ضبط حرکت

استخراج حرکت یا ضبط حرکت (به انگلیسی: Motion capture) یا ردیابی حرکت (به انگلیسی: Motion Tracking) با (کوته‌نوشت: mocap) اصطلاحاتی هستند که برای توصیف جنبش یا حرکت افراد و اشیاء در صحنه سه‌بعدی به‌کار می‌روند. از این فناوری در سرگرمی (سینما، بازی، و …)، ارتش (برای شبیه‌سازی میدان نبرد)، ورزش و برنامه‌های کاربردی پزشکی استفاده می‌شود.

معرفی فناوری

این تکنولوژی را می‌توانیم در فیلم‌ها و انیمیشن های ماندگاری مثل آواتار، قطار سریع‌السیر قطبی، ماجراهای تن تن، بیوولف و بازیهای ویدیویی اعم از کامپیوتر و کنسول که از جلوه های ویژه استفاده کردند مشاهده کنیم.

تمام این جلوه های بصری یا همان Visual Effects در سایک ابداع فناوری ضبط سه بعدی حرکات و انتقال آن به کامپیوتر خودنمایی می‌کنند و این فناوری به طور خلاقانه باعث میشود تا به بیننده حس واقعی بودن حرکات کاراکترها القا بشود.

موشن کپچر به فناوری ضبط حرکت افراد یا اشیا و انتقال آن حرکت به کامپیوتر اشاره میکند به این معنی که حرکات واقعی بازیگر یا Actor ضبط می‌شود و این فیلم در مدل دیجیتالی کاراکتر در انیمیت های دو بعدی و سه بعدی استفاده میشود و گاهی به این فناوری Motion Tracking یا ردیابی حرکت هم گفته میشود اما این اصطلاح قدیمی هست و در قرن ۲۰ به کار برده میشده است.

تاریخچه فناوری

تاریخ و زادگاه این فناوری با نگاهی عمیقتر به اواخر قرن ۱۹ میلادی برمیگردد زمانی که عکاسی به نام ادوارد مای بریج Eadweard Muybridge در سال ۱۸۷۸ با دوربین های متعددی از حرکت واقعی دویدن اسب در پیست عکس گرفت و بعد با کنار هم قرار دادن عکس ها فیلم ساده ای از حرکت ریل و واقعی اسب ساخت و این نوآوری به نام موشن پیکچر Motion Picture شناخته شد. بعد از مای بریج در سال ۱۹۱۵ انیماتوری به نام مکس فلچر Max Fleischer با ابداع فناوری جدیدی به نام روتوسکوپی Rotoscope توانست با عکس های ریل از حرکت کاراکترهای واقعی و تبدیل آنها به نقاشی های کامیک و کارتونی، حرکات پرسوناژها را واقعی تر کند و انیمیشن های واقعی تری نسبت به تکنیک های قدیمی تر بسازد، این تکنیک در آن دوران بیشتر در آثار وینسور مک کی Winsor McCay تا ۱۹۲۱ استفاده شد و در ۱۹۳۲ با مجموعه بتی بوپ که از آثار خوده فلچر بود به نمایش درآمد.

اسب در حرکت، ادوارد مای بریج ۱۸۷۸ میلادی

در سال ۱۹۸۰ با پیشرفت فناوری های کامپیوتری و سیستم های ضبط حرکت برای اولین بار حرکت شناسی به نام تام کالورت Tom Calvert در دانشگاه سایمون فریزر موفق شد تا با نصب فشار سنج آنالوگی به همراه اگزواسکلتون Exoskeleton یا اسکلت خارجی به پای انسان و اتصال آن به سیستم کامپیوتر با حرکت پا امواج آنالوگ خراجی را به فرم دیجیتال در کامپیوتر تبدیل کند. این اقدام کالورت را میشود شروع تولد تکنولوژی موشن کپچر امروزی به حساب اورد. فناوری ردیابی حرکت در قرن ۲۰ در زمینه پزشکی و ورزش برای سلامت سنجی حرکت افراد مورد استفاده قرار میگرفت و با گذشت زمان و همزمان با بهتر شدن سیستم های پردازشی و رندرینگ در قرن ۲۱ وارد صنعت انیمیشن و سینما و بازی سازی شد.

