(diǎn)（采用LED發(fā)光體積較大，無(wú)法捕捉太精細(xì)的動(dòng)作，如臉部表情）。

非光學(xué)式捕捉系統(tǒng)也因?yàn)椴蹲椒绞降牟煌譃闄C(jī)械式（Mechanical）、電磁式（Magnetic）、慣性運(yùn)動(dòng)捕捉。這三種方式也是各有優(yōu)缺點(diǎn)，如機(jī)械式優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)成本低廉，沒(méi)有干擾問(wèn)題，但自由度非常低，不能捕捉較為復(fù)雜的動(dòng)作和進(jìn)行互動(dòng)演出；電磁式易受環(huán)境中電磁波的干擾及連接線或電源，會(huì)影響捕捉對(duì)象的靈活性；慣性運(yùn)動(dòng)捕捉無(wú)需外部攝像機(jī)，無(wú)需解算，便于攜帶，有更大的捕捉區(qū)域，缺點(diǎn)是定位精度比較低、定位漂移。

就現(xiàn)階段而言，光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)最為成熟，因其捕捉精度高且運(yùn)動(dòng)不受限制，在電影、電視、舞臺(tái)得到更廣泛的運(yùn)用。

3 光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的總體構(gòu)架

光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)由：攝像機(jī)、Giganet（動(dòng)捕系統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）、專業(yè)電纜連線，專用配件包（專業(yè)動(dòng)捕服裝、校準(zhǔn)棒、采光點(diǎn)等）和PC工作站構(gòu)成，如圖2所示。

動(dòng)捕攝像機(jī)一般均勻地架設(shè)在演員活動(dòng)的場(chǎng)地周圍，架設(shè)完成以后會(huì)統(tǒng)一做一次可視范圍的校正。演員首先穿上一套專業(yè)的動(dòng)作捕捉服，衣服一般為亞光材質(zhì)，然后為采集到動(dòng)作需求在身體的關(guān)節(jié)處貼上相應(yīng)的采光點(diǎn)，如圖3所示。計(jì)算機(jī)處理軟件有一套準(zhǔn)確的運(yùn)算體系，對(duì)與計(jì)算機(jī)相連的攝像機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的運(yùn)算，得到每個(gè)采集點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后再把這些運(yùn)動(dòng)軌跡以點(diǎn)源的形式記錄，并匹配給對(duì)應(yīng)模型的骨骼，最后就可驅(qū)動(dòng)骨骼模型運(yùn)動(dòng)。

光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)的軟件方面，因捕捉對(duì)象的不同而選擇不同的軟件，捕捉對(duì)象為道具時(shí)可選用Tracker；捕捉對(duì)象為任何類型的骨骼（兩足和四足動(dòng)物骨骼）時(shí)可使用Blade；隨著技術(shù)的發(fā)展，2017年新推出了一款和Blade功能相似但更強(qiáng)大的Shogun，在之前的動(dòng)作捕捉工作流程里需要先進(jìn)行一個(gè)數(shù)據(jù)的重建，然后才能看到人物的骨骼效果，現(xiàn)在這款軟件可以直接掃描自動(dòng)構(gòu)建人物的骨骼數(shù)據(jù)，還可做到多人同時(shí)采集數(shù)據(jù)。

4 案例方案設(shè)計(jì)

隨著影視的高度發(fā)展，虛擬角色技術(shù)逐漸完善，使得動(dòng)作捕捉技術(shù)應(yīng)用的需求迅速擴(kuò)大，尤其伴隨電視臺(tái)頻道的細(xì)分、融媒體直播等業(yè)務(wù)的發(fā)展，更需要像動(dòng)作捕捉技術(shù)這類技術(shù)的支撐。湖南金鷹卡通衛(wèi)視作為湖南廣播電視臺(tái)細(xì)分市場(chǎng)的專業(yè)性定位非常強(qiáng)的頻道，由于特定的受眾群體，對(duì)于卡通角色的運(yùn)用量非常大。

金鷹卡通衛(wèi)視的卡通形象麥咭，作為頻道的形象代言時(shí)常要參與頻道形象片和欄目宣傳片的制作。這次是參與《飛行幼樂(lè)園》麥咭與主持人合拍mv。在傳統(tǒng)的CG（Computer Graphics）角色的正常制作流程下，要制作一部與真人合拍的MV ，是需要花大量的時(shí)間和人力才能完成的。如何能在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上花較少的時(shí)間高質(zhì)量地完成這一MV的拍攝，下面較為詳細(xì)地介紹動(dòng)作捕捉方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施。

4.1 方案設(shè)計(jì)

麥咭的動(dòng)作是通過(guò)拾取扮演者的動(dòng)作而獲得，因此先要測(cè)試錄制現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)及麥咭與扮演者動(dòng)作匹配的數(shù)據(jù)。

