计算机动画捕捉视觉技术应用

引 言

动画捕捉（Motion Capture， MoCap）技术广泛应用于影视、游戏和虚拟现实等领域，如当前爆款游戏《黑神话 悟空》通过捕捉演员的动作并将其转化为虚拟角色的动画动作，极大提升了动画制作的效率与逼真度。在此过程中，计算机视觉技术起到了关键作用，帮助从捕捉设备生成的原始数据中提取、处理和转换为可用于动画的动作数据。本文将详细探讨动画捕捉中的计算机视觉技术的应用。

一、动画捕捉系统与计算机视觉的结合

计算机动作捕捉是一种通过传感器和摄像设备（手机）纪录物体、人物的动作轨迹并将其数字化的技术。这些捕捉到的动作数据可以直接应用于计算机生成的3D角色，从而赋予虚拟角色更加真实、自然的动作。计算机视通过分析从各个角度摄像机或传感器捕捉的图像和视频数据，识别和追踪物体的运动。在动画捕捉系统中，计算机视觉技术用于识别演员身上的标记点、捕捉这些点的运动轨迹，并将其转化为三维数据，再将这些数据应用到虚拟角色的骨骼、肌肉系统上，从而生成符合物理规律、真实的动画。计算机视觉数据还可以用于图像分割与合成，自动识别和分离图像中的不同元素。这使得后期制作可以更方便地编辑和合成复杂的场景，提高工作效率。捕捉系统中的计算机视觉技术分为几个主要步骤，包括标记点识别、三维重建、噪声滤波、数据优化等。

1. 标记点识别与跟踪

在光学捕捉系统中，演员穿戴的动捕服上通常附有反光标记点，这些标记点在多个摄像机的不同视角下被捕捉。计算机视觉的第一个步骤是通过图像处理算法识别这些标记点的位置。

图像预处理：为了提高标记点的识别准确性，首先对捕捉到的图像进行预处理，常用的处理包括去噪、对比度增强、灰度化等。

边缘检测：通过边缘检测算法（如Canny算法），识别出图像中的潜在标记点轮廓。然后结合反光特性，使用阈值方法分离出可能的标记点位置。

跟踪算法：通过关键帧间关联算法（如卡尔曼滤波或光流法），连续追踪标记点在多帧图像中的位置，确保每个标记点的运动轨迹能够被准确纪录。

2. 三维重建

标记点识别完成后，下一步是利用多台摄像机捕捉的二维图像数据，通过计算机视觉中的三角测量法将这些二维信息转化为三维坐标。

多视图几何：通过多台摄像机从不同角度捕捉的图像，系统可以使用三角测量法来计算每个标记点在三维空间中的位置，形成数据。多视图几何的核心是使用摄像机的内部参数（如焦距、畸变等）和外部参数（摄像机位置和方向）来估计三维点的精确坐标。

同步与校准：确保摄像机之间的时间同步和空间位置的校准是三维重建的关键。通过提前校准，系统能够建立一个统一的坐标系，将不同摄像机捕捉到的点投影到同一个三维空间中。

3. 噪声处理与滤波

在动画捕捉过程中，原始的捕捉数据往往包含噪声和误差。常见的问题包括摄像机遮挡、标记点丢失或由于演员的快速运动导致数据失真。为了得到高质量的动画数据，必须对原始数据进行噪声处理。

滤波技术：常用的滤波器包括高斯滤波、卡尔曼滤波和低通滤波器。这些滤波器能够平滑标记点的运动轨迹，去除捕捉过程中的噪声和小幅震动。卡尔曼滤波器尤其适用于动态系统中，它不仅能滤除噪声，还能通过预测标记点的运动轨迹，补偿数据丢失。

算法补帧：在捕捉过程中可能会出现丢帧或漏掉数据，计算机视觉技术算法，能够填补数据的空白，确保标记点的运动连续性和流畅性。

4. 骨骼系统映射

经过噪声处理和滤波后的三维标记点数据需要映射到虚拟角色的骨骼及肌肉系统上，绑定角色骨骼运动，这一步涉及计算机视觉与计算机图形学的结合。

算法保障运动流畅：计算机根据标记点的三维位置计算角色骨骼关节的旋转角度。算法通过计算各个关节的运动范围和限制条件，确保虚拟角色的动作与捕捉数据一致，同时保证动作的自然性、流畅性。

5. 数据优化与后期调整

尽管经过反复计算，数据不断更新修复，捕捉数据仍然可能包含一些不理想的部分。在后期制作阶段，算法还可以对数据进行优化和调整，以确保虚拟角色的动作符合预期。

计算机表情修正：在一些动画中让观众感到假，往往就是人物面部僵硬的原因。特别是在角色表演中涉及复杂的动作或表情时。面部表情捕捉经常需要进行大量后期计算调整，以确保每一个面部肌肉的动作都能准确表达情感，这需要反复计算修复。

动作混合与编辑：捕捉数据可以通过动作混合技术进行进一步优化。例如，计算机将多个动作捕捉序列混合在一起，创建更复杂和连贯的动作，形成新的数据，或者对现有的捕捉数据进行扩展和变形，以适应不同角色运动或运动和场景融合需求。

二、计算机动画捕捉视觉技术的应用场景

游戏开发

计算机动画捕捉视觉技术帮助游戏开发者在动作类和角色扮演类游戏中生成更加流畅和真实的角色动作。比如《悟空传》、《魔兽争霸》等游戏，使用计算机视觉技术捕捉到的动作数据，帮助创建了高质量的角色动画，并提高了游戏的沉浸感。

影视制作

计算机视觉技术在影视动作捕捉中的应用显著，特别是在高预算的特效电影中。通过高精度的动作捕捉，虚拟角色可以呈现出与真人演员一致的自然动作，如《封神演义》、《阿凡达》、《复仇者联盟》等电影中的虚拟角色，都是依赖于计算机视觉技术进行捕捉和后期数据处理。

旅游产业

虚拟现实（VR）和增强现实（AR），在一些大型互动旅游项目中，计算机视觉技术实时捕捉用户的动作，将其映射到虚拟角色或虚拟环境中。通过实时算法跟踪技术，用户的动作能够立即出现在虚拟世界中，带来了高度的互动性和沉浸感。

结论

计算机视觉技术在动画捕捉中的应用是实现高质量动画制作的核心。通过标记点识别、三维重建、噪声滤波和数据优化等，计算机视觉技术能够从复杂的捕捉数据中提取出高精度的动作信息，并将其应用到虚拟角色中。广泛应用于影视、游戏和虚拟现实等领域，极大提升了影视、动画的审美高度。