در سال ۲۰۰۴ اولین اثر طولانی انیمیشن که به طور کامل از این تکنولوژی استفاده کرد به نام قطار سریع‌السیر قطبی تولید شد و همزمان با تولید این اثر با ارزش اقداماتی نیز برای تقویت این سیستم توسط رابرت زمیکس Robert Zemeckis انجام شد مثل تصویر برداری همزمان صورت و بدن و رفع محدودیت های ضبط حرکت صورت با استفاده از حدود ۲۵۰ دوربین Vicon.

این اقدامات باعث شد تا حرکت صورت پرسوناژها طبیعی تر جلوه کند و انگیزه ها برای تفکر در تحول این سیستم بیشتر بشود، ما این تحول را در اثر بعدی او به نام یک سرود کریسمس A Christmath Carol سال ۲۰۰۹ به وضوح میبینم، زمیکس در این اثر با استفاده از کلاهی به نام (HMC (Helmet Mounted Camera که با بازویی فلزی چهار دوربین کوچک به آن متصل بود توانست حرکات صورت را به نحو دقیقتری جدا از حرکات بدن ضبط کند و تعداد دوربین های فضا را به ۱۰۰ عدد کاهش بدهدد. بعد از این اثر انگیزه کارگردان مشهور جیمز کامرون James Cameron برای ساخت پروژه آواتار Avatar 2009 بیشتر شد و برای تولید این اثر از همان تکنیک و روش مو کپ زمیکس با کمی تغییر بهره میبرد. بعد از انتشار فیلم آواتار آثار سینمایی بی نظیری با استفاده از فناوری مو کپ یکی پس از دیگری تا به امروز ساخته شدند و عملکرد جلوه های بصری VFX به نحو قابل توجهی ارتقا پیدا کرد.

انواع سیستم های موشن کپچر

امروزه سیستم های موشن کپچر به دو نوع کلی اپتیکال یا نوری و غیر اپتیکال تقسیم میشوند:

۱. سیستم های اپتیکال Optical Mo-Cap

اولین و پرکاربردترین سیستم های ردیابی حرکت سیستم های اپتیکال هستند که از دوربین برای ضبط حرکات و انتقال داده ها به کامپیوتر استفاده میکنند، تاریخ استفاده از این سیستم به سال ۱۹۸۳ برمیگردد که دانشگاه MIT و موسسه تکنولوژی نیویورک برای اولین بار از چراغ های فلش زن LED و دکمه های بازتاب دهنده نور Reflective Markers با انگیزه تحقیقاتی و نظامی برای ضبط حرکت انسان استفاده کردند.

خوده سیستم اپتیکال با توجه به نوع کاربرد مارکر یا نشانگر به دو قسم فاعلی یا Active و مفعولی یا Passive تقسیم میشود.

سیستم اپتیکال مفعولی Passive Marker Mo-Cap

در سیستم های اپتیکال پسیو مارکرها فقط نقش بازتاب دهندگی نور را برعهده دارند به این معنا که زمانی که اکتر در استیج حرکتی را انجام میدهد مثلاً دستش را بالا میاورد مارکرها نور پرجکتورها را به دو یا چند دوربین بسیار قوی با رزولوشن بالا بازتاب میدهند و سپس دوربین دیتای حرکت را به سیستم کامپیوتر انتقال میدهد و کامپیوتر کار سه بعدی سازی یا Triangulation حرکت زاویک های دوبعدی ضبط شده توسط دوربین را انجام میدهد و در نرم‌افزار مربوط حرکت را شبیک سازی یا Simulate میکند.

