動作捕捉技術(shù)概述

隨著計算機軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和動畫制作要求的提高，在發(fā)達國家，運動捕捉已經(jīng)進入了 實用化階段，有多家廠商相繼推出了多種商品化的運動捕捉設(shè)備，如 MotionAnalysis 、 Polhemus 、 Sega Interactive 、 MAC 、 X-Ist 、 FilmBox 等，成功地用于虛擬現(xiàn)實、游戲、人體工程學研究、模擬訓練、生物力學研究等許多方面。

從技術(shù)的角度來說，運動捕捉的實質(zhì)就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運動軌跡。典型的運動捕捉設(shè)備一般由以下幾個部分組成：

· 傳感器。所謂傳感器是固定在運動物體特定部位的跟蹤裝置，它將向 Motion capture 系統(tǒng)提供運動物體運動的位置信息，一般會隨著捕捉的細致程度確定跟蹤器的數(shù)目。

· 信號捕捉設(shè)備。這種設(shè)備會因 Motion capture 系統(tǒng)的類型不同而有所區(qū)別，它們負責位置信號的捕捉。對于機械系統(tǒng)來說是一塊捕捉電信號的線路板，對于光學 Motion capture 系統(tǒng)則是高分辨率紅外攝像機。

· 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。 Motion capture 系統(tǒng)，特別是需要實時效果的 Motion capture 系統(tǒng)需要將大量的運動數(shù)據(jù)從信號捕捉設(shè)備快速準確地傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)進行處理，而數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備就是用來完成此項工作的。

· 數(shù)據(jù)處理設(shè)備。經(jīng)過 Motion capture 系統(tǒng)捕捉到的數(shù)據(jù)需要修正、處理后還要有三維模型向結(jié)合才能完成計算機動畫制作的工作，這就需要我們應(yīng)用數(shù)據(jù)處理軟件或硬件來完成此項工作。軟件也好硬件也罷它們都是借助計算機對數(shù)據(jù)高速的運算能力來完成數(shù)據(jù)的處理，使三維模型真正、自然地運動起來。

機械式運動捕捉

機械式運動捕捉依靠機械裝置來跟蹤和測量運動軌跡。典型的系統(tǒng)由多個關(guān)節(jié)和剛性連桿組成，在可轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)中裝有角度傳感器，可以測得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度的變化情況。裝置運動時，根據(jù)角度傳感器所測得的角度變化和連桿的長度，可以得出桿件末端點在空間中的位置和運動軌跡。實際上，裝置上任何一點的運動軌跡都可以求出，剛性連桿也可以換成長度可變的伸縮桿，用位移傳感器測量其長度的變化。

早期的一種機械式運動捕捉裝置是用帶角度傳感器的關(guān)節(jié)和連桿構(gòu)成一個 " 可調(diào)姿態(tài)的數(shù)字模型 " ，其形狀可以模擬人體，也可以模擬其他動物或物體。使用者可根據(jù)劇情的需要調(diào)整模型的姿態(tài)，然后鎖定。角度傳感器測量并記錄關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度，依據(jù)這些角度和模型的機械尺寸，可計算出模型的姿態(tài)，并將這些姿態(tài)數(shù)據(jù)傳給動畫軟件，使其中的角色模型也做出一樣的姿態(tài)。這是一種較早出現(xiàn)的運動捕捉裝置，但直到現(xiàn)在仍有一定的市場。國外給這種裝置起了個很形象的名字： " 猴子 " 。

機械式運動捕捉的一種應(yīng)用形式是將欲捕捉的運動物體與機械結(jié)構(gòu)相連，物體運動帶動機械裝置，從而被傳感器實時記錄下來。

這種方法的優(yōu)點是成本低，精度也較高，可以做到實時測量，還可容許多個角色同時表演。但其缺點也非常明顯，主要是使用起來非常不方便，機械結(jié)構(gòu)對表演者的動作阻礙和限制很大。而 " 猴子 " 較難用于連續(xù)動作的實時捕捉，需要操作者不斷根據(jù)劇情要求調(diào)整 " 猴子 " 的姿勢，很麻煩，主要用于靜態(tài)造型捕捉和關(guān)鍵幀的確定。

聲學式運動捕捉

常用的聲學式運動捕捉裝置由發(fā)送器、接收器和處理單元組成。發(fā)送器是一個固定的超聲波發(fā)生器，接收器一般由呈三角形排列的三個超聲探頭組成。通過測量聲波從發(fā)送器到接收器的時間或者相位差，系統(tǒng)可以計算并確定接收器的位置和方向。

