數(shù)字化動(dòng)畫(huà)動(dòng)態(tài)捕捉技術(shù)范文

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數(shù)字藝術(shù)動(dòng)畫(huà)是一種獨(dú)特的藝術(shù)表現(xiàn)形式，它使創(chuàng)造者得以控制人、物的運(yùn)動(dòng)和表象。這使藝術(shù)家極大自由，利用得當(dāng)，足以產(chǎn)生具有重大影響的作品。因?yàn)樗卸荚诳刂疲卸寄芸刂浦畠?nèi)，所以，這種自由也可能產(chǎn)生不利影響，控制物體的運(yùn)動(dòng)是很困難的事，需要技巧和努力。

一、數(shù)字化動(dòng)畫(huà)為從觀察到的現(xiàn)實(shí)的運(yùn)動(dòng)的物體的動(dòng)畫(huà)動(dòng)作創(chuàng)作過(guò)程提供了潛力

光學(xué)，機(jī)械或磁性傳感器記錄的運(yùn)動(dòng)，可以被轉(zhuǎn)移到動(dòng)畫(huà)人物。這個(gè)過(guò)程通常稱為動(dòng)作捕獲，雖然行為“捕捉”只是借助于觀察到的現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作的一個(gè)方面。創(chuàng)造動(dòng)畫(huà)的任務(wù)有一些獨(dú)特的要求，只有考慮到這些要求，捕獲方法在動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作才是一個(gè)有用的工具。首先使用動(dòng)作捕捉創(chuàng)造運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)，并探討了替代品。然后我們從動(dòng)作捕捉角度考慮創(chuàng)造動(dòng)畫(huà)的整個(gè)過(guò)程中，并詳細(xì)探討其中的一些步驟。具體來(lái)說(shuō)，我們審視目前的捕獲技術(shù)和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)問(wèn)題。通過(guò)討論計(jì)算機(jī)視野在這過(guò)程中的機(jī)遇而得出結(jié)論。在動(dòng)畫(huà)界，動(dòng)畫(huà)師和動(dòng)作捕捉技術(shù)或用戶一直以來(lái)關(guān)系緊張。這種緊張來(lái)自于許多因素，其中一些是真正存在的和一些是憑感覺(jué)的。這一緊張的兩個(gè)主要來(lái)源是對(duì)動(dòng)作捕捉不現(xiàn)實(shí)的期望能（它可以自動(dòng)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)而取代動(dòng)畫(huà)）和運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的發(fā)展沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)的使用，留給動(dòng)畫(huà)師難于處理的數(shù)據(jù)。

二、運(yùn)動(dòng)捕捉和動(dòng)畫(huà)的實(shí)際觀察

1．運(yùn)動(dòng)捕捉不同于從觀察創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)過(guò)程運(yùn)動(dòng)捕捉可能有除了動(dòng)畫(huà)之外的多種原因，如生物醫(yī)學(xué)分析，監(jiān)控，運(yùn)動(dòng)性能分析或作為人機(jī)交互的輸入機(jī)制。這些任務(wù)都具有創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)問(wèn)題的相似性和差異性。在每一個(gè)步驟的第一階段，有需要對(duì)運(yùn)動(dòng)捕獲等觀察進(jìn)而解釋。許多用于動(dòng)畫(huà)的方法都根在生理或醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。捕捉運(yùn)動(dòng)只是使用此數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)的一部分，通常，運(yùn)動(dòng)捕捉這個(gè)術(shù)語(yǔ)是用來(lái)描述整個(gè)過(guò)程。問(wèn)題是，它忽略了任務(wù)的其他方面，并建立了從傳感器數(shù)據(jù)到動(dòng)畫(huà)，需要多少工作不合理的一些期望。不管怎樣，讓我們從抓住什么的問(wèn)題開(kāi)始。在某種意義上，一個(gè)攝像機(jī)對(duì)著一個(gè)人實(shí)際上是捕捉他們的運(yùn)動(dòng)。出于某種原因，這不是我們通常所說(shuō)的運(yùn)動(dòng)捕捉。這種區(qū)別，至少對(duì)我來(lái)說(shuō)，是動(dòng)作捕捉創(chuàng)建一個(gè)從外觀提取出運(yùn)動(dòng)的代表；以一種適合我們需要處理和分析的過(guò)程而編碼。

2．運(yùn)動(dòng)捕捉的定義依賴于我們?nèi)绾翁幚斫Y(jié)果動(dòng)作捕捉動(dòng)畫(huà)意味著我們會(huì)改變一些我們已經(jīng)記錄下來(lái)的東西，如果我們不打算改變什么，我們可以簡(jiǎn)單地重放視頻。幾乎總是，我們至少對(duì)要運(yùn)用的人物的運(yùn)動(dòng)是從一個(gè)真實(shí)的人到一些圖形模型的改變。根據(jù)定義，以動(dòng)畫(huà)意即賦予生命，所以在技術(shù)上，它使沒(méi)有生命的物體（圖形模式）動(dòng)起來(lái)，即我們做動(dòng)畫(huà)。

三、運(yùn)動(dòng)捕捉和動(dòng)畫(huà)

