內(nèi)容摘要

在傳統(tǒng)的動(dòng)畫制作中,動(dòng)畫師必須根據(jù)劇情要求將畫面逐幀畫出,工作量非常大,。引入計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)后,可以利用計(jì)算機(jī)先設(shè)計(jì)造型,，再按照劇情確定關(guān)鍵幀,然后動(dòng)畫師調(diào)整關(guān)鍵幀的造型姿勢,動(dòng)畫軟件則根據(jù)關(guān)鍵幀生成圖像序列,。但是,對(duì)于一個(gè)長的動(dòng)畫作品,逐個(gè)確定關(guān)鍵幀仍然是一項(xiàng)相當(dāng)麻煩的工作。表演動(dòng)畫技術(shù)的誕生,徹底改變了這一局面,，將動(dòng)畫師從繁重的體力勞動(dòng)解放出來,。它綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、光學(xué),、計(jì)算機(jī)視覺,、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫等技術(shù),捕捉表演者的動(dòng)作甚至表情,用這些動(dòng)作或表情數(shù)據(jù)直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)畫模型。本文論述了動(dòng)作捕捉技術(shù)及其數(shù)據(jù)在動(dòng)畫制作中的處理和應(yīng)用,。

運(yùn)動(dòng)捕捉的過程

人體的動(dòng)作可以看成是人體各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作,，在運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)中，一般把人體看成是由13～19 關(guān)節(jié)點(diǎn)組成的簡單模型[1],。在運(yùn)動(dòng)捕捉之前，人體的各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)上固定一個(gè)特殊的反光材料,，稱為標(biāo)記點(diǎn)（Marker）,，這些反光材料在外部光源的照射下可以從不同角度反射出RGB 值相同的光。

利用兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻捕捉,，從各個(gè)攝像機(jī)得到的序列圖片中可以看到的每一幀中標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況,。因此可以得到一個(gè)特定的點(diǎn)隨著時(shí)間變化的連續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡。然后通過三維重建技術(shù)將這些點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡還原為骨架模型的動(dòng)作,。

運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖 1 所示,，運(yùn)動(dòng)捕捉的關(guān)鍵技術(shù)是標(biāo)記點(diǎn)跟蹤以及空間坐標(biāo)的三維重建。另外,，在計(jì)算機(jī)視覺中,，從二維圖像信息計(jì)算三維空間結(jié)構(gòu)，需要利用視點(diǎn)的位置信息和視點(diǎn)的朝向信息,，這就要用到攝像機(jī)的各種參數(shù),。空間物體表面某點(diǎn)的三維幾何位置與其在圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系是由攝像機(jī)成像的幾何模型決定的,。這些幾何模型參數(shù)就是攝像機(jī)參數(shù),要通過攝像機(jī)標(biāo)定計(jì)算才能得到,。攝像機(jī)標(biāo)定也是運(yùn)動(dòng)捕捉關(guān)鍵技術(shù)之一。

采用高性能的視頻捕捉卡來捕捉圖像,，這種捕捉卡可以一幀幀地將視頻輸入信號(hào)直接數(shù)字化成YUV 4:2:2 信號(hào),，并能夠?qū)⑺D(zhuǎn)換成RGB 格式，然后利用PCI 總線,，把圖像數(shù)據(jù)傳到VGA 卡顯示或計(jì)算機(jī)內(nèi)存存儲(chǔ),。由于需要得到的是各個(gè)攝像機(jī)在同一個(gè)時(shí)刻捕捉的圖像，因此不能夠直接利用捕捉卡的多路采集功能。這需要在同一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)上安裝多塊捕捉卡,，每塊捕捉卡對(duì)應(yīng)一臺(tái)攝像機(jī),。系統(tǒng)中捕捉的難度主要在于如何在多塊采集卡之間同步采集。

圖像捕捉及圖像分析

圖像捕捉最主要的問題在于如何保證多個(gè)捕捉線程對(duì)每一幀都幾乎在同一時(shí)間發(fā)出捕捉命令,，根據(jù)計(jì)算機(jī)視覺原理,，計(jì)算模塊要求多臺(tái)攝像機(jī)幾乎在同一時(shí)刻拍攝同一場景，否則從2D~3D 之間的計(jì)算將毫無意義,。因此,，需要配置性能較高的計(jì)算機(jī)，起初我們采用定時(shí)器(包括多媒體時(shí)鐘,，可等的計(jì)時(shí)器)都不能滿足大約20FPS 的要求,。最后，我們降低了捕捉的頻率,，采用中間插值的方法使數(shù)據(jù)達(dá)到制作動(dòng)畫的要求,。利用事件和信號(hào)量內(nèi)核對(duì)象來使視頻捕捉線程和計(jì)算線程達(dá)到同步，而且采集線程在多個(gè)地方顯式地調(diào)用,，使得多臺(tái)攝像機(jī)間能在同一時(shí)間捕捉圖像,。

視頻捕捉卡提供了兩種將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)存中的方法，這里選取了其中性能較好的雙緩存的方法,。在內(nèi)存中開辟兩塊緩存,，一塊用于捕捉圖像，另一塊用來對(duì)已經(jīng)獲得的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,。這樣,，在捕捉的同時(shí)也可以對(duì)已經(jīng)采集好的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。在完成一幀圖像的采集后,，將兩塊緩存切換,。

整個(gè)視頻捕捉模塊如圖 2 所示，對(duì)每一塊捕捉卡,，都開了一個(gè)視頻捕捉線程負(fù)責(zé)其圖像捕捉及分析,。另外還開了一個(gè)計(jì)算線程，這個(gè)線程利用分析出來的標(biāo)記點(diǎn)的圖像坐標(biāo)計(jì)算其空間位置,。

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