این مارکرها باید در نقاط مختلف بدن اکتر مطابق با مدل اسکلت مورد هدف در نرم‌افزار نصب بشن و این کار از قبل روی یک لباس مخصوص انجام میشود و اکتر موقع اجرا ان را میپوشد، هنگام نصب مارکرها جوینت Joint یا مفصل کاراکتر در انیمیت نقش اساسی دارد و نباید فراموش بشود، هر جوینت یک یا دو بون Bone یا استخوان را از اسکلت کاراکتر بهم وصل میکند و هرچی که تعداد مارکر ها روی بدن اکتر بیشتر باشه کار شبیه سازی توسط کامپیوتر دقیقتر و طبیعی تر خواهد بود اما برای اینکه عملیات شبیه سازی موقع همگام سازی Synchronization/Retargetting خروجی بهتری روی اسکلت کاراکتر مورد نظر داشته باشد این مارکرها باید با تعداد جوینت های کاراکتر مورد هدف تناسب داشته باشند به این معنا که هر مارکر روی بدن اکتر نقش هر مفصل اسکلت کاراکتر مورد هدف را اجرا کند. امروزه از این سیستم بیشتر در ضبط حرکات صورت استفاده میشود.

سیستم اپتیکال فاعلی Active Marker Mo-Cap

این سیستم نیز از لحاظ نحوه کار مثل سیستم مفعولی عمل میکند با این فرق که در این سیستم ما بجای مارکرهای شفاف بازتاب دهنده نور از لامپ های LED استفاده میکنیم. در این سیستم دیگر پروجکتور وجود نداره و لامپ ها وظیفه انتقال حرکت را به دوربین ها به عهد دارن. از این سیستم بیشتر در ضبط حرکت بدن استفاده میشود چون نصب لامپ روی صورت غیرممکن یا بسیار سخت هست و گاهی به خاطر کوچیک بودن حجم صورت باعث کاهش دقت کامپیوتر در تشخیص حرکات میشود.

سیستم های اپتیکال بدون مارکر Optical Markerless Mo-Cap

در این سیستم از هیچ مارکری روی بدن اکتر استفاده نمی‌شود و دیتای حرکت اکتر به صورت Real Time یا زمان واقعی توسط دوربین به نرم‌افزار مربوط فرستاده و شبیه سازی میشود، روند سه بعدی سازی در این تکنیک بسیار آسانتر از روش مارکر هست چون در این تکنیک انیماتور این امکان را دارد تا دوربین را در زوایای مختلف صحنه حرکت بدهد در واقع در این روش به جای استفاده از زوایه دو بعدی مفاصل از زاویه سه بعدی استفاده میشود، در این روش اکتر با هر لباسی که باشد توسط دوربینی که به نرم‌افزار متصل هست اسکن و شبیه سازی شده و به اسکلت مورد هدف وصل میشود و بعد از اتصال کامل هر حرکتی که اکتر انجام بدهد به مدل دیجیتالی منتقل میشود، ما در این روش عمق میدان Depth of Field را هم همزمان با ضبط حرکت داریم، این سیستم توسط شرکت های مختلف و در انواع مختلفی ساخته شده، به این فناوری اصطلاحاً Organic Motion Capture ینی ضبط حرکت اندام دار هم گفته میشود که توسط شرکتی به همین نام تولید و منتشر شده، این تکنولوژی در سال ۲۰۰۸ توسط شرکت روسی IPI Soft هم طراحی و ابداع شد و تا امروز توسط کمپانی های مختلف در حال تقویت و توسعه هست، این سیستم به طور full body به ضبط حرکات کل بدن میپردازه، این تکنولوژی تا امروزه بیشتر در ساخت بازی های کامپیوتر و کنسول مورد استفاده قرار گرفته و هنوز فیلم سینمایی و یا انیمیشن طولانی که به طور کامل در روند ساخت خودش از این سیستم استفاده کرده باشد تولید نشده است اما از این تکنولوژی با کلاه HMC فقط برای ضبط حرکت چشم و صورت در آثار سینمایی و انیمیشن استفاده شده. در سال ۲۰۰۶ هم با ابداع سیستم جدیدی به نام Contour Reality Capture (یا ضبط نمای واقعی)، در ابتدا به طور اختصاصی ضبط حرکات صورت به نحو قابل توجهی راحت و دقیقتر شد، به این نحو که اکتر در مقابل چند ردیف دوربین قرار میگیرد و به جای استفاده از مارکر روی صورتش از ماده شفاف فسفرسنت استفاده میشود، ویژگی این روش رفع محدودیت نقاط استفاده از مارکر روی صورت هست چون با این روش میشود از ۲۵۰ تا ۱۰۰۰۰ نقطه روی صورت اکتر را ضبط کرد در حالی که با مارکر امکان ضبط حرکت به این تعداد نقطه وجود نداره و در فیلم هالک شگفت انگیز ۲۰۰۸ ضبط حرکات صورت هالک با استفاده از این سیستم انجام شد. و در آخر باید به شرکت FaceShift که اقدامات مهمی برای ضبط حرکات صورت انجام داده اشاره کنم، این شرکت با استفاده از دستگاه های معروف Kinect این امکان را فراهم کرده که اکتر بعد از اسکن چهره بدون هیچ محدودیتی حرکاتش به صورت Full Body ضبط و در نرم‌افزار مربوط شبیه سازی بشود، برای پیاده سازی این سیستم نیازی به تجهیزات زیاد و افراد متخصص و هزینه زیاد نیست و با یک دستگاه Kinect و یک کامپیوتر میشود عملیات مو کپ را به آسانی انجام داد.