這類裝置成本較低，但對運動的捕捉有較大延遲和滯后，實時性較差，精度一般不很高，聲源和接收器間不能有大的遮擋物體，受噪聲和多次反射等干擾較大。由于空氣中聲波的速度與氣壓、濕度、溫度有關(guān)，所以還必須在算法中做出相應(yīng)的補償。

電磁式運動捕捉

電磁式運動捕捉系統(tǒng)是比較常用的運動捕捉設(shè)備。一般由發(fā)射源、接收傳感器和數(shù)據(jù)處理單元組成。發(fā)射源在空間產(chǎn)生按一定時空規(guī)律分布的電磁場；接收傳感器（通常有 10 ～ 20 個）安置在表演者身體的關(guān)鍵位置，隨著表演者的動作在電磁場中運動 , 通過電纜或無線方式與數(shù)據(jù)處理單元相連，見圖 2 和圖 3 所示。

表演者在電磁場內(nèi)表演時，接收傳感器將接收到的信號通過電纜傳送給處理單元，根據(jù)這些信號可以解算出每個傳感器的空間位置和方向。 Polhemus 公司和 Ascension 公司均以生產(chǎn)電磁式運動捕捉設(shè)備而著稱。這類系統(tǒng)的采樣速率一般為每秒 15 ～ 120 次（依賴于模型和傳感器的數(shù)量），為了消除抖動和干擾，采樣速率一般在 15Hz 以下。對于一些高速運動，如拳擊、籃球比賽等，該采樣速度還不能滿足要求。電磁式運動捕捉的優(yōu)點首先在于它記錄的是六維信息，即不僅能得到空間位置，還能得到方向信息，這一點對某些特殊的應(yīng)用場合很有價值。其次是速度快，實時性好，表演者表演時，動畫系統(tǒng)中的角色模型可以同時反應(yīng)，便于排演、調(diào)整和修改。裝置的定標比較簡單，技術(shù)較成熟，魯棒性好，成本相對低廉。

它的缺點在于對環(huán)境要求嚴格，在表演場地附近不能有金屬物品，否則會造成電磁場畸變，影響精度。系統(tǒng)的允許表演范圍比光學式要小，特別是電纜對表演者的活動限制比較大，對于比較劇烈的運動和表演則不適用。

光學式運動捕捉

光學式運動捕捉通過對目標上特定光點的監(jiān)視和跟蹤來完成運動捕捉的任務(wù)。常見的光學式運動捕捉大多基于計算機視覺原理。從理論上說，對于空間中的一個點，只要它能同時為兩部相機所見，則根據(jù)同一時刻兩部相機所拍攝的圖像和相機參數(shù)，可以確定這一時刻該點在空間中的位置。當相機以足夠高的速率連續(xù)拍攝時，從圖像序列中就可以得到該點的運動軌跡。

典型的光學式運動捕捉系統(tǒng)通常使用 6 ～ 8 個相機環(huán)繞表演場地排列，這些相機的視野重疊區(qū)域就是表演者的動作范圍。為了便于處理，通常要求表演者穿上單色的服裝，在身體的關(guān)鍵部位，如關(guān)節(jié)、髖部、肘、腕等位置貼上一些特制的標志或發(fā)光點，稱為 "Marker" ，視覺系統(tǒng)將識別和處理這些標志，如圖 4 所示。系統(tǒng)定標后，相機連續(xù)拍攝表演者的動作，并將圖像序列保存下來，然后再進行分析和處理，識別其中的標志點，并計算其在每一瞬間的空間位置，進而得到其運動軌跡。為了得到準確的運動軌跡，相機應(yīng)有較高的拍攝速率，一般要達到每秒 60 幀以上。

如果在表演者的臉部表情關(guān)鍵點貼上 Marker ，則可以實現(xiàn)表情捕捉，如圖 5 所示。大部分表情捕捉都采用光學式。

有些光學運動捕捉系統(tǒng)不依靠Marker 作為識別標志，例如根據(jù)目標的側(cè)影來提取其運動信息，或者利用有網(wǎng)格的背景簡化處理過程等。研究人員正在研究不依靠 Marker而應(yīng)用圖像識別、分析技術(shù)，由視覺系統(tǒng)直接識別表演者身體關(guān)鍵部位并測量其運動軌跡的技術(shù)，估計將很快投入實用。