測(cè)試時(shí)遇到了始料未及的問(wèn)題，演員骨骼無(wú)法完全與麥咭骨骼的軸向匹配。經(jīng)過(guò)多次掃場(chǎng)定位軸向，終于把麥咭的骨骼與演員的骨骼匹配成一致的軸向（見(jiàn)圖4）。因麥咭的模型結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)它的扮演者結(jié)構(gòu)有很大的區(qū)別，為了讓麥咭的動(dòng)作更加形象生動(dòng)和不穿幫，把扮演者的動(dòng)作做了符合麥咭身體結(jié)構(gòu)的調(diào)整，如扮演者的手不能自然下垂，需要與身體有一定距離，對(duì)應(yīng)到麥咭模型上的手部才不會(huì)錯(cuò)位到身體里。然后根據(jù)現(xiàn)有的VIZRT虛擬系統(tǒng)提出了相應(yīng)的解決方案：使用VIOCN動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)配合身穿動(dòng)捕服的演員直接驅(qū)動(dòng)麥咭人偶模型，輸出成一路可摳像的視頻信號(hào)（見(jiàn)圖5、圖6），并將其放置在虛擬場(chǎng)景中與主持人一起同步錄制（見(jiàn)圖7、圖8）。在這個(gè)技術(shù)方案確定之后，著手解決以下幾個(gè)問(wèn)題。

（1）所使用的VIZRT虛擬系統(tǒng)渲染引擎只能支持剛體模型，無(wú)法支持類似于麥咭這樣的柔體模型。

對(duì)此，使用MOTIONBULIDER軟件來(lái)做模型的驅(qū)動(dòng)渲染，同時(shí)將MOTIONBULIDER生成的實(shí)時(shí)畫面作為視頻信號(hào)輸出到VIZRT渲染引擎。但是這樣一來(lái)又產(chǎn)生了新的問(wèn)題，MOTIONBULIDER軟件視頻信號(hào)輸出無(wú)法同時(shí)輸出鍵信號(hào)，不能把單獨(dú)的麥咭虛擬形象輸出到虛擬引擎，于是把畫面背景設(shè)置為全藍(lán)，將帶藍(lán)色背景的視頻信號(hào)輸出到VIZRT引擎，然后用軟件色鍵進(jìn)行摳像合成的方式解決。

（2）動(dòng)捕系統(tǒng)和虛擬綠箱使用的是同一個(gè)演播廳空間（見(jiàn)圖5），進(jìn)行拍攝時(shí)動(dòng)捕演員有可能會(huì)出現(xiàn)在畫面當(dāng)中，發(fā)生“穿幫”。

對(duì)此，使用VIZRT引擎的遮罩功能進(jìn)行屏蔽解決。在錄制的同時(shí)，調(diào)整好3個(gè)虛擬機(jī)位的虛擬場(chǎng)景，并根據(jù)主持人的位置擺放好麥咭虛擬人偶在場(chǎng)景中的位置；根據(jù)動(dòng)捕演員的站位確定虛擬場(chǎng)景遮罩的位置，避免穿幫。

4.2 錄制系統(tǒng)設(shè)備配置

為實(shí)現(xiàn)在MV錄制時(shí)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)麥咭，并和主持人一起完成舞蹈動(dòng)作。系統(tǒng)使用的設(shè)備有：16臺(tái)VICON MX-T40S攝像機(jī)、專業(yè)動(dòng)捕服一套、采光點(diǎn)53個(gè)（采光點(diǎn)數(shù)量是根據(jù)人體骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)而設(shè)定，為行業(yè)內(nèi)默認(rèn)的數(shù)量及點(diǎn)位的位置）、校準(zhǔn)棒一個(gè)、vicon mx-Giganet專業(yè)數(shù)據(jù)連接器2臺(tái)；虛擬機(jī)位3個(gè)，由shotuk tk-53vr 搖臂、shotuk tp90、云頓250E、Ultimatte 11高清色鍵器3臺(tái)、HPz820渲染引擎3臺(tái)。系統(tǒng)的連接見(jiàn)圖9。

整個(gè)節(jié)目錄制耗時(shí)4?5小時(shí)，成片2個(gè)MV，大大縮減了后期制作的成本，成片效果反映良好。麥咭主持綜藝節(jié)目的錄制為以后生產(chǎn)類似的節(jié)目提供了一個(gè)好的參考和借鑒。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的發(fā)展和電視節(jié)目的深度開(kāi)發(fā)，需要更高更新的電影動(dòng)畫角色制作技術(shù)應(yīng)用在電視節(jié)目播出中，塑造類似麥咭、荷茲這樣的虛擬角色。但由于資金和技術(shù)所限，在整個(gè)電視節(jié)目制作領(lǐng)域仍屬起步階段，還需在設(shè)計(jì)和制作中不斷地嘗試，才能做出更好的電視節(jié)目。

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作者簡(jiǎn)介：

李艷，2000畢業(yè)于湖南師范大學(xué)藝術(shù)學(xué)院設(shè)計(jì)系，同年進(jìn)入湖南廣播電視臺(tái)一直從事后期動(dòng)畫制作，近年來(lái)從事虛擬場(chǎng)景以及動(dòng)態(tài)捕捉技術(shù)的設(shè)計(jì)制作和運(yùn)用。