Underwater Mo-Cap موشن کپچر زیر آب

در سیستم های اپتیکال امکان ضبط حرکت زیر آب هم وجود دارد که با دوربین های ضد آب به راحتی انجام میشود. کارکرد این سیستم کاملاً شبیه به سیستم های Active هست با این تفاوت که تمامی حرکات زیر آب ضبط میشود.

Fiber Optic Mo-Cap موشن کپچر فیبر نوری

یکی دیگه از سیستم های اپتیکال، سیستم فیبر نوری هست، این سیستم قبلاً برای ضبط حرکت دست ها استفاده میشده ولی اخیراً امکان ضبط حرکت کل بدن با ان فراهم شده، گرچه در این سیستم از هیچ دوربینی استفاده نمی‌شود ولی انتقال دیتای محل و جهت حرکت از طریق رشته های فیبر نوری با حسگر لرزش سنج wavelength measurement به کامپیوتر انجام میشود، به این صورت که رشته های فیبر نوری دیتای حرکت را گرفته و به حسگر مرکزی انتقال میدن و این دیتا از طریق کابل یا امواج وایرلس به کامپیوتر منتقل میشود، از ویژگی های خوب این سیستم قابلیت ضبط حرکت در هر فضایی هست اما دقت ضبط حرکت در این سیستم بسیار پایین است.

۲. سیستم های غیر اپتیکال Non-Optical Mo-Cap

قدمت این سیستم ها به حدود ۱۵ سال اخیر میرسه، در سیستم های غیر اپتیکال از هیچ دوربینی برای ضبط حرکت استفاده نمی‌شود و همچنین برای انتقال دیتا از فیبر نوری استفاده نمی‌شود، این سیستم به چند نوع تقسیم میشود:

سیستم الکترومغناطیسی Electromagnetic Mo-Cap

در این سیستم از لباس مخصوصی که سنسورهای مغناطیسی Magnetic Sensors به ان متصل هستن به همراه یک انتقال دهنده مرکزی الکترومغناطیسی Electromagnetic Central Transmitter استفاده میشود، امواج الکترومغناطیسی حرکت اندام ها، از طریق سنسور ها به انتقال دهنده مرکزی وارد و از ان به صورت امواج وایرلس یا از طریق کابل به کامپیوتر منتقل میشود. کارکرد این سیستم نسبت به اپتیکال بسیار ساده و کم هزینه هست و فضای کمتری اشغال میشود اما دقت ضبط آن به نسبت پایینتر هست و امکان اختلال در ضبط حرکت به خاطر نزدیک بودن اشیاء فلزی وجود دارد.

