动作捕捉技术在电视节目中的应用

【摘 要】 介绍动作捕捉技术及跟踪方式，分析目前动作捕捉技术中光学动作捕捉系统框架及其应用设计方案。

【关键词】 动作捕捉；跟踪方式；光学动作捕捉系统；电视节目

文章编号： 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

動作捕捉（简称“动捕”）技术最初是应用于电影的制作。想必很多人对于电影《阿凡达》中 “外星人”与真人一般的一举一动、一颦一笑的逼真动作效果记忆犹新，于是越来越多的人知道了令《阿凡达》如此逼真的动作捕捉技术。而电影《魔兽世界》中，即使是以真人演绎的兽人，运用动作捕捉技术抓住捕捉对象的行为特征，赋予人物角色灵魂，达到这一目标也是一项艰巨的任务。对于扮演兽人的演员来说，最重要的是他们必须学会如何像真正的兽人一样行动。为此，《魔兽世界》剧组专门请来运动专家，用了六周的时间训练演员，让演员们彻底活在兽人的世界里，直至每个人都适应了兽人的行动方式。动作捕捉技术为电影艺术再现作家笔下架构的虚拟魔幻世界提供了有效的先进技术工具。

近年来随着虚拟角色在电视中的运用越来越多，电视节目制作也开始运用动作捕捉技术。如在2016年CCTV5世界杯期间推出的《豪门盛宴》中，出现了多名虚拟球员同屏互动；2017年大型选秀型节目《明日之子》中，选手荷兹（见图1）是以虚拟二次元歌手的形象与真人选手同台竞技参加选秀，不但可以多机位实时拍摄，还可以与观众互动，并可实现现场与自带舞美切换（虚拟场景）的虚实结合。综合《明日之子》节目中荷兹这个人物的设定、呈现效果及观众对其的关注度来看，这次动作捕捉技术在电视领域的运用有着良好的借鉴作用。

近年来动作捕捉技术呈现出一些新的技术应用和发展趋势，本文中重点分析目前动作捕捉技术发展最为成熟的光学动作捕捉系统框架及其应用设计方案。

2 动作捕捉技术及跟踪方式

动作捕捉技术（motion capture，简称mocap）就是把人或者动物的动作通过动捕系统以数据和骨骼的形式保存下来，数据涉及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面，然后由计算机处理这些数据。动作捕捉需要在运动物体的关键部位设置跟踪点，由系统捕捉跟踪点在三维空间中运动的轨迹，再经过计算机处理后，提供给用户可以在动画制作中应用的数据。动画师可以将数据与动画角色合成，生成动画，然后很方便地在计算机中调整、控制运动的物体。

动作捕捉的跟踪方式分为光学式（Optical）和非光学式捕捉系统。

光学式捕捉系统中，因被捕捉点的类型不同又分为被动和主动两种方式的标记点。这两种标记点的运用是根据不同的拍摄环境来做选择的，如被捕捉的人物或道具在一个没有干扰且捕捉摄像机在质量好的可视环境进行数据捕捉，那么被动式标记点（采用反射材料制成，优点精确度高）就能够很好地满足对数据的要求；相反，如果受到场地等外部环境的限制，就只能采取主动发光式标记点（采用LED发光体积较大，无法捕捉太精细的动作，如脸部表情）。

非光学式捕捉系统也因为捕捉方式的不同分为机械式（Mechanical）、电磁式（Magnetic）、惯性运动捕捉。这三种方式也是各有优缺点，如机械式优点是系统成本低廉，没有干扰问题，但自由度非常低，不能捕捉较为复杂的动作和进行互动演出；电磁式易受环境中电磁波的干扰及连接线或电源，会影响捕捉对象的灵活性；惯性运动捕捉无需外部摄像机，无需解算，便于携带，有更大的捕捉区域，缺点是定位精度比较低、定位漂移。

就现阶段而言，光学动作捕捉系统最为成熟，因其捕捉精度高且运动不受限制，在电影、电视、舞台得到更广泛的运用。

3 光学动作捕捉系统的总体构架

光学动捕系统的硬件系统由：摄像机、Giganet（动捕系统核心网络设备）、专业电缆连线，专用配件包（专业动捕服装、校准棒、采光点等）和PC工作站构成，如图2所示。

动捕摄像机一般均匀地架设在演员活动的场地周围，架设完成以后会统一做一次可视范围的校正。演员首先穿上一套专业的动作捕捉服，衣服一般为亚光材质，然后为采集到动作需求在身体的关节处贴上相应的采光点，如图3所示。计算机处理软件有一套准确的运算体系，对与计算机相连的摄像机采集的数据进行准确的运算，得到每个采集点的运动轨迹，然后再把这些运动轨迹以点源的形式记录，并匹配给对应模型的骨骼，最后就可驱动骨骼模型运动。

