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动作捕捉技术发展史及原理

2019-12-15 13:24

动作捕捉技术在过去数十年取得了很大进步。摄像机变得更为平价,而软件也更为出色,甚至是眼动追踪技术也不再是无法攻克的难题。在此期间,动作捕捉技术也在游戏中更为普遍,甚至可以说它在大型主机游戏中比手部动画更常见。

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一个游戏或者电影制片人想要演员复杂的肢体或脸部运动转化成动画角色,这些步骤甚至不需要一个电脑。

但一次成功的动作捕捉拍摄与一堆无用的数据之间的区别究竟在哪?你要用什么技术最大化地捕捉演员的动作?什么时候你根本无法使用训练有素的演员?

Faceware科技公司是无标记点3D面部表情捕捉技术的先驱和资深服务提供商,今天他们宣布游戏开发商Bungie工作室选用了他们的专业面部动作捕捉产品线,为他们的次世代射击游戏《命运》带来真实的人物面部表情。

动画师Max Fleischer在1914年发明了动态影像描摹(Rotoscoping),一种通过描绘真人镜头进行动画创作(例如:《墨水瓶人(Outof Inkwell)》)的方法。

我们将通过本文与《光晕:致远星》、《神鬼寓言3》、《全面战争:幕府将军2》、《狙击精英V2》等游戏背后的动作捕捉人员探讨这些内容。

《命运》是Bungie工作室制作,动视发行的革命性FPS,玩家可以对自己的角色进行高度自定义,装甲,武器和其他配件加起来可以有无数种组合。预计2014年9月9日发售。

动态影像描摹(Rotoscoping)

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Faceware研发的无标记点面部动作捕捉系统曾应用于Bungie的《光晕:致远星》,这系列软件产品线可以捕捉到演员面部表情的每个细节,并处理生成虚拟角色的表情,让Bungie的美工可以为他们的角色添加栩栩如生的细节。Faceware捕捉并生成表情的简易性是Bungie选择本软件的最主要原因。

第一部使用动态影像描摹的长片动画是迪斯尼1937年的《白雪公主与七个小矮人》。即使是当时动画师用手绘创作角色运动时,他们也经常参考录像片段,学习某些演出场景甚至是从镜子里面看自己。用手创作数字动画的方法被称为关键格动画(Keyframing),或者可以解释为在两个不同的关键帧动作之间充填一个角色的运动。

mocap_halo reach(from gamaustra)

Bungie工作室电影动画总监Dave Lieber表示:“当我们Bungie开发游戏的时候,我们的目标是融合顶尖技术,精致美工,震撼剧情和深层次游戏操作体验,让全球玩家都享受游戏过程。Faceware的技术曾经被奥斯卡或将电影和顶尖AAA级游戏应用过。这充分说明他们的产品经得住考验,便于使用,对于任何一个想要提升虚拟角色真实度的团队来讲,都是不可或缺的工具,它的使用者不需要被限定在特定的动作捕捉流程,器械或者艺术风格之下。”

为了让这些过程自动化,动画师把眼光放到了动作捕捉上。生物运动研究例如思蒙弗雷泽大学(Simon Fraser University)的Tom Calvert在物理机械捕捉服装上取得了重大突破。一个公司开发了Waldo脸部和身体捕捉仪器,被一个演员在任天堂的MarioAvatar中使用,并和展会的群众进行互动。同时,麻省理工学院开发了基于LED的木偶图像化(Graphical Marionette)技术是第一批光学动作跟踪系统。由先驱公司Kleiser-Walczak制作的音乐视频作为一个早期动画开拓了当时这个不出名的技术。

1.准备充分

Bungie工作室首席面部动画师Pat Jandro补充说:“Bungie的美工将有充分的自由度,根据真人面部表情基础,任意添加自己的艺术想象。”

