內容摘要

在傳統的動畫制作中,動畫師必須根據劇情要求將畫面逐幀畫出,工作量非常大。引入計算機動畫技術后,可以利用計算機先設計造型，再按照劇情確定關鍵幀,然后動畫師調整關鍵幀的造型姿勢,動畫軟件則根據關鍵幀生成圖像序列。但是,對于一個長的動畫作品,逐個確定關鍵幀仍然是一項相當麻煩的工作。表演動畫技術的誕生,徹底改變了這一局面，將動畫師從繁重的體力勞動解放出來。它綜合運用計算機圖形學、光學、計算機視覺、計算機動畫等技術,捕捉表演者的動作甚至表情,用這些動作或表情數據直接驅動動畫模型。本文論述了動作捕捉技術及其數據在動畫制作中的處理和應用。

運動捕捉的過程

人體的動作可以看成是人體各個關節點的動作，在運動捕捉系統中，一般把人體看成是由13～19 關節點組成的簡單模型[1]。在運動捕捉之前，人體的各個關節點上固定一個特殊的反光材料，稱為標記點（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。

利用兩臺或兩臺以上的攝像機進行實時視頻捕捉，從各個攝像機得到的序列圖片中可以看到的每一幀中標記點的運動情況。因此可以得到一個特定的點隨著時間變化的連續運動軌跡。然后通過三維重建技術將這些點的運動軌跡還原為骨架模型的動作。

運動捕捉系統的設計

運動捕捉系統的設計如圖 1 所示，運動捕捉的關鍵技術是標記點跟蹤以及空間坐標的三維重建。另外，在計算機視覺中，從二維圖像信息計算三維空間結構，需要利用視點的位置信息和視點的朝向信息，這就要用到攝像機的各種參數。空間物體表面某點的三維幾何位置與其在圖像中對應點之間的相互關系是由攝像機成像的幾何模型決定的。這些幾何模型參數就是攝像機參數,要通過攝像機標定計算才能得到。攝像機標定也是運動捕捉關鍵技術之一。

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直接數字化成YUV 4:2:2 信號，并能夠將它轉換成RGB 格式，然后利用PCI 總線，把圖像數據傳到VGA 卡顯示或計算機內存存儲。由于需要得到的是各個攝像機在同一個時刻捕捉的圖像，因此不能夠直接利用捕捉卡的多路采集功能。這需要在同一臺高性能計算機上安裝多塊捕捉卡，每塊捕捉卡對應一臺攝像機。系統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捕捉線程對每一幀都幾乎在同一時間發出捕捉命令，根據計算機視覺原理，計算模塊要求多臺攝像機幾乎在同一時刻拍攝同一場景，否則從2D~3D 之間的計算將毫無意義。因此，需要配置性能較高的計算機，起初我們采用定時器(包括多媒體時鐘，可等的計時器)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據達到制作動畫的要求。利用事件和信號量內核對象來使視頻捕捉線程和計算線程達到同步，而且采集線程在多個地方顯式地調用，使得多臺攝像機間能在同一時間捕捉圖像。

視頻捕捉卡提供了兩種將數據存儲到內存中的方法，這里選取了其中性能較好的雙緩存的方法。在內存中開辟兩塊緩存，一塊用于捕捉圖像，另一塊用來對已經獲得的圖像數據進行分析。這樣，在捕捉的同時也可以對已經采集好的圖像數據進行分析處理。在完成一幀圖像的采集后，將兩塊緩存切換。

整個視頻捕捉模塊如圖 2 所示，對每一塊捕捉卡，都開了一個視頻捕捉線程負責其圖像捕捉及分析。另外還開了一個計算線程，這個線程利用分析出來的標記點的圖像坐標計算其空間位置。

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