光学动捕系统的软件方面，因捕捉对象的不同而选择不同的软件，捕捉对象为道具时可选用Tracker；捕捉对象为任何类型的骨骼（两足和四足动物骨骼）时可使用Blade；随着技术的发展，2017年新推出了一款和Blade功能相似但更强大的Shogun，在之前的动作捕捉工作流程里需要先进行一个数据的重建，然后才能看到人物的骨骼效果，现在这款软件可以直接扫描自动构建人物的骨骼数据，还可做到多人同时采集数据。

4 案例方案设计

随着影视的高度发展，虚拟角色技术逐渐完善，使得动作捕捉技术应用的需求迅速扩大，尤其伴随电视台频道的细分、融媒体直播等业务的发展，更需要像动作捕捉技术这类技术的支撑。湖南金鹰卡通卫视作为湖南广播电视台细分市场的专业性定位非常强的频道，由于特定的受众群体，对于卡通角色的运用量非常大。

金鹰卡通卫视的卡通形象麦咭，作为频道的形象代言时常要参与频道形象片和栏目宣传片的制作。这次是参与《飞行幼乐园》麦咭与主持人合拍mv。在传统的CG（Computer Graphics）角色的正常制作流程下，要制作一部与真人合拍的MV ，是需要花大量的时间和人力才能完成的。如何能在现有设备的基础上花较少的时间高质量地完成这一MV的拍摄，下面较为详细地介绍动作捕捉方案的设计与实施。

4.1 方案设计

麦咭的动作是通过拾取扮演者的动作而获得，因此先要测试录制现场环境数据及麦咭与扮演者动作匹配的数据。

测试时遇到了始料未及的问题，演员骨骼无法完全与麦咭骨骼的轴向匹配。经过多次扫场定位轴向，终于把麦咭的骨骼与演员的骨骼匹配成一致的轴向（见图4）。因麦咭的模型结构与驱动它的扮演者结构有很大的区别，为了让麦咭的动作更加形象生动和不穿帮，把扮演者的动作做了符合麦咭身体结构的调整，如扮演者的手不能自然下垂，需要与身体有一定距离，对应到麦咭模型上的手部才不会错位到身体里。然后根据现有的VIZRT虚拟系统提出了相应的解决方案：使用VIOCN动态捕捉系统配合身穿动捕服的演员直接驱动麦咭人偶模型，输出成一路可抠像的视频信号（见图5、图6），并将其放置在虚拟场景中与主持人一起同步录制（见图7、图8）。在这个技术方案确定之后，着手解决以下几个问题。

（1）所使用的VIZRT虚拟系统渲染引擎只能支持刚体模型，无法支持类似于麦咭这样的柔体模型。

对此，使用MOTIONBULIDER软件来做模型的驱动渲染，同时将MOTIONBULIDER生成的实时画面作为视频信号输出到VIZRT渲染引擎。但是这样一来又产生了新的问题，MOTIONBULIDER软件视频信号输出无法同时输出键信号，不能把单独的麦咭虚拟形象输出到虚拟引擎，于是把画面背景设置为全蓝，将带蓝色背景的视频信号输出到VIZRT引擎，然后用软件色键进行抠像合成的方式解決。

（2）动捕系统和虚拟绿箱使用的是同一个演播厅空间（见图5），进行拍摄时动捕演员有可能会出现在画面当中，发生“穿帮”。

对此，使用VIZRT引擎的遮罩功能进行屏蔽解决。在录制的同时，调整好3个虚拟机位的虚拟场景，并根据主持人的位置摆放好麦咭虚拟人偶在场景中的位置；根据动捕演员的站位确定虚拟场景遮罩的位置，避免穿帮。

4.2 录制系统设备配置

为实现在MV录制时实时驱动麦咭，并和主持人一起完成舞蹈动作。系统使用的设备有：16台VICON MX-T40S摄像机、专业动捕服一套、采光点53个（采光点数量是根据人体骨骼关节点而设定，为行业内默认的数量及点位的位置）、校准棒一个、vicon mx-Giganet专业数据连接器2台；虚拟机位3个，由shotuk tk-53vr 摇臂、shotuk tp90、云顿250E、Ultimatte 11高清色键器3台、HPz820渲染引擎3台。系统的连接见图9。

整个节目录制耗时4?5小时，成片2个MV，大大缩减了后期制作的成本，成片效果反映良好。麦咭主持综艺节目的录制为以后生产类似的节目提供了一个好的参考和借鉴。

5 结语

随着技术的发展和电视节目的深度开发，需要更高更新的电影动画角色制作技术应用在电视节目播出中，塑造类似麦咭、荷兹这样的虚拟角色。但由于资金和技术所限，在整个电视节目制作领域仍属起步阶段，还需在设计和制作中不断地尝试，才能做出更好的电视节目。

参考文献：

[1] 黄楠. 动作捕捉技术发展[J]. 数字娱乐技术，2011（10）：28-33.

[2] 周飞. 深入浅出动作捕捉技术[J]. 湖北经济学院学报（人文社会科学版），2013（12）：25-26.

作者简介：

李艳，2000毕业于湖南师范大学艺术学院设计系，同年进入湖南广播电视台一直从事后期动画制作，近年来从事虚拟场景以及动态捕捉技术的设计制作和运用。