关键词：Kinect;动作捕捉;三维动画;C4D

中图法分类号：TP311 文献标识码：A

近年来，动漫产业是我国大力支持发展的文化产业之一。随着现代数字媒体技术的不断进步，国家为大力扶持动漫产业的发展，陆续颁布了一系列扶持政策，如《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》和《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》，对新型数字化技术应用与教育事业有很大的帮助，给教育信息化理论、技术与应用的研究指明了具体方向。“十三五”规划更是提出实现文化产业（包括动漫产业）建设成为国民经济支柱的目标。2020年，我国动漫产业实现了2500亿元产值规模目标。随着国内动漫产业规模的不断扩大，动画电影尤其是三维动画电影作品受到越来越多的观众和投资者的喜爱，涌现了一大批优秀的国产动漫作品，比如《西游记之大圣归来》《哪吒之魔童降世》《大鱼海棠》《白蛇：缘起》《小门神》等，具有广阔的发展空间。目前，动漫产业在我国仍属于新兴产业，在迅速发展的过程中，对于三维动漫制作人才的需求逐年增大，对专业知识的要求也逐渐提高。培养专业的高级技术人才成为高等院校教育和社会培训的一大热点，各大高校把三维动画的制作引入课堂，并开设了相关课程进行实践教学。

三维动画制作的内容主要包括：角色动画和场景设计。而角色动画制作部分又可以分为：角色概念设计、三维角色模型创建、材质贴图、灯光渲染、角色绑定、角色动作设计及关键帧动画制作、三维分镜制作、角色特效、后期动画合成等。其中，角色绑定、角色动作设计及关键帧动画制作模块的教学内容主要是：学生根据运动规律如何设计制作角色的动作，并利用关键帧记录角色运动过程中的主要动作。关键帧指角色或者物体运动变化中关键动作所处的那一帧，相当于二维动画中的原画。

在传统教学中，学生根据动画剧本、角色模型创建完成骨骼绑定，通过骨骼和控制器手动设置关键帧的方式，制作角色在某一个时刻各个骨骼关节的关键性动作的记录，并重复上面的动作。在某一个动作完成所有的关键帧设置后，软件会自动创建关键帧之间的过渡动画，形成一个完整的动作。在实践教学中，我们发现学生缺乏经验，对运动规律的实际掌握能力不强，往往需要花费大量的时间和精力去调整角色的关键帧，才能达到角色动作的准确性，且还是会出现动作不协调、在运动中有变形拉长的现象，这在很大程度上影响了角色动画动作制作的最终效果和效率。

鉴于上述分析，提出应用Kinect动作捕捉技术实现角色动画的制作，并將该技术运用到三维动画课程中角色动画制作的教学实践。在具体的实践过程中，学生将通过利用Kinect设备采集人物动作信息，导出bvh动作路径文件，然后将其与C4D软件中已绑定好骨骼的角色模型进行关联，记录为关键帧，然后利用这些关键帧生成过渡帧，最终合成动画。

1Kinect动作捕捉技术简介

Kinect是微软在2009年6月2日的E3大展上正式公布的XBOX360游戏机体感周边外设，它实际上是一种3D体感多功能摄像机，利用其能即时动态捕捉及识别人体骨骼关节和超低成本的优势，再加上不断完善的图像识别和声音识别技术，迅速得到人们的认可。Kinect不需要使用任何控制器，它依靠相机捕捉三维空间中人物的运动，通过投射红外线反射后返回的时间取得深度信息，再将捕捉到的影像与本身内部存有的人体模型相对照，每一个符合内部已存人体模型的物体就会被创造成相关的骨骼模型;系统将该模型转换成虚拟角色，虚拟角色通过识别人体骨骼模型的关键部位进行动作触发。在虚拟骨骼模型的帮助下，系统可识别人体的25个关键部位，然后得到的数据只需要简单地剪切就可将背景和人物进行分离，而且红外传感器不需要光照，黑暗的环境里面也可以正常使用。如图1所示，左边为Kinect拍摄到的彩色图像，右半部分为Kinect识别出的人体骨骼信息。从结果我们可以看出，人体骨骼关节信息被清晰识别。

2Cinema4D软件简介

Cinema4D（以下简称C4D）由德国MaxonComputer开发并于1993年在Amiga平台上发布，已经有大量的技术积累，是一个非常成熟的三维软件，也是目前主流的三维动画制作和产品展示软件[7]，其被广泛应用在三维模型创建、材质渲染、角色动画制作中。在实践教学中，利用C4D制作三维动画的内容主要包括：一是三维角色的模型创建，也就是建模;二是为模型设置材质贴图和灯光;三是给角色绑定骨骼、蒙皮刷权重并依据剧本内容设计角色动作的关键帧动画;四是设置摄像机动画渲染输出，并完成后期动画合成。