在早期,动作捕捉只是摄影棚的一个步骤,一个穿着紧身衣的演员单独在单调的设置场景里通过特殊的相机和灯光进行捕捉。《指环王》将动作捕捉从摄影棚带到了拍摄片场,让动作捕捉演员的先驱Andy Serkis可以作为咕噜和其他演员互动。

准备充分可以说是所有参与动作捕捉的人员都认同的一个建议。Bungie技术电影艺术主管Kurt Neil表示,他对于成功捕捉动作和表演的最重要建议就是确保一切准备就绪。

Faceware科技公司产品开发副总裁Pete Busch表示:“Bungie已经在过去的几年中制作了许多优秀作品。他们是业内一流团队,他们再次挑选我们Faceware是巨大的荣誉,我非常期待看到《命运》的表现。”

影片《Avatar》的制作引入了表演捕捉这一技术,包括添加了多个演员,面部表型和唇部动作。像《L.A.Noire》 的游戏也大幅的推动了结合面部和整个身体捕捉的发展。现场拍摄表演捕捉(包括面部)对于现在的有数字化角色的影片来说是非常普通的事。

“在你踏进摄影棚的时候,全组工作人员都满怀期望地看着你,都需要知道你要拍摄什么内容。这样你才可以省下大把时间,而不至于不知如何应对大家提出的大量问题。”

Faceware的“专业面部表情动作捕捉产品线”是从头到尾一站式表情捕捉工具,可以对人类面部表情进行捕捉,分析并转移到虚拟形象脸上。产品线包括硬件产品“专业头戴摄像头系统”和“GoPro 头戴摄像头工具包”,软件产品“分析器”和“重定位器”。目前的应用下至手机游戏《共和国》,上至AAA级大作《侠盗猎车3

《猩球崛起2:黎明之战》

Creative Assembly(代表作是《全面战争》等游戏)动作捕捉经理Pete Clapperton补充道,最好提前制定交流规则。“在拍摄过程中一般都会有很多人在现场,最好确保所有人都知道自己当天该扮演什么角色,不要让大家因手足无措而失去方向。这其中的主要角色包括运行系统的人员,查看标记的人员以及导演——现场还有其他人,但他们都应该知道何时闭嘴。”

  • 5》《NBA 2K10 - 2K14》《孤岛危机2,3》《光晕:致远星》以及最新的《命运》。

(是的,又是Serkis, 他很受欢迎)

2.用动画来节省时间

动作捕捉将一个演员的动作转换为一个数字化角色。使用跟踪摄影机的动捕系统被归为光学类,而用惯性或机械运动来测量的系统被归为非光学类。一个后者例子就是Seth Rogan穿着XSens MVN惯性捕捉服在《保罗》中扮演外星人。后来其他技术也涌现出来,比如Leap Motion的Finger-tracking Depth摄像机系统和MYO的Wrtstbands可以探测手和手腕的肌肉活动。Google的Project Tango主要用作制图,但其类似体感的传感器使它也有动作捕捉的潜在功用。

在《狙击精英V2》期间,Rebellion Development公司一直到等到游戏通过第一道标准才转入动作捕捉阶段。其主动画师Zsolt Avery-Tierney表示,“这种做法有利于我们探索动画风格,并快速应对项目发展过程中的设计和代码需求变化”。这意味着他们无需将时间和资金浪费在搜集多余或不兼容的动作捕捉数据上,团队在进入拍摄阶段时心里就已经有一个清晰的概念。

光学系统通过位置追踪器或有3D功能的追踪器把演员的动作数据汇集成近似值。主动系统用灯光或特殊闪烁器,而被动系统用固定物体例如白色球或者只是个描画点(后经常用作面部捕捉)。无标记系统用移动匹配软件的算法而不是标记点去跟踪不同的特征,例如一个演员的衣服或者鼻子。一旦捕捉,动作通过类似Autodesk的MotionBuilder等软件将动画角色的虚拟骨骼绘制出来。结果?动画角色就像真实的表演者。

