基于动作捕捉的三维数字内容智能制作方法及制作系统技术方案

本发明专利技术公开的一种基于动作捕捉的三维数字内容智能制作方法，包括以下步骤：1）3D角色模型预处理；2）接收动作捕捉的数据，并进行智能数据处理；3）载入所需匹配并且已经预处理过的3D角色模型，进行自动匹配和绑定；4）驱动3D角色模型与动作表演者作同步运动，并作动作校正；5）动漫数字内容输出。本发明专利技术公开的一种基于动作捕捉的三维数字内容制作系统包括动作数据输入模块、动漫角色模型分析模块、动作匹配模块、动作驱动模块、动作数据智能处理模块、动作校正模块、动作数据输出模块。本发明专利技术的制作方法及制作系统能够大幅提高三维动漫制作效率、大幅降低制作成本、大幅提高三维动漫制作的质量，推动动漫产业的发展。

【技术实现步骤摘要】
基于动作捕捉的三维数字内容智能制作方法及制作系统
本专利技术属涉及三维数字内容智能制作
，特别是一种基于动作捕捉的三维数字内容智能制作方法及制作系统。
技术介绍
随着计算机技术的迅猛发展，以及人们对生活品质的更高追求，更多的三维数字产品走入了人们日常生活。在娱乐产业，高科技的动画影视及电影特技制作越来越得到人们的喜爱和市场的追捧，每年全球在三维动画产业的投入达到数百亿美元。在影视拍摄制作中，三维数字内容计算机制作所占的比例越来越大。现在动画影视大都是利用计算机动画软件，直接在计算机上手工制作出来的。对于一部长达1小时的动画片，则需要手工绘制近十万张图片，需要大量的人力，时间以及资金的投入，而且由于动作是手工绘制的，在视觉上依然给人以“动画”的感觉，缺乏人物动作的真实和自然性。2009年奥斯卡获奖影片《阿凡达》的成功上映在电影制片史上具有划时代的意义，在《阿凡达》电影中大量使用先进的三维动作捕捉技术，通过将真人表演的动作和表情准确地匹配到动画角色中，开创了动画电影制作一个新的里程，从根本上改变了现有的影视动画制作乃至特技制作方法,大大增加电影中人物动作的真实性，增加了视觉的观赏性，给世界观众带来了一个全新的感觉和享受。也取得了巨大的商业成功，成为世界电影史上第一个票房价值超出20亿美元电影巨作。目前在国外电影大片制作中，基于动作捕捉的数字内容制作已被广泛使用。基于动作捕捉的三维数字内容制作主要包括三个主要步骤（即动作捕捉、动作匹配/绑定、动作驱动）和一些辅助步骤。动作捕捉主要是通过三维动作捕捉系统将真人表演的动作实时地捕捉下来；动作匹配需要将真人形体与动画角色进行匹配和绑定；动作驱动则是通过真人的动作来驱动动画角色作出同样的动作。目前，基于不同技术的三维动作捕捉系统已有多种产品在市场销售，如Vicon,Giant,MotionAnalysis,Optitrack系统等，而且技术相对比较成熟。在动作匹配和动作驱动上，Autodesk公司的Motionbuilder软件是用来进行动作匹配和动作驱动的普遍使用的软件工具。制作者在获得通过动作捕捉系统所采集到人物动作轨迹数据（.bvh格式或.c3d格式）后，直接将数据输入Motionbuilder软件进行人工动作匹配和动作驱动。在Motionbuilder软件的使用中，主要有以下几方面的问题：在大多数的情况下，动作表演人的形体和动漫角色的形体是不同的，因此Motionbuilder每次需要将表演者的骨骼和角色骨骼进行人工匹配。Motionbuilder需要采用Autodesk公司自己定义的标准的人体骨骼架构。可是，在动漫电影中，很多拟人的动物形体的骨骼架构以及人体骨骼架构是不同的。对于这些与Motionbuilder所定义的人体骨骼架构不同动漫角色，Motionbuilder则无法进行人体动作匹配和动作驱动。在动作匹配和动作驱动中，一个普遍存在的问题是动作“穿帮”和“滑步”。当表演者在进行手脚贴身动作表演时，由于人体形状和动漫角色的形体上常常有很大的不同，在动作匹配时，角色的手脚会插入到身体某些部位而产生“穿帮”，也会产生动漫角色的脚步不能正确地踩在地面上而出现腾空或漂移等“滑步”的现象。在很多情况下，当表演者形体和动漫角色模型差别较大时，容易造成失真和动作变形，因此在使用Motionbuilder软件是，需要对表演者形体和动画角色模型进行手工绑定，费时耗力。《阿凡达》电影巨大的商业成功来自于超过4亿美元投资和多达四年时间的制作，其中很大一部分时间和资金是投入到三维动作捕捉和动画制作上，尤其是在人物动作及表情与电影角色模型的人工匹配/绑定和动作驱动上。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是提供一种基于动作捕捉的三维数字内容智能制作方法及制作系统，该系统和方法可实现三维数字内容制作中动作匹配和动作驱动的自动化；并且能够实现人体骨骼架构的自定义，使得人体形状和动漫角色更加贴合，避免“穿帮”和“滑步”现象；达到提高三维数字内容制作的效率和精度，进一步以达到降低数字内容制作成本、时间及提高制作质量的目的。本专利技术公开的一种基于动作捕捉的三维数字内容制作方法，包括以下步骤：1）3D角色模型预处理，获得处理过的角色骨骼特征信息；这些角色骨骼特征信息为匹配和绑定提供了依据。2）载入并提取3D角色模型预先处理的角色骨骼特征信息，接收动作捕捉的数据；3）将所收到的动作捕捉的数据与3D角色模型进行匹配和绑定；4）驱动3D角色模型与动作表演者作同步运动。本专利技术的方法可实现自动匹配和绑定，以及自动驱动。但是并不要求这些动作全部是自动完成，即使有的过程是手动完成，也可实现本专利技术的技术方案。比如，匹配和绑定动作选择自动完成，而驱动选择手动完成。作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤1）3D角色模型预处理包括：对3D角色模型的表面几何面片进行分析处理，提取所需的3D角色骨骼信息，并计算骨骼节点之间的几何面片与所附着骨骼节点的运动权重以及骨骼的几何特征值，并将这些处理过的3D角色骨骼信息保存在骨骼树状机构中；剔除与动作捕捉无关的多余信息。作为上述技术方案的另一种改进，所述步骤3）匹配和绑定过程包括将所收到的每一帧的骨骼运动信息与3D角色模型进行匹配和绑定。作为上述技术方案的另一种改进，所述步骤4）驱动过程包括依据3D角色模型预先计算出的骨骼节点之间的几何面片与所附着骨骼节点的运动权重以及骨骼的几何特征值，实时计算3D角色模型每个几何面片的空间几何的运动位置，驱动3D角色模型与动作表演者作同步运动。作为上述技术方案的另一种改进，本专利技术的方法还包括以下步骤：5）在进行所述步骤4）驱动的同时，对匹配结果进行角色表面形状碰撞检测，如检测到形体表面有碰撞部分，则进行碰撞消除处理。作为上述技术方案的另一种改进，本专利技术的方法还包括以下步骤：6）动作校正：计算3D角色终关节点的运动位置，再通过反向运动学（InverseKinematics)的计算，得出每个关节点的位置。作为上述技术方案的另一种改进，本专利技术的方法还包括以下步骤：7）动作数据输出。作为上述技术方案的另一种改进，本专利技术的方法还包括以下步骤：在所述步骤1）3D角色模型预处理后，步骤2）接收动作捕捉的数据之前，进行动作捕捉。作为上述技术方案的另一种改进，本专利技术的方法还包括以下步骤：动作数据智能处理：在所述步骤2）接收动作捕捉的数据之后，对于由于光标点遮挡或其他原因而出现数据丢失的部分，采用多帧分析的方法，利用丢失数据帧的前后帧的所采集到的光标点的位置，计算丢失光标点的位置，填充所遗漏的数据；对于光标点的跳动，则采用信号平滑算法自动对数据进行平滑处理，消除抖动。用于上述技术方案所述的制作方法的制作系统，其特征在于：包括：动作数据输入及动作数据智能处理模块用于接收动作捕捉的数据，并对动作捕捉数据进行修复处理；动漫角色模型智能分析模块，用于分析动漫角色的骨骼和形体；动作匹配模块，用于将所捕捉到的人体动作匹配和绑定到动漫角色中；动作驱动模块，驱动3D角色模型与动作表演者作同步运动；动作校正模块，用于动作校正；动作数据输出模块，用于动作数据输出。与现有基于动作捕捉的三维数字内容制作流程相比，此专利技术所提出的基于动作捕捉的三维数字内容制作方法及制作系统具体较本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于动作捕捉的三维数字内容智能制作方法，其特征在于：包括以下步骤：1）3D角色模型预处理，获得处理过的角色骨骼特征信息；2）载入并提取3D角色模型预先处理的角色骨骼特征信息，接收动作捕捉的数据；3）将所收到的动作捕捉的数据与3D角色模型进行匹配和绑定；4）驱动3D角色模型与动作表演者作同步运动。