在線運(yùn)動(dòng)捕捉是獨(dú)特的，在于它是一種沒(méi)有替代性的應(yīng)用。然而，對(duì)于離線生產(chǎn)，運(yùn)動(dòng)捕獲僅僅是創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)幾個(gè)方法中的一個(gè)。理解的替代品是有用的，可以幫助我們看到運(yùn)動(dòng)捕捉在哪個(gè)方面最有用的，了解創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)為一個(gè)機(jī)制做點(diǎn)什么。傳統(tǒng)上，運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)已通過(guò)指定對(duì)象在每一個(gè)時(shí)刻的位置而創(chuàng)建。這些方法隨著藝術(shù)的發(fā)展而得以高度發(fā)展的手冊(cè)規(guī)范明顯的缺點(diǎn)是勞苦的，但也需要通過(guò)一系列具體的姿勢(shì)創(chuàng)作大量的技巧以創(chuàng)造令人信服的運(yùn)動(dòng)。而電腦可以自動(dòng)插值幀減少一些勞動(dòng)，手動(dòng)規(guī)范運(yùn)動(dòng)仍然需要天賦和培訓(xùn)。創(chuàng)造運(yùn)動(dòng)，如一個(gè)具體的人，不管是現(xiàn)實(shí)和/或準(zhǔn)確地模仿微妙的特點(diǎn)，是特別困難。對(duì)于離線生產(chǎn)，運(yùn)動(dòng)捕獲必須提供優(yōu)于其他現(xiàn)有的方法的優(yōu)點(diǎn)。要成為一個(gè)可行的選擇，無(wú)論在質(zhì)量上產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)和范圍，運(yùn)動(dòng)捕獲必須提供足夠的高質(zhì)量的服務(wù)。例如，如果運(yùn)動(dòng)捕捉并沒(méi)有提供足夠的保真度區(qū)分不同的演員的微妙的差異，一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)可能是足夠的。或者，如果一個(gè)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)只能捕獲范圍有限的運(yùn)動(dòng)，可能被圖書(shū)館覆蓋。現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造的方法設(shè)定高標(biāo)準(zhǔn)，新的工具才能滿足。

四、動(dòng)作捕捉動(dòng)畫(huà)步驟

動(dòng)作捕捉拍攝計(jì)劃和隨后的生產(chǎn)。使動(dòng)畫(huà)捕捉付諸實(shí)踐，良好的規(guī)劃是非常重要的。

1．動(dòng)作捕捉動(dòng)作捕捉動(dòng)畫(huà)歷史很長(zhǎng)但記錄不足。最早的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)使用機(jī)械電樞測(cè)量角度。早期的例子用測(cè)角線束設(shè)計(jì)用于醫(yī)療驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)模擬分析。各種方法已被成功地用于“捕獲”運(yùn)動(dòng)。因?yàn)椴煌姆椒▽?dǎo)致類似的結(jié)果，在每個(gè)層次上，實(shí)際記錄和發(fā)送一個(gè)人的表現(xiàn)是不相關(guān)的。然而，每一個(gè)不同的方法都有一套不同的權(quán)衡并且會(huì)呈現(xiàn)結(jié)果的不同問(wèn)題。而供應(yīng)商的各種捕獲系統(tǒng)正在不斷改善所有品種的系統(tǒng)，用戶體驗(yàn)在實(shí)踐中仍然占主導(dǎo)地位，限制特定的設(shè)備。通常，這種后處理軟件基于連續(xù)性的立場(chǎng)。光學(xué)系統(tǒng)通常喜歡高幀率以創(chuàng)造這樣的連續(xù)性，即使所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將被下采樣。當(dāng)分析技術(shù)提高，軟件技術(shù)尚不完善，需要手動(dòng)清除。硬件解決使用如微型發(fā)光二極管的歧義活動(dòng)的標(biāo)志。由于光學(xué)捕獲系統(tǒng)必須解決由于閉塞和對(duì)應(yīng)失去標(biāo)志，傳統(tǒng)上磁系統(tǒng)一直偏愛(ài)表現(xiàn)動(dòng)畫(huà)。改進(jìn)的光學(xué)加工軟件正在改變這一點(diǎn)。同樣，這兩種技術(shù)正在迅速發(fā)展，改變了許多歷史權(quán)衡其相對(duì)性價(jià)比。我們?cè)诠鈱W(xué)捕獲技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)捕捉技術(shù)之間做了一個(gè)主觀性的區(qū)分。我們把一個(gè)基于視覺(jué)的技術(shù)定義為可以分析“標(biāo)準(zhǔn)”的視頻流，進(jìn)行某種形式的圖像分析，確定演員在做什么。