他解释到,“在《狙击精英V2》中,我们从演员身上所捕捉的一切内容,事先都已经由我们的动画人员定义和设计好了。这不但有助于大家在拍摄当天更好地沟通想法,还可以确保动画人员保留其权力,把握最终动作捕捉结果。”

预测一个演员的动作怎样传换成动画角色是非常难的,所以由卡梅隆为《阿凡达》开发的虚拟拍摄(Virtual Cinematography)经常被使用。简单的来说,它可以在虚拟设备上随着演员实时移动的显示数字角色,所以导演可以看见一个粗略版本的表演。这种应用包括大量的数学计算,但是现在计算机和显卡已经足够快速去完成它。

另一个好处在于,由于事先定义好这些内容,Rebellion就可以提前告诉动作捕捉工作室关于自己的具体道具需求和尺寸,“这可以最大化当天的时间使用率,极大减少资源浪费现象,减轻动画团队的工作量。”

任何和3D动画相关的东西都不便宜,动作捕捉也包括在内。但是就像任何数字的东西一样,价格会跟随时间下降。不同级别功用的动作捕捉也有不同的价格。你或者我可以在家花295美元用Kinect和iPi动作捕捉软件进行无标记动作捕捉。而EA拥有的18000平方英尺的捕捉室,运用Vicon的动捕软件和132个Vicon摄像机。我们不知道这些具体需要多少花费。但是一个拥有两个摄像机的Vicon系统的软件使用权需要12500美金。(同时考虑到你也需要像MotionBuilder一样的软件将捕捉数据会指正一个角色,每台运行需要4200美金。)除去这些费用,在任何地方做一个动作捕捉都可以花1/4到1/2的关键帧动画的费用,效果却更真实的动画。

3.考虑现实世界的解决方案

Bungie动作捕捉主管Troy McFarland表示,“在这个行业的许多情况下,人们常会试着用虚拟解决方案来应对现实世界的问题。”

“服装、道具或场景的一点小改动往往有可能更好地帮助我们捕数据,并让动作演员更好地融入场景和表演中。在《光晕:致远星》早期镜头中,我发现动作捕捉数据中的手部旋转并不如真人演员视频中那样频繁。”

“深入观察后,我发现是我们的服装出了点问题。它们是从肩膀到关节连接起来的布片,我就让动作捕捉服装供应商为我们定制了袖子更短的服装,以及带有额外布片的手套,这样我们就可以在手腕处做标记。这个改变的效果明显,并且这些衣服也因此更适用于广泛的演员群体。”

4.演员并不需要有动作捕捉经验

自由职业演出导演Kate Saxon(曾参与作品包括《神鬼寓言:旅途》以及《詹姆斯邦德007:血石》)表示,许多人误以为针对游戏的动作表演与电影或舞台演出并不相同。

据她所称,“演员通常要针对相应媒体进行一番训练,游戏行业有个误解就是,游戏与其他媒体多少有点不同,所以你只能使用那些已经拥有动作捕捉表演背景的演员,但这实际上非常荒谬。”

“有时候人们认为要进行动作捕捉,就需要使用肢体表演者,但演员本身就是肢体表演者,他们已经习惯使用整个身体、脸部和声音来完成整个表演。”

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mocap_fable3(from gamaustra)

5.不要忽视全动作捕捉

动作捕捉工作室House of Moves业务开发经理Jimmy Corvan表示,进行电影艺术性质的全动作捕捉需要投入额外精力和开销,这样你才能捕到演员最具人性化的瞬间。

“传统做法是让配音演员进入控制室,让他们把台词背个三四遍,直到能够流顺表达为止,然后再让另一个演员上动作捕捉台配合前者解说的动作,直到完美表现出来为止。”

“然后就是让动画人员将一切内容结合起来,让整个镜头呈现完美状态。但人类不可能总是完美表现一切状态,你在全动作捕捉中得到的一些细微瑕疵实际上更能体现人性化特点,例如演员疲劳地说话时的那种略为拖拉的状态。