关于C4D的角色骨骼绑定方法主要有：内置角色系统骨骼绑定和网站骨骼绑定。网站骨骼绑定主要借用外部网站来做角色的骨骼绑定，在此不做冗述。

下面重点讲述内置角色系统骨骼绑定的方法——其主要利用C4D的角色系统绑定，自动生成骨骼关节组件：首先选择模型，在效果器中添加角色效果器也就是俗称的控制器，再为效果器添加组件，分别生成对应的组件如脊椎、手臂、大腿等。值得注意的是，手掌的组件最好是要生成FK效果，FK是联动动作，IK是相反的被动动作，比如挨打;其次选择调整好的效果器，在关节点的模式下，使用移动命令调整关节的位置，调整完成后可以通过控制器检测骨骼关节是否正确，并以控制器的方式完成角色的动作;最后就是绑定，利用角色系统里面的绑定命令把角色模型和我们创建的骨骼关节进行绑定，并让其产生联动。此外，内置角色系统骨骼绑定也可以利用关节工具绘制骨骼，然后绑定到模型上，并创建IK链将绘制好的骨骼和模型产生联动（也可以实现角色动画的骨骼绑定，前提是对关节的基本分布有一定了解）。

3Kinect动作捕捉技术和C4D软件结合应用

Kinect动作捕捉技术的原理是：识别采集人物骨骼关节信息的运动轨迹关键帧数据，再导出bvh动作路径文件。真实动作捕捉数据bvh格式是可以直接导入C4D软件的——只要把bvh动作路径导入C4D软件，再匹配到预先绑定好骨骼的角色模型上，就可以使其产生联动，实现角色动画的制作。

导入C4D软件的具体操作是：先直接打开或直接把bvh数据文件拖入C4D软件，再以合并的方式导入已绑定好骨骼的角色模型，接着分别展开bvh骨骼关节信息和角色模型上的骨骼关节信息;我們需要把角色模型上的骨骼关节约束到bvh骨骼关节上去——把角色模型上的每个骨骼关节添加角色标签里的约束标签，打开PSR并勾选保持原始状态，这样我们就可以依次把bvh数据里对应的骨骼关节设置为目标对象，完成bvh骨骼关节和角色模型上的骨骼关节的约束，最后播放就可以看到特定动作的动画效果。学生根据动画内容，可以完成各种动作，Kinect动作捕捉技术记录学生的动作轨迹，并将骨骼关键路径信息导入C4D软件中，使得角色模型的动作是由学生的动作来驱动和操作，从而达到学生动作和角色动作的互动与同步。

4在教学实践中的应用

为了验证新方法在教学实践中的效果，我们针对动画和数字媒体艺术两个专业的学生，分别使用传统的三维角色动画教学方法与Kinect动作捕捉技术和C4D结合的教学方法，在规定的课时里完成三维角色动画的绑定、蒙皮、动作制作等课程内容。在实践课程上，实验室采用C4DR19版本、角色绑定使用创建IK链控制角色的骨骼进行试验。制作一个简单动作的角色动画（走路、跑步），使用传统的教学方法，手动设计关键帧调节角色动作的学生大约需要1个半小时，而使用Kinect动作捕捉技术和C4D软件相结合的学生只需要15分钟左右即可完成。从呈现的效果来看，Kinect动作捕捉技术和C4D软件相结合制作出的角色动作在准确流畅性方面要优于使用传统教学制作的动作。因而，采用Kinect动作捕捉技术和C4D软件相结合的方法，能够在保证角色动作准确流畅的基础上让每一个学生在短时间内做出比较炫酷的角色动画效果，既节省了时间和精力，还极大地提高了学生的三维角色动画制作水平。这不仅提高了学生学习的兴趣和效率，降低了成本，而且使角色动画制作教学更为生动。利用Kinect动作捕捉技术和C4D软件相结合的方法，我们在课程教学实践中收到了非常不错的效果。

5结论

本文介绍了一种Kinect动作捕捉技术和C4D软件相结合的三维角色动画制作的方法，并将这种新颖的方法用于教学实践。对比传统的角色动画制作技术，借助Kinect动作捕捉技术，能够大大提高三维角色动画的制作效率和水平。从我们的教学实践的效果看，学生采用Kinect动作捕捉技术制作三维角色动画的效率比使用传统方法提高了三倍左右。将这种新方法引入到教学中，利于学生高效掌握角色动画制作流程，提高了学生的学习兴趣，值得进一步推广。

不过，应用Kinect动作捕捉技术和C4D软件相结合的方法制作三维角色动画，也存在新的挑战。尤其是采用类似Kinect这样基于光学原理的动作捕捉技术，一方面，在人物被遮挡时可能存在动作捕捉信息丢失问题;另一方面，对于捕捉类似手指关节运动、面部表情等细节，技术上很难实现。往往对于这些细节处，仍需人工在C4D软件中进行微调，补充相关骨骼动作。因此，为了调整这些细节，可能也会出现耗时、耗力的情况。但大多数情况下，借助Kinect动捕技术有利于快速地获得骨骼动作信息，做出逼真的三维角色动画。作为新技术，值得在教学实践中进行推广，以拓宽学生的视野。

在今后的应用研究和教学实践中，我们需要进一步探索、引入更精准更高效的动作捕捉硬件技术，比如可穿戴动作捕捉和光学捕捉相结合的技术，以此获得逼真的角色骨骼运动信息。此外，我们还应探索如何利用动作捕捉技术与C4D软件结合完成人物或非人物的复杂动作场景的制作，进而保证动作的辨识度和准确性，以提高角色动作的生动性和节奏感。

作者简介：

舒水（1988— ），硕士，讲师，研究方向：数字媒体、动画设计。