سیستم اینرسی Inertial Mo-Cap

این سیستم در حال حاضر توسط شرکت Xsens به صورت حرفه ای عرضه میشود، کارکرد این سیستم به این صورت هست که اکتر لباسی مخصوص میپوشد که چند حسگر Sensor در قسمت های مختلف مفاصل و قسمت های دیگه مثل سینه یا کمر نصب شده، و حرکات اکتر توسط این Sensor ها که میتوانند شتاب سنج accelerometers چرخش سنج gyroscopes جاذبه یا مغناطیس سنج magnetometers یا هر حسگر یا Segment دیگه ای باشند گرفته و از طریق امواج وایرلس Wireless به سیستم های کامپیوتری منتقل میشوند. این سیستم نسبت به بقیه از دقت بسیار بالایی برخوردار است در این سیستم تاخیر و انسداد در ضبط حرکت وجود ندارد و محدودیت تعداد اکترها تا حد زیادی کاهش پیدا کرده است، فضای خاصی برای ضبط حرکت در این سیستم وجود ندارد و ابتکار جالب شرکت سازنده مجهز کردن سنسورها به قابلیت انتقال داده ها به صورت وایرلس و بیسیم هست، این قابلیت باعث حذف سیم کشی بین سنسورها شده و نه تنها میزان حرکت و قدرت مانور اکتر را بسیار افزایش میدهد بلکه سرعت و دقت گیرنده ها را در ضبط حرکات تا حد زیادی افزایش داده است، با وجود این قابلیت نیازی به پوشیدن لباس مخصوصی نیست و سنسورها به راحتی روی مفاصل اکتر با هرلباسی که باشد قابل نصب هستند. این سیستم از بهترین سیستم های موشن کپچر هست که قابلیت فوق العاده ای برای ارتقاء فنی دارد همچنین که تا امروز بسیاری از نقص های ان برطرف شده و به یکی از بهترین و دقیقترین سیستمای ضبط حرکت بدن تبدیل شده اما هنوز برای ضبط حرکات صورت امکانات لازم تولید نشده.

سیستم الکترومکانیکی Electromechanical Mo-Cap

قدیمی تریم سیستم ضبط حرکت غیر اپتیکال، سیستم الکترومکانیکی یا اندام مصنوعی Prosthetic هست. این سیستم از چند فشار سنج Potentiometer استفاده میکند که روی یک اگزواسکلتون یا همان اسکلت خارجی از جنس پلاستیک نصب شدند که اکتر باید در زمان اجرا ان را بپوشد، دیتای حرکات به صورت وایرلس یا از طریق کابل قابل انتقال به کامپیوتر هستند، این سیستم نسبت به سیستم های اپتیکال که نیاز به فضای زیاد و کنترل شده دارد و سیستم مغناطیسی که نسبت به فلزات موجود در استیج حساس هست عملکرد بهتری دارد، این سیستم کم هزینه و به صورت پورتابل Portable و قابل حمل بوده و دقت بالایی در ضبط حرکات دارد چون ضبط حرکات بر اساس اسکلت داخلی اکتر Inner Skeleton انجام میشود و پیاده سازی این سیستم ساده تر از سیستم های دیگر هست اما از نقاط ضعف این سیستم عدم قدرت مانور اکتر برای ضبط حرکاتی مثل پریدن و پرت شدن و حرکات انعطافی هست.

سیستم صوتی Acoustic Mo-Cap

در سیستم صوتی از انتقال دهنده های صوتی Audio Transmitters روی بدن اکتر استفاده میشود به این صورت که موقع حرکت، صدای کلیک تولید میشود و گیرنده صوتی Audio Receiver زمان تولید صدا را اندازه گیری میکند و بعد از ان سه بعدی سازی دیتا توسط کامپیوتر انجام میشود تا یک نقطه روی یک صفحه سه بعدی نشون داده بشود، این سیستم نقاط ضعف زیادی دارد از جمله اختلال ضبط به واسطه صداهای اضافی تولید شده هنگام ضبط حرکت و محدودیت زمان ضبط و تعداد سنسورهای روی بدن.

