動畫角色栩栩如生:結合肢體與科技的創作

動畫角色栩栩如生:結合肢體與科技的創作

《泰山》運用自如的大肌肉,關鍵是動態捕捉

筆者這個月月中回到台灣,主要是看看爸媽,順便放鬆一下。前幾日在家裡賦閒上網的時候,發現了這段影片:

http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=h4D8O-bfQIk

這,不就是筆者大學時期的迪士尼動畫片《泰山》的3D版《泰山 3D》嗎!!!時間過得太快,一晃眼十幾年就過去了。筆者也從當年年輕帥氣的男子變成阿伯,但電影中的泰山卻是一點都沒變老,還是擁有那令男人稱羨的身材。

但除了肌肉群之外,現在筆者更在意的卻是電影中使用的動態捕捉技術。在此筆者想跟大家分享一些動態捕捉所需設備的技術原理與工作要點。

動態捕捉技術的佼佼者 -- Vicon

筆者曾在有物的文章中討論了電波式動態捕捉, 但此設備在市場上尚未普及。以電影製作與遊戲開發來說,在動態捕捉領域稱霸的是 Vicon 這家公司

許多好萊塢電影(如《怪獸屋》(Monster House))與知名的 CGI 工作室(ILM、R&H(《少年 Pi 的奇幻漂流》的工作室)普遍使用 Vicon 的軟體與硬體服務。《泰山3D》的動態捕捉資料就是用這家公司的軟體與設備完成的。

被動式動態捕捉系統(Passive Marker Motion Capture System)

在上述影片中,演員穿著特殊服裝,當然是為了模擬大猩猩的動態,為此,演員手臂前端還特別加上類似拐杖的東西來模擬大猩猩的手臂長度。

在特殊服裝表面加上由高反光材質製作的反光球,並在特定位置安裝,由攝影機接收自身打出的反射光線(由反光球反射), 這種系統稱為被動式的動態捕捉系統。

被動式動態捕捉設備示意圖。圖片來源:Chi-Feng(如未另外註明以下皆同)

被動式動態捕捉系統的原理

在被動式系統中,攝影機會打出一道道光線(通常是紅色)。光線碰到反光球後,反射回攝影機。攝影機接收到反射的光線後會回傳資料給系統,系統便根據逆平方法則(Inverse-square law)來計算該反光點在空間中的位置。

若該點移動的話,系統也會追蹤該點的位置,並在軟體系統內同步更新。所以只要有數量夠多的反光點安裝在人類身上,便能抓取到人類真實的動作並輸出給動畫軟體使用。該反光點通常是根據骨架系統(Skeleton system)放置。如下圖:

反光點的位置安排是根據動態捕捉系統設定的骨架系統

校準(Calibration)

使用被動式動態捕捉系統,因應場地的大小與現場的狀況,最好一開始先校準。特別是如果場地情況有所變化的話,筆者強烈建議先較準原本的系統。

校準就是利用工具讓系統了解場地的大小,以及場地道具間的相對位置。請參看下圖:

校準工具,通常只會使用到綠色框選的 T 字形棒與紅色框選的三角定位器

被綠色框起來,像 T 字形棒子的東西是校準攝影機用的。使用者將它拿在手上,並對著攝影機(每一台都需要,正對攝影機的鏡頭,鏡頭與 T 形棒兩者距離約兩公尺至三公尺)手動旋轉、並上下移動。此舉主要目的是測試,並讓攝影機偵測 T 形棒上的反光點。重複這個動作能讓系統了解攝影機在場地安裝的相對位置。

T 形棒來校準攝影機

紅色框圈出的三角形工具是用來定義場地的中心點。有了這兩項工具幫忙校準,系統便可以建構一個虛擬的空間(通常是一個矩形,請參考下圖)。在這空間裡的反光點都可以被攝影機精準的捕捉到。

有了攝影機與定位的三角形板,便可以在系統內產生一虛擬的矩形空間

在這空間內演員只要穿上裝有反光點服裝,開始動作,便可以在螢幕上及時(Real-Time)監控並記錄演員的表演。因為有校準的關係,所擷取到的資料會比未校準前精確。

骨架(skeleton)

如一開始提到,反光點的配置是根據骨架而有所不同。不同的動態捕捉系統有不同的骨架配置,如下圖:

原則上是每一個關節就可以安排放置一個反光點。

原始資料(Raw motion capture data)的處理

很多時候捕捉到的資料並不完美,因為很多因素會干擾資料的正確性。例如,如果有兩位以上的演員演出的話,就有可能在表演的過程中不小心蓋到對方或是自己身上的反光點。這時候如果從電腦螢幕觀察,反光點是消失的。演員在地上翻滾的時候,反光點也可能會被自己的身體蓋住。

在一開始的影片中,讀者可以看到一群演員演出對手戲的時候,手上與腳上的反光點不時會被對方給蓋住。反光點一旦消失,便會影響資料的準確性與動態的流暢感,嚴重的話整個資料便不能使用,或需要大量時間修復。在美國,就有專門從事修復與清理動態捕捉資料的工作,薪水也相當不錯。

動態捕捉的資料清理與修復工作通常會在 Vicon 系統裡完成,或是可以輸出到像是 MotionBuilder 這樣的軟體來進行。舉例來說一秒30格的畫面,因為反光點消失而少捕捉3格畫面,這些修復與清理的人就必須根據前後的動作,手動插入消失的那三格動作。當然系統也有自動修復的功能,但有時候不是很理想。

動態捕捉資料的修復,通常都是調整動畫曲線來建立流暢的動作,並手動插入消失的影格(Frame) 圖片來源:www.mrl.nyu.edu

主動式的動態捕捉系統(Active Marker Motion Capture System)

當然,有被動式就有主動式(就像談感情一定有被動與主動),主動式的動態捕捉系統是攝影機不發出光線,只擷取光線,而演員身上的反光點被主動發光的裝置給取代了,所以稱主動式捕捉系統。兩種系統各有擅場,主動式的系統發光裝置要時常充電,比較不便利。

泰山的新電影還在製作階段,當然使用動態捕捉的好處是可以節省大量的製作時間。安排好的話一天可以抓取許多動態,效率遠遠超過傳統的手動方式。所以說動態捕捉系統絕對是在電影製作與遊戲動畫製作不可或缺的好工具。

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