6.制作立体道具

道具虽然有利于演员更好地表现动作,它们也可能挡住动作捕捉标记。McFarland表示,”在《光晕:致远星》制作早期,我们使用与真枪等比例仿制并具有重量的枪支,但这会产生两个问题。首先,它们会挡住演员胸前的标记并延长清理过程,导致动作的延期交付。其次,与肩部有关的手势位置也会因这些假枪而遁形。”

为解决这个问题,McFarland根据游戏中的枪支截图为演员制作了一支立体步枪。“我组装这个玩具枪道具有两个原因。第一,玩具枪已经有一个适合握住的形状,这就为我省下了仿造手柄的时间。第二,它有一个可以活动的扳机,可以让演员获得一种活动感,他们在表演时就可以扣动这个扳机。”

7.并非所有演员都必须是“演员”

你可以根据自己的需求,选择相应的表演者来担任演员。Creative Assembly在制作《全面战争:幕府将军2》过程中就找了一些非动作领域的人员来扮演武士。据Clapperton所称,“我们这款游戏要找的是有武术背景的人,所以就找到了英国奥林匹克剑术队运动员来做这些事情”。

“但我们发现他们的动作和表演非常准确,看起来像是规范处理后的结果,而我们要找捕捉的是一些在混战中打斗的动作,所以我们不得不让他们打破常规,不过他们还是比较愿意我们提供一些明确方向。”

8.指导要准确而具体

Saxon表示,向演员详细说明要求这一点不容忽视,“我最近正投入制作一款暂时无法公布的游戏,在这个过程中我经常和特技人员打交道。我发现他们经常抢打,所以我不得不向他们说明一些肢体选择要求,告知他们这个角色打斗时并不像个训练有术的战士,而是像出身草莽的街头霸王。”

“特技人员欣然接受了这个提议,但如果没有人指出这一点,最后就会发现玩游戏时,所有人突然之间都陷入一场动作机械的格斗中。”

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mocap_sniperv2(from gamasutra)

9.相信参与人员的专业水准

来自Bungie的Nellis表示,“理想情况下,在摄影棚中的所有人(包括演员在内),都很清楚自己的工作职责。当一名动作捕捉技术人员向你提出问题时,要注意倾听。他们可能会告诉你一个重要的坏消息,但最好马上着手解决问题而非事后再去寻找无用的数据。假如有演员声称自己对上一次拍摄觉得不对劲,不过可以将它放到下一组拍摄时,你可能会发现他们的说法正确极了。你并不一定总会接受他们的建议,但最好要尊重这些工作人员的专业技能。只有得到尊重的人员才会卖力为你工作。”

10.确立资产命名惯例

Rebellion的Avery-Tierney表示,确定一个动作捕捉资产的明确命名系统可以提高大家的沟通效率,“在《狙击精英V2》制作过程中,因为我清楚自己要用的姿态、方向,所以对素材也依此命名,这让我们在拍摄时更有方向感,也更便于回顾连续镜头并选择内容,不致于让我们因过于冗长或复杂的命名系统而陷入混乱无序的状态”。

“例如在‘walk_forward_jump_to_mantle_walk_jump_back_down’这个文件名称中,虽然它包含了许多内容,但也含有一些我如果不重新查看就可能会错过的元素。假如是我为这个资产命名,我可能会将它称为‘StepUp_JumpDown_Fidgets_01’并允许最后一个字段带有模糊性,这样可以促使我过后深入探究其中内容。”

“如果那是我指导拍摄的内容,我至少会捕捉或至少是选择将每个动作视为一个独立资产。因为这符合我在项目开发过程中对这些内容的使用方式,也可以节省一些处理成本,提高动画团队寻找并利用资产的效率。”

via:游戏邦/gamerboom.com

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