موشن کپچر حیوانات Animals Mo-Cap

اخیراً سیستم موشن کپچر به رغم سختیای زیاد برای ضبط حرکات حیوانات هم آماده شده و تقریباً بدون نقص و محدودیت قابل اجرا هست، تنها محدودیت موجود ضبط حرکت حیوانات بسیار کوچک مثل بعضی از حشرات و بعضی حیوانات دیگر که قابلیت اهلی شدن ندارند هست اما به طور کلی سیستم مو کپ برای بسیاری از حیوانات بدون هیچ نقصی مهیا هست، از امکانات جالبی که برای مو کپ حیوانات استفاده میشود امکان ضبط حرکت صورت حیوانات توسط اکتر انسانی هست که از طریق تکنیک Retargetting قابل اجرا هست، در این تکنیک حرکات صورت اکتر انسانی با وجود اسکلت کاملاً متفاوتی که از صورت حیوان مورد نظر دارد، با صورت حیوان از طریق نرم‌افزار مجدداً هدفگذاری میشود و با این کار هر حرکتی که اکتر انجام میدهد بدون هیچ بهم ریختگی یا نقصی روی صورت حیوان اعمال میشود و لازم به گفتن هست که برای اینکار از سیستم های اپتیکال بدون مارکر استفاده میشود.

سوال: چرا پیکسار و کمپانی های معراف تولید کننده انیمیشن در دنیا کمتر از تکنولوژی مو کپ استفاده میکنند؟

در حال حاضر استفاده از موشن کپچر برای ساختن انیمیشن های Real Life یا دنیای واقعی مورد استفاده فراوان قرار می گیرد، با این وجود در بیشتر انیمیشن های پیکسار کاراکتر ها واقعی نیستند و اگر پیکسار می توانست موشن کپچر را بر روی اسباب بازی ها، حشرات، هیولا ها، رابات ها، ابر قهرمانان، اتومبیل ها و دایناسور ها نصب کند دست به این کار می زد. بنابرین شاید بشود گفت که از معایب این تکنولوژی محدودیت ان به حرکات دنیای واقعی و تبعیت کردن ان از قوانین فیزیکی هست.

ضبط حرکات با استفاده از مو کپ نسبت به حرکت سازی سنتی (دستی توسط انیماتور) چندین مزیت دارد

۱. سریع تر دریافت شدن خروجی حرکت به دست انیماتور.

۲. شرایط کار آسان با آن و ارائه دادن امکانات بسیار زیاد برای ویرایش حرکات.

۳. بهترین شبیه سازی با رعایت ۱۲ اصل انیمیشن.

۴. به صرفه بودن هزینه استفاده از سیستم مو کپ و کاهش هزینه تولید محتوا (فیلم بازی). البته برای استودیوهای بزرگ.

سخن پایانی

تکنولوژی موشن کپچر دگرگونی بزرگی در صنعت حرکت سنجی و حرکت سازی بوجود اورده و با گذشت زمان و بهبودی سایر امکانات کامپیوتری و سیستم های شبیه سازی دیجیتالی به زمینه بسیار مناسبی برای تولید محصولات سینمایی و جلوه های ویژه تبدیل شده و این امکان را به فیلمسازان حرفه ای داده تا با کم کردن هزینه های تولید، آثار خودشان را در محیط مجازی کامپیوتر به صورت کاملاً ریل و واقعی بوجود بیاورند، باوجود نقاط ضعف نه چندان زیاد در این فناوری نقاط قوت و جنبه های مثبت بی نهایت ان آینده بسیار روشنی را برای این دستاورد بزرگ رقم خواهد زد.

جستارهای وابسته

پانویس
    • با استفاده از مقاله علمی دانشجوی انیمیشن ایمان فراهانی (By using of the disquisition of Iman Farahani animation student)

    منابع
    در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ ضبط حرکت موجود است.
    This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.