教你制作《爵迹》般的CG电影——运动捕捉技术探究

编者碎碎念

CG电影大家一定都不陌生，外有大名鼎鼎的《阿凡达》、《指环王》，内有第一个吃螃蟹者wuli小四导演的《爵迹》。CG电影是指影片本身在真实场景中拍摄并由真人表演为主，但穿插应用大量虚拟场景及特效的影片。而制作这种电影离不开的便是运动捕捉技术。科技教室今天就分享一篇干货文，为大伙科普下这项酷炫狂暴屌炸天的技术~

新闻来源：现代电影技术

中国电影科学技术研究所 常一孜

运动捕捉（英文名为Motion Capture）系统是一种用于准确测量运动物体在三维空间运动状况的高技术设备，该技术起初服务于军方，而应用于动画制作领域最早可追溯到20世纪70年代。随着动作捕捉技术的逐渐成熟和计算机软硬件技术的飞速发展以及动画制作要求的提高，这项技术得到了越发广泛的应用。

目前光学运动捕捉是世界上使用范围最广，技术最完善的运动捕捉系统。该技术通过特殊红外摄像机捕捉反光材质（跟踪点）反射的光线从而记录运动轨迹。其优势在于表演者活动范围大，无电缆、机械装置的限制，可以自由表演，因此可获得更高质量的表演数据。其采样率较高，可满足多数高速运动采集需求。但也存在系统价格昂贵，后期处理工作量较大等问题，且对于表演场地的光照、反射情况要求较高。因此只应用于一些投资较大的影视及游戏作品中。目前在发达国家，运动捕捉已经进入了实用化阶段。由詹姆斯·卡梅隆导演的电影《阿凡达》全程运用动作捕捉技术完成，实现了该技术在电影中的完美结合（如图1）。运用运动捕捉技术拍摄的著名电影角色还有《猩球崛起》中的猩猩之王凯撒，以及《指环王》系列影片中的古鲁姆一角。

图1

设备及工艺流程简介

1、设备介绍。Vicon Cara面部捕捉系统借助可定制的头部装置、4个摄像头、专用的跟踪运算软件、数据记录器和照明组件，以及配套软件CaraLive和CaraPost可实现电影级别的面部表情捕捉（如图2）。其配套软件CaraLive主要用于软件控制、管理和监控Cara系统的数据捕捉过程，并对系统进行设置和监控，通过无线接收并实时捕捉来自Cara头盔式设备的面部表情数据。配套软件CaraPost则是一个独特的运算引擎。CaraPost可自动识别来自CaraLive的图像和校准文件，并随着时间推移跟踪它们，使用专用工具从中提取出高质量的三维点云数据传递给下一流程的动画软件。

图2

2、工艺流程简介。在用于动画的运动捕捉项目开始前应对整体流程进行把握。模型师在制作模型时应尽量考虑到动捕演员的面部特点，尽量选择有经验的演员进行表演。通常演员表演会根据饰演角色及模型的情况适当调整。工艺流程按顺序分为：建模、骨骼绑定、蒙皮、运动捕捉、数据修复、点云生成、角色绑定、灯光材质渲染、合成等步骤。

运动捕捉工作流程

通常运动捕捉设备使用价格昂贵，为节省工作时间和项目成本，在捕捉工作开始前应充分考虑可能影响捕捉数据准确性的诸多原因。如场地环境、演员面部标记点、摄像头调试及校准工作。前期调整越精确则后期捕捉的数据越准确，同时可以大幅减少后期因捕捉不准确造成的大量数据修补工作。

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1、设备调试及软件校准工作。将头盔组件安装完成后，参照头盔顶部的校准板分别对4只摄像头的位置及焦距进行精确调整，在光线不足时可利用环绕摄像头的LED夜光灯进行补光。配合实时捕捉软件CaraLive检查拍摄效果，确保4只摄像头都能清楚捕捉到校准板上的全部标记点，并确保演员在进行夸张表情的表演时面部全部位于捕捉画面的安全框范围之内。镜头调整完毕后，开始进行静态和动态校准工作（calibration）。将头盔固定于配套支架上后，手持校准板在头盔范围内最大限度划动校准板，校准捕捉数据并在CaraLive软件中对采集数据进行校准（如图3）。在演员佩戴好头盔后应对摄像头进行再次确认。

图3

2、粘贴面部标记点。标记点的粘贴对于动画角色的绑定和数据采集尤为重要，粘贴位置的选择首先应与动画模型的骨骼匹配，在制作模型时应为模型师提供准确的位置参考。图4粘贴标记点应充分考虑演员面部特点，保证标记点清晰可见，可正确反映面部运动轨迹。标记点粘贴越多采集数据越精确，额头与脸颊侧面等不易拍摄到的部位可粘贴大号标记点（如图4）。

图4

3、采集及数据下载。准备工作完毕，演员佩戴好面部捕捉装置，采集开始。表演结束后，在软件CaraLive的遥控采集（Remote Capture）界面可以看到全部数据均存储于配套的无线记录器（logger）中，需下载至本地后再交由下一步骤软件CaraPost进行处理。

在运动捕捉工作结束后，接下来就是更为重要的数据处理工作，下期我们会接着介绍数据处理工作流程和应注意的问题，内容更加精彩，关注本号并准时接收哦。