光學式運動捕捉的優(yōu)點是表演者活動范圍大，無電纜、機械裝置的限制，表演者可以自由地表演，使用很方便。其采樣速率較高，可以滿足多數(shù)高速運動測量的需要。Marker 數(shù)量可根據(jù)實際應(yīng)用購置添加，便于系統(tǒng)擴充。

這種方法的缺點是系統(tǒng)價格昂貴，它可以捕捉實時運動，但后處理（包括 Marker 的識別、跟蹤、空間坐標的計算）的工作量較大，適合科研類應(yīng)用。

慣性導航式動作捕捉

通過慣性導航傳感器AHRS(航姿參考系統(tǒng))、IMU(慣性測量單元)測量表演者運動加速度、方位、傾斜角等特性。

不受環(huán)境干擾影響，不怕遮擋。捕捉精確度高，采樣速度高，達到每秒1000次或更高。由于采用高集成芯片、模塊，體積小、尺寸小，重量輕，性價比高。慣導傳感器佩戴在表演者頭上，或通過17個傳感器組成數(shù)據(jù)服穿戴，通過USB線、藍牙、2.4Gzh DSSS無線等與主機相聯(lián)，分別可以跟蹤頭部、全身動作，實時顯示完整的動作。

運動捕捉技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

將運動捕捉技術(shù)用于動畫制作，可極大地提高動畫制作的水平。它極大地提高了動畫制作的效率，降低了成本，而且使動畫制作過程更為直觀，效果更為生動。隨著技術(shù)的進一步成熟，表演動畫技術(shù)將會得到越來越廣泛的應(yīng)用，而運動捕捉技術(shù)作為表演動畫系統(tǒng)不可缺少的、最關(guān)鍵的部分，必然顯示出更加重要的地位。

運動捕捉技術(shù)不僅是表演動畫中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在其他領(lǐng)域也有著非常廣泛的應(yīng)用前景。

提供新的人機交互手段 表情和動作是人類情緒、愿望的重要表達形式，運動捕捉技術(shù)完成了將表情和動作數(shù)字化的工作，提供了新的人機交互手段，比傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標更直接方便，不僅可以實現(xiàn) " 三維鼠標 " 和 " 手勢識別 " ，還使操作者能以自然的動作和表情直接控制計算機，并為最終實現(xiàn)可以理解人類表情、動作的計算機系統(tǒng)和機器人提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 為實現(xiàn)人與虛擬環(huán)境及系統(tǒng)的交互，必須確定參與者的頭部、手、身體等的位置與方向，準確地跟蹤測量參與者的動作，將這些動作實時檢測出來，以便將這些數(shù)據(jù)反饋給顯示和控制系統(tǒng)。這些工作對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是必不可少的，這也正是運動捕捉技術(shù)的研究內(nèi)容。

機器人遙控 機器人將危險環(huán)境的信息傳送給控制者，控制者根據(jù)信息做出各種動作，運動捕捉系統(tǒng)將動作捕捉下來，實時傳送給機器人并控制其完成同樣的動作。與傳統(tǒng)的遙控方式相比，這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)更為直觀、細致、復雜、靈活而快速的動作控制，大大提高機器人應(yīng)付復雜情況的能力。在當前機器人全自主控制尚未成熟的情況下，這一技術(shù)有著特別重要的意義。

互動式游戲 可利用運動捕捉技術(shù)捕捉游戲者的各種動作，用以驅(qū)動游戲環(huán)境中角色的動作，給游戲者以一種全新的參與感受，加強游戲的真實感和互動性。

體育訓練 運動捕捉技術(shù)可以捕捉運動員的動作，便于進行量化分析，結(jié)合人體生理學、物理學原理，研究改進的方法，使體育訓練擺脫純粹的依靠經(jīng)驗的狀態(tài)，進入理論化、數(shù)字化的時代。還可以把成績差的運動員的動作捕捉下來，將其與優(yōu)秀運動員的動作進行對比分析，從而幫助其訓練。

另外，在人體工程學研究、模擬訓練、生物力學研究等領(lǐng)域，運動捕捉技術(shù)同樣大有可為?？梢灶A計，隨著技術(shù)本身的發(fā)展和相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)水平的提高，運動捕捉技術(shù)將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。