2．運(yùn)動(dòng)編輯和運(yùn)動(dòng)捕捉運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)，理想上應(yīng)提供精彩的運(yùn)動(dòng)，何必要改變？如果一切都工作正常，運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)是期望性能的現(xiàn)實(shí)的準(zhǔn)確反映。然而，一旦我們擁有，而討論如何改變運(yùn)動(dòng)捕捉是很大部分的一小部分。運(yùn)動(dòng)編輯技術(shù)和問(wèn)題并非是動(dòng)作捕捉獨(dú)有的，是可用其他方法用于運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造，如鑰匙-校位和仿真等。有一些問(wèn)題，與傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)相比，使工作與運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)更難。這些問(wèn)題超出了用來(lái)捕捉運(yùn)動(dòng)的技術(shù)問(wèn)題。運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)通常不只是在重要的時(shí)間瞬間提供每個(gè)樣本或框架的運(yùn)動(dòng)。這意味著大量的數(shù)據(jù)必須改變、編輯。只有描述性能的運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中沒(méi)有跡象顯示運(yùn)動(dòng)的重要性質(zhì)，和什么應(yīng)該改變以影響運(yùn)動(dòng)，也就是一個(gè)動(dòng)畫(huà)師所熟悉的“為什么”的運(yùn)動(dòng)。

五、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和運(yùn)動(dòng)捕捉

基于視覺(jué)的運(yùn)動(dòng)捕捉潛能是巨大的：傳統(tǒng)的視頻技術(shù)更方便，成本更低，不妨礙的演員和工作在更廣泛的各種各樣的環(huán)境比當(dāng)前捕獲技術(shù)。如果標(biāo)準(zhǔn)視頻可以分析，遺留下來(lái)的鏡頭可以被處理用來(lái)創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)。然而，這些可能性需要捕獲技術(shù)可以提供動(dòng)畫(huà)應(yīng)用要求的保真度和質(zhì)量。這些要求和視覺(jué)研究人員專注是不同的。人體運(yùn)動(dòng)跟蹤一直是計(jì)算機(jī)視覺(jué)中一個(gè)重要的主題。然而，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用程序以創(chuàng)建一個(gè)三維重建的運(yùn)動(dòng)是不需要的。例如，創(chuàng)建二維運(yùn)動(dòng)的代表動(dòng)作識(shí)別，和各種交互式演示是基于輪廓跟蹤。如用戶界面的應(yīng)用需要實(shí)時(shí)性能，甚至不惜犧牲保真度。一些研究人員把重點(diǎn)放在確定的問(wèn)題闡述數(shù)字圖像的配置。最早試圖重建圖形模型的數(shù)字，一個(gè)反饋回路。類似的方法已被證明。到目前為止，這些努力提供了運(yùn)動(dòng)的保真度要求動(dòng)畫(huà)的制作，也表現(xiàn)出簡(jiǎn)單短暫的動(dòng)作（除了一個(gè)需要控制的情況）。努力嘗試?yán)靡曈X(jué)技術(shù)表現(xiàn)臉部捕捉運(yùn)動(dòng)。因?yàn)橐欢ǚ秶倪\(yùn)動(dòng)和低速運(yùn)動(dòng)，視頻已變?yōu)榭尚械哪槻坎蹲降姆椒āＭ匪乖缙诿娌坎蹲绞怯靡粋€(gè)單一的視頻攝像頭和一個(gè)反射鏡產(chǎn)生多個(gè)視圖所需的立體重建，正如zopolous和Waters用蛇形跟蹤演員臉上的標(biāo)志并使用這些曲線驅(qū)動(dòng)肌肉人臉模型一樣，事實(shí)上，隨著最近的面部跟蹤的發(fā)展，建立視覺(jué)運(yùn)動(dòng)捕捉的最大挑戰(zhàn)似乎在利用可利用的形式提供面部動(dòng)畫(huà)數(shù)據(jù)。正如我們前面所提到的，一些早期的例子包括利用穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)降噪，并自動(dòng)約束識(shí)別。一個(gè)常見(jiàn)的誤解是，重視運(yùn)動(dòng)編輯運(yùn)動(dòng)捕獲來(lái)自于一個(gè)事實(shí)，即運(yùn)動(dòng)捕捉是不完美的，工具需要事實(shí)后清潔運(yùn)動(dòng)的。甚至在運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)完全代表了一個(gè)理想的表現(xiàn)，但運(yùn)動(dòng)往往是需要改變的，原因包括：再利用運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)準(zhǔn)確記錄事件。如果我們想重用數(shù)據(jù)略有不同，說(shuō)一個(gè)不同的字符或不同的行動(dòng)，我們需要修改數(shù)據(jù)。創(chuàng)造不可行的動(dòng)議：因?yàn)閯?dòng)作捕捉記錄真實(shí)事件，一些編輯必須是“不可能”的動(dòng)作可能。現(xiàn)實(shí)的缺陷：真正的運(yùn)動(dòng)是不完美的。表演者不能完美無(wú)缺地?fù)糁袠?biāo)志以及重復(fù)性的動(dòng)作的不完全循環(huán)。令人興奮的消息是數(shù)字化視覺(jué)和捕捉可能鏈接是利用視覺(jué)技術(shù)協(xié)助使用動(dòng)畫(huà)數(shù)據(jù)。數(shù)字化視覺(jué)研究的經(jīng)驗(yàn)在于處理噪聲不明信號(hào)可以適用于運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以及圖像。數(shù)字動(dòng)畫(huà)的需求和技術(shù)運(yùn)動(dòng)的替代給運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)提出很高的要求，但目前為止，視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。