【技术特征摘要】
1.一种基于动作捕捉的三维数字内容智能制作方法，其特征在于：包括以下步骤：1）3D角色模型预处理，获得处理过的角色骨骼特征信息；2）载入并提取3D角色模型预先处理的角色骨骼特征信息，接收动作捕捉的数据；3）将所收到的动作捕捉的数据与3D角色模型进行匹配和绑定；4）驱动3D角色模型与动作表演者作同步运动；5）动作校正：匹配和驱动系统根据预先保留的表演者每根骨骼的几何特征信息、动画角色每根骨骼的几何特征信息、表演者的关节动作的三维几何位置，计算3D角色终关节点的运动位置，再通过反向运动学InverseKinematics的计算，得出每个关节点的位置；所述步骤1）3D角色模型预处理包括：对3D角色模型的表面几何面片进行分析处理，提取所需的3D角色骨骼信息，并计算骨骼节点之间的几何面片与所附着骨骼节点的运动权重以及骨骼的几何特征值，并将这些处理过的3D角色骨骼信息保存在骨骼树状机构中；剔除与动作捕捉无关的多余信息在所述步骤1）3D角色模型预处理后，步骤2）接收动作捕捉的数据之前，进行动作捕捉；在所述步骤2）接收动作捕捉的数据之后，对于由于光标点遮挡或其他原因而出现数据丢失的部分，采用多帧分析的方法，利用丢失数据帧的前后帧的所采集到的光标点的位置，计算丢失光标点的位置，填充所...

【专利技术属性】
技术研发人员：方彤，
申请(专利权)人：南京梦宇三维技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32