漫话人工智能——动作捕捉，现代“易容术”

现代易容术

       动作捕捉（Motion Capture）又称动态捕捉，是记录并处理人或其他物体动作的技术。这种技术通过算法将记录的信息还原成人体框架，再由动画师根据需要为之添加“外壳”，就有了各种栩栩如生的形象。善良敏感、拥有超人力量的绿巨人，热爱自然、真诚迷人的阿凡达公主，生活在中土世界的咕噜和巨龙史矛革，我们能在荧幕上看见他们，都要感谢这项技术的帮助。

      捕捉动作常见的方法是在对动作有决定作用的关节处安装传感器。惯性传感器能测量旋转角度和加速度，计算机利用这些数据可以反推出人体关节的位置变化。另一种方法是在关键位置贴上反光点（Marker），利用能够测量深度的红外摄像机记录这些点的运动轨迹，从而还原人的姿态。

      随着计算机视觉技术的进步，人们甚至能根据已有的图片和视频分析、还原人体关节位置，这被称为人体姿态估计（Human Pose Estimation）。由于这种方法无法直接采集动作数据，所以人体被遮挡后会出现一定的识别困难。为了解决这一问题，人们引入了人体结构化信息：人类的骨骼有一定的限度，如果关键点之间的距离过远，就要考虑是否识别错误；如果输入的内容是视频，相邻帧之间的人体姿态就会存在一定的连续性，可以帮助机器修正识别出的人体姿态。

难以复现的表情

      除了人体动作，捕捉能够传达情感的手部和面部动作同样重要。与身体相比，获取人脸的动作（或者说是表情）要难得多。人们最早使用的是机械传动方法，即通过佩戴由关节、刚性连杆组成的头盔式设备，捕捉人的嘴部、颧骨等位置的运动变化。运动产生时，角度传感器能测量连杆的角度变化，再依据连杆的长度计算出固定点在空间中的位置和运动轨迹，从而还原人物的表情。

      不过面部肌肉的力量较小，人的表情又过于细微，这种对演员的面部表情限制较大的方法已经退出历史舞台。在面部粘贴或是绘制标记点，配合单个或多个红外摄像机记录、追踪表情变化，是目前主流的捕捉方式。

      与捕捉脸部表情相比，捕捉手部的动作要简单一些。和身体一样，手部的动作同样由关节决定，人们同样会使用安装传感器或贴反光点的方法捕捉信息。在身体和脸部难以施展的机械传导方法，在手部找到了新的突破。形似外骨骼的手套不仅能通过机械传动还原手部动作，添加力反馈装置后，还能模拟抓住不同物体的感觉。

      不采集数据，仅通过图片或视频还原手部动作，这在计算机视觉中被称为手势识别。与人体姿态识别类似，手势识别通过确定手部关键点抽象手部动作，从而认出不同动作的意义。

无处不在的动作捕捉

      动作捕捉中被我们熟知的应用应该是电影特效。除了创造鲜活的荧幕形象，它还能帮助我们突破演员的年龄限制。电影《花与爱丽丝杀人事件》筹备拍摄时，参演前作《花与爱丽丝》的主演年龄过大，无法再扮演学生。使用动作捕捉设备配合计算机，电影最终以动画长片的形式完成了拍摄。 

      游戏的制作也离不开动作捕捉。特别是剧情类 3A（高成本、高体量、高质量）大作，人物表情的细腻程度决定了玩家是否能沉浸到剧情中，面部动作捕捉极大地减少了绘制和建模的工作量。

      近几年开始流行的虚拟偶像，同样得益于动作捕捉技术的进步。VTuber（以在 Youtube 等平台直播为主业的虚拟偶像）的形象对动作精度要求没那么高，表情也不需要很丰富。中之人（负责扮演虚拟偶像的人）使用的设备通常是手机或摄像机，配合一定的软件就能在家中完成直播并与观众互动。不过想要让虚拟偶像表情更细腻、动作更精确，比如录制舞蹈视频或综艺节目，还需要专业设备的辅助。

      动作捕捉这项现代“易容术”不仅改变了娱乐工业，在运动、医疗、军事等领域同样能提供帮助。在篮球场周围安装摄像头不仅能提供观看比赛的不同视角，拍摄到的视频内容经过机器学习的分析，还可以帮助人们找到投篮命中率与投篮姿势的关联，提升篮球运动员的传球质量和投篮能力。接受关节手术的病人可以佩戴动作捕捉设备，设备会监测病人术后的运动状况，帮助医生制定出更合适的康复方案。

长按识别二维码，了解《爱上机器人》

《爱上机器人》杂志抖音号：I_Robot2018