基于動作捕捉的三維數(shù)字內容智能制作方法及制作系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬涉及三維數(shù)字內容智能制作技術領域，特別是一種基于動作捕捉的三維數(shù)字內容智能制作方法及制作系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，以及人們對生活品質的更高追求，更多的三維數(shù)字產品走入了人們日常生活。在娛樂產業(yè)，高科技的動畫影視及電影特技制作越來越得到人們的喜愛和市場的追捧，每年全球在三維動畫產業(yè)的投入達到數(shù)百億美元。在影視拍攝制作中，三維數(shù)字內容計算機制作所占的比例越來越大?，F(xiàn)在動畫影視大都是利用計算機動畫軟件，直接在計算機上手工制作出來的。對于一部長達I小時的動畫片，則需要手工繪制近十萬張圖片，需要大量的人力，時間以及資金的投入，而且由于動作是手工繪制的，在視覺上依然給人以“動畫”的感覺，缺乏人物動作的真實和自然性。2009年奧斯卡獲獎影片《阿凡達》的成功上映在電影制片史上具有劃時代的意義，在《阿凡達》電影中大量使用先進的三維動作捕捉技術，通過將真人表演的動作和表情準確地匹配到動畫角色中，開創(chuàng)了動畫電影制作一個新的里程，從根本上改變了現(xiàn)有的影視動畫制作乃至特技制作方法，大大增加電影中人物動作的真實性，增加了視覺的觀賞性，給世界觀眾帶來了一個全新的感覺和享受。也取得了巨大的商業(yè)成功，成為世界電影史上第一個票房價值超出20億美元電影巨作。目前在國外電影大片制作中，基于動作捕捉的數(shù)字內容制作已被廣泛使用。
[0003]基于動作捕捉的三維數(shù)字內容制作主要包括三個主要步驟(即動作捕捉、動作匹配/綁定、動作驅動)和一些輔助步驟。動作捕捉主要是通過三維動作捕捉系統(tǒng)將真人表演的動作實時地捕捉下來；動作匹配需要將真人形體與動畫角色進行匹配和綁定；動作驅動則是通過真人的動作來驅動動畫角色作出同樣的動作。目前，基于不同技術的三維動作捕捉系統(tǒng)已有多種產品在市場銷售，如Vicon, Giant, Mot1nAnalysis, Optitrack系統(tǒng)等，而且技術相對比較成熟。在動作匹配和動作驅動上，Autodesk公司的Mot1nbuilder軟件是用來進行動作匹配和動作驅動的普遍使用的軟件工具。制作者在獲得通過動作捕捉系統(tǒng)所采集到人物動作軌跡數(shù)據(jù)(.bvh格式或.c3d格式)后，直接將數(shù)據(jù)輸入Mot1nbuilder軟件進行人工動作匹配和動作驅動。
[0004]在Mot1nbuilder軟件的使用中，主要有以下幾方面的問題:
在大多數(shù)的情況下，動作表演人的形體和動漫角色的形體是不同的，因此Mot1nbuilder每次需要將表演者的骨骼和角色骨骼進行人工匹配。
[0005]Mot1nbuilder需要采用Autodesk公司自己定義的標準的人體骨賂架構?？墒牵趧勇娪爸?，很多擬人的動物形體的骨骼架構以及人體骨骼架構是不同的。對于這些與Mot1nbuilder所定義的人體骨賂架構不同動漫角色，Mot1nbuilder則無法進行人體動作匹配和動作驅動。
[0006]在動作匹配和動作驅動中，一個普遍存在的問題是動作“穿幫”和“滑步”。當表演者在進行手腳貼身動作表演時，由于人體形狀和動漫角色的形體上常常有很大的不同，在動作匹配時，角色的手腳會插入到身體某些部位而產生“穿幫”，也會產生動漫角色的腳步不能正確地踩在地面上而出現(xiàn)騰空或漂移等“滑步”的現(xiàn)象。
[0007]在很多情況下，當表演者形體和動漫角色模型差別較大時，容易造成失真和動作變形，因此在使用Mot1nbuilder軟件是，需要對表演者形體和動畫角色模型進行手工綁定，費時耗力?！栋⒎策_》電影巨大的商業(yè)成功來自于超過4億美元投資和多達四年時間的制作，其中很大一部分時間和資金是投入到三維動作捕捉和動畫制作上，尤其是在人物動作及表情與電影角色模型的人工匹配/綁定和動作驅動上。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明要解決的問題是提供一種基于動作捕捉的三維數(shù)字內容智能制作方法及制作系統(tǒng)，該系統(tǒng)和方法可實現(xiàn)三維數(shù)字內容制作中動作匹配和動作驅動的自動化；并且能夠實現(xiàn)人體骨骼架構的自定義，使得人體形狀和動漫角色更加貼合，避免“穿幫”和“滑步”現(xiàn)象；達到提高三維數(shù)字內容制作的效率和精度，進一步以達到降低數(shù)字內容制作成本、時間及提高制作質量的目的。
