1、第一章 三维动画制作概述 主讲人：李文杰 1 阿凡达 Avatar (化身) 2 3 1.1三维动画技术概述 4 阿凡达（Avatar）是一部科幻电影，由著名导演詹姆斯卡梅隆 执导，二十世纪福克斯出品。该影片预算超过5亿美元，成为电影史 上预算最高的电影。全球第一部票房突破19亿并一路到达24亿美元 的影片 5 6 7 8 9 传统动画制作方法：制作一秒钟的动画需要绘制24张图画，一分钟需要1440张图画， 一部一个小时左右的动画片需要126400张画面，如果一个人绘制需要6320天，大概需要 20年的时间，工作量巨大。 10 用于动画制作的Motion capture（运动捕捉）技术可以追溯
2、到20世纪70年代 ，迪斯尼公司曾试图通过捕捉演员的动作以改进动画制作效果。 11 12 13 14 1.1 高清电影制作流程 15 16 下图为我校亚瑟动画工作室的运动捕捉现场 17 18 19 20 21 22 23 24 25 1.2 常见的运动捕捉方式 26 一、机械式运动捕捉 27 机械式运动捕捉的一种应用形式是将欲捕捉的运动物体与机械结构 相连，物体运动带动机械装置，从而被传感器实时记录下来。 28 这种方法的优点是成本低，精度较高，可以做到实时测量，还可容 许多个角色同时表演。但其缺点也非常明显，主要是使用起来非常不 方便，机械结构对表演者的动作阻碍和限制很大。且较难用于连续动
3、作的实时捕捉，需要操作者不断根据剧情要求调整设备的姿势，主要 用于静态造型捕捉和关键帧的确定。 29 二、声学式运动捕捉 30 常用的声学式运动捕捉装置由发送器、接收器和处理单元组成。 发送器是一个固定的超声波发生器，接收器一般由呈三角形排列的三 个超声探头组成。通过测量声波从发送器到接收器的时间或者相位差 ，系统可以计算并确定接收器的位置和方向。Logitech、SAC等公司都 生产超声波运动捕捉设备。 31 这类装置成本较低，但对运动的捕捉有较大延迟和滞后，实时性 较差，精度一般不很高，声源和接收器间不能有大的遮挡物体，受噪 声和多次反射等干扰较大。由于空气中声波的速度与气压、湿度、温 度
4、有关，所以还必须在算法中做出相应的补偿。 32 三、光学式运动捕捉 33 光学式运动捕捉通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动 捕捉的任务。目前常见的光学式运动捕捉大多基于计算机视觉原理。 从理论上说，对于空间中的一个点，只要它能同时为两部相机所见， 则根据同一时刻两部相机所拍摄的图像和相机参数，可以确定这一时 刻该点在空间中的位置。当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像 序列中就可以得到该点的运动轨迹。 34 典型的光学式运动捕捉系统通常使用68个相机环绕表演场地排 列，这些相机的视野重叠区域就是表演者的动作范围。为了便于处理 ，通常要求表演者穿上单色的服装，在身体的关键部位，如关节、髋
5、 部、肘、腕等位置贴上一些特制的标志或发光点，称为“Marker”，视觉 系统将识别和处理这些标志。 35 下图为我校亚瑟动画工作室的光学式运动捕捉现场。 36 如果在表演者的脸部表情关键点贴上Marker，则可以实现表情捕捉 37 阿凡达主角表情捕捉 38 39 1.3 运动捕捉空间 40 41 42 捕捉角色面部表情的动画 43 特技吊挂系统 44 进行空间校准 45 分别对每个镜头的拍摄角度、焦距、光圈进行调整，如图 46 47 48 49 1.4 运动捕捉过程 50 在捕捉之前要首先确定捕捉点分布的模版，基于不同的捕捉精度、数据用途 、三维动画软件的类型，可以选择不同的模版，模版中捕捉
6、点的分布就是要在演 员身上粘贴捕捉点的位置，如图 51 捕捉点一般分布在角色肢体的关节位置附近，捕捉点的作用主要体现在：标 定关节的位置、标定肢体的体积、标定肢体的前后或左右。 52 在正式捕捉之前，演员还要做一段预备动作，运动身体的每一个部位，依据 预备动作和肢体模版，创建该演员的个性化模版文件，以后所有捕捉到的动作都 基于这套个性化模版。 53 利用光学动作捕捉系统，表演者负责根据剧情做出各种动作和表情，下图为 我校亚瑟动画工作室运动捕捉现场。 54 到目前为止镜头捕捉到的还是一些图像文件，单击Reconstruction（重建） 选项卡，如图 55 如果同时捕捉多个角色的动作，或者角色动
7、作中包含摔倒、滚动等动作，一 些捕捉点可能被遮挡，造成捕捉数据中捕捉点丢失等错误。 56 专业的捕捉工程师任务: 解决错误； 避免错误； 补救错误； 57 1.5 捕捉结果编辑 58 运动捕捉过程可以将演员的动作完全解析为三维虚拟空间中的动作 ，动作看起来完全真实，十分生动自然。但在某些情况下，完全逼真 的动作往往抹煞了动画区别于实拍影视的夸张、变形独特性，在动画 中角色的动作可以超出正常人的运动阈限，甚至骨骼也可以被自由的 拉伸、压缩、变形。 59 一些软件可以对运动捕捉的数据进行重新编辑，创建更具动画表现 力的动作，常见的运动数据编辑包括： 一、动作调节 二、混合 三、回放 四、常量偏移
8、五、瞬时偏移 60 1.6 运动捕捉数据驱动 61 运动捕捉的数据可以输出为不同的格式，方便地被大多数三维动 画软件调用，在ViconIQ中可以将运动数据输出为CSM 文件格式，该格 式的运动数据可以被Character Studio直接调用，如图 62 在3ds max中创建一个动画角色的骨骼，并编辑该骨骼的形态使其 与动画角色相匹配，如图 63 在动画场景中合并一个小男孩动画角色，如图 64 对动画角色模型和CS骨骼进行蒙皮编辑，如图 65 单击选项卡进入运动命令面板，在Motion capture（运动捕捉） 展卷栏中单击按钮，弹出如下图所示的“打开”对话窗口，在其中浏览选 择刚刚输出的
9、CSM文件。 66 在“打开”对话窗口中单击“打开”按钮，弹出如下图所示的Motion Capture Conversion Parameters（运动捕捉转换参数）对话窗口，在 其中可以设置Key Reduction（关键帧精简）、Footstep Extraction （足迹提取）、Limb Orientation（肢体方位）等参数项目的设置。 67 在Motion Capture Conversion Parameters对话窗口中单击OK按钮 ，开始输入运动捕捉的CSM数据，如图 68 输入结束后，拖动时间滑块可以观察到小男孩被赋予了演员的动 作，如图 69 1.7 思考 70 1、请概述运动捕捉的作用原理。 2、常见的运动捕捉方式可以分为哪几种类型？ 3、在捕捉场中放置水平校准仪有哪些作用？ 4、在演员身上放置捕捉点应当依据什么规律？ 5、在ViconIQ中可以将运动数据输出为什么文件格式，该格式的运动 数据可以被Character Studio直接调用？ 71
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