[0009]本發(fā)明公開的一種基于動作捕捉的三維數(shù)字內容制作方法，包括以下步驟:
I) 3D角色模型預處理，獲得處理過的角色骨骼特征信息；這些角色骨骼特征信息為匹配和綁定提供了依據(jù)。
[0010]2)載入并提取3D角色模型預先處理的角色骨骼特征信息，接收動作捕捉的數(shù)據(jù)；
3)將所收到的動作捕捉的數(shù)據(jù)與3D角色模型進行匹配和綁定；
4)驅動3D角色模型與動作表演者作同步運動。
[0011]本發(fā)明的方法可實現(xiàn)自動匹配和綁定，以及自動驅動。但是并不要求這些動作全部是自動完成，即使有的過程是手動完成，也可實現(xiàn)本發(fā)明的技術方案。比如，匹配和綁定動作選擇自動完成，而驅動選擇手動完成。
[0012]作為上述技術方案的進一步改進，所述步驟I )3D角色模型預處理包括:對3D角色模型的表面幾何面片進行分析處理，提取所需的3D角色骨骼信息，并計算骨骼節(jié)點之間的幾何面片與所附著骨骼節(jié)點的運動權重以及骨骼的幾何特征值，并將這些處理過的3D角色骨骼信息保存在骨骼樹狀機構中；剔除與動作捕捉無關的多余信息。
[0013]作為上述技術方案的另一種改進，所述步驟3)匹配和綁定過程包括將所收到的每一幀的骨骼運動信息與3D角色模型進行匹配和綁定。
[0014]作為上述技術方案的另一種改進，所述步驟4)驅動過程包括依據(jù)3D角色模型預先計算出的骨骼節(jié)點之間的幾何面片與所附著骨骼節(jié)點的運動權重以及骨骼的幾何特征值，實時計算3D角色模型每個幾何面片的空間幾何的運動位置，驅動3D角色模型與動作表演者作同步運動。
[0015]作為上述技術方案的另一種改進，本發(fā)明的方法還包括以下步驟:
5)在進行所述步驟4)驅動的同時，對匹配結果進行角色表面形狀碰撞檢測，如檢測到形體表面有碰撞部分，則進行碰撞消除處理。
[0016]作為上述技術方案的另一種改進，本發(fā)明的方法還包括以下步驟:
6)動作校正:計算3D角色終關節(jié)點的運動位置，再通過反向運動學(InverseKinematics)的計算，得出每個關節(jié)點的位置。
[0017]作為上述技術方案的另一種改進，本發(fā)明的方法還包括以下步驟:7)動作數(shù)據(jù)輸出。
[0018]作為上述技術方案的另一種改進，本發(fā)明的方法還包括以下步驟:在所述步驟I)3D角色模型預處理后，步驟2)接收動作捕捉的數(shù)據(jù)之前，進行動作捕捉。
[0019]作為上述技術方案的另一種改進，本發(fā)明的方法還包括以下步驟:
動作數(shù)據(jù)智能處理:在所述步驟2)接收動作捕捉的數(shù)據(jù)之后，對于由于光標點遮擋或其他原因而出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的部分，采用多幀分析的方法，利用丟失數(shù)據(jù)幀的前后幀的所采集到的光標點的位置，計算丟失光標點的位置，填充所遺漏的數(shù)據(jù)；對于光標點的跳動，則采用信號平滑算法自動對數(shù)據(jù)進行平滑處理，消除抖動。
[0020]用于上述技術方案所述的制作方法的制作系統(tǒng)，其特征在于:包括:
動作數(shù)據(jù)輸入及動作數(shù)據(jù)智能處理模塊用于接收動作捕捉的數(shù)據(jù)，并對動作捕捉數(shù)據(jù)進行修復處理；
動漫角色模型智能分析模塊，用于分析動漫角色的骨骼和形體；
動作匹配模塊，用于將所捕捉到的人體動作匹配和綁定到動漫角色中；
動作驅動模塊，驅動3D角色模型與動作表演者作同步運動；
動作校正模塊，用于動作校正；
動作數(shù)據(jù)輸出模塊，用于動作數(shù)據(jù)輸出。
[0021]與現(xiàn)有基于動作捕捉的三維數(shù)字內容制作流程相比，此發(fā)明所提出的基于動作捕捉的三維數(shù)字內容制作方法及制作系統(tǒng)具體較大的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在:
三維動漫制作效率大幅提高、制作成本大幅降低:目前基于動作捕捉的動漫制作主要還是依靠動漫師用Autodesk的Mot1nBuilder等軟件進行手工制作，從動捕數(shù)據(jù)修復、動作數(shù)據(jù)角色化、動作匹配及動作校正等動漫制作流程，每分鐘的動漫制作大約需要10個小時的工作時間。而通過本發(fā)明所提出的匹配和驅動系統(tǒng)，所有動漫制作流程都可自動智能化完成，每分鐘的動漫制作只需花費5分鐘的時間，提高效率百倍以上，也因此大大降低了人力成本。另外，由于制作效率的提高，大大縮短動漫制作周期，也可帶來巨大的市場效果和經濟效益。
[0022]三維動漫制作的質量大幅提高:由于基