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动作捕捉(动捕)技术原理

编辑:VR视角 发布时间:2020-08-24 09:54:53 0

定义简介


  动作捕捉(Motion capture),简称动捕(Mocap),又称运动捕捉。是指记录并处理人或其他物体动作的技术。它广泛应用于军事,娱乐,体育,医疗应用,计算机视觉以及机器人技术等诸多领域。

  在电影制作和电子游戏开发领域,它通常是记录人类演员的动作,并将其转换为数字模型的动作,并生成二维或三维的计算机动画。捕捉面部或手指的细微动作通常被称为表演捕捉(performance capture)。在许多领域,动作捕捉有时也被称为运动跟踪(motion tracking),但在电影制作和游戏开发领域,运动跟踪通常是指运动匹配(match moving)。

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技术原理


  17个物理惯性传感器每个都包括陀螺仪、加速计和磁力计。它可以感应绕空间3轴的旋转,通过复杂的算法来计算横滚俯仰和航向。通信设备包括传感器输出的数据,并计算四肢相对“主心骨"的位置。同时运用特别的算法来帮助计算出主心骨相对地面的位置。

  所有数据将通过无线蓝牙传送到计算机。软件处理并传输数据到3D动画软件如MotionBuilder。所有步骤都在动态中用最小时间间隔完成,真正做到实时的动作捕捉。


运动捕捉设备


  从技术的角度来说,运动捕捉的实质就是要测量、跟踪、记录物体在三维空间中的运动轨迹。典型的运动捕捉设备一般由以下几个部分组成:

  传感器。所谓传感器是固定在运动物体特定部位的跟踪装置,它将向Motion capture系统提供运动物体运动的位置信息,一般会随着捕捉的细致程度确定跟踪器的数目。

  信号捕捉设备。这种设备会因 Motion capture 系统的类型不同而有所区别,它们负责位置信号的捕捉。对于机械系统来说是一块捕捉电信号的线路板,对于光学Motion capture系统则是高分辨率红外摄像机。

  数据传输设备。Motion capture系统,特别是需要实时效果的Motion capture系统需要将大量的运动数据从信号捕捉设备快速准确地传输到计算机系统进行处理,而数据传输设备就是用来完成此项工作的。

  数据处理设备。经过Motion capture系统捕捉到的数据需要修正、处理后还要有三维模型向结合才能完成计算机动画制作的工作,这就需要我们应用数据处理软件或硬件来完成此项工作。软件也好硬件也罢它们都是借助计算机对数据高速的运算能力来完成数据的处理,使三维模型真正、自然地运动起来。

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动捕技术对比


  技术之一:机械式运动捕捉

  机械式运动捕捉依靠机械装置来跟踪和测量运动轨迹。

  优点:成本低,精度也较高,可以做到实时测量,还可容许多个角色同时表演。

  缺点:使用起来非常不方便,机械结构对表演者的动作阻碍和限制很大。

  技术之二:声学式运动捕捉

  常用的声学式运动捕捉装置由发送器、接收器和处理单元组成。

  优点:装置成本较低。

  缺点:对运动的捕捉有较大延迟和滞后,实时性较差,精度一般不很高,声源和接收器间不能有大的遮挡物体,受噪声和多次反射等干扰较大。由于空气中声波的速度与气压、湿度、温度有关,所以还必须在算法中做出相应的补偿。

  技术之三:电磁式运动捕捉

  电磁式运动捕捉系统是比较常用的运动捕捉设备。

  优点:它记录的是六维信息,同时得到空间位置,方向信息。速度快,实时性好,便于排演、调整和修改。装置的定标比较简单,技术较成熟,鲁棒性好,成本相对低廉。

  缺点:对环境要求严格,表演场地附近不能有金属物品,否则会造成电磁场畸变,影响精度。系统的允许表演范围比光学式要小,特别是电缆对表演者的活动限制比较大,对于比较剧烈的运动和表演则不适用。

  技术之四:光学式运动捕捉

  光学式运动捕捉通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。

  优点:表演者活动范围大,无电缆、机械装置的限制,表演者可以自由地表演,使用很方便。其采样速率较高,可以满足多数高速运动测量的需要。Marker数量可根据实际应用购置添加,便于系统扩充。

  缺点:系统价格昂贵,它可以捕捉实时运动,但后处理(包括 Marker 的识别、跟踪、空间坐标的计算)的工作量较大,适合科研类应用。

  技术之五:惯性导航式动作捕捉

  通过惯性导航传感器AHRS(航姿参考系统)、IMU(惯性测量单元)测量表演者运动加速度、方位、倾斜角等特性。

  优点:不受环境干扰影响,不怕遮挡。捕捉精确度高,采样速度高,达到每秒1000次或更高。由于采用高集成芯片、模块,体积小、尺寸小,重量轻,性价比高。惯导传感器佩戴在表演者头上,或通过17个传感器组成数据服穿戴,通过USB线、蓝牙、2.4Gzh DSSS无线等与主机相联,分别可以跟踪头部、全身动作,实时显示完整的动作。


应用领域


  动画制作

  它极大地提高了动画制作的效率,降低了成本,而且使动画制作过程更为直观,效果更为生动。随着技术的进一步成熟,表演动画技术将会得到越来越广泛的应用,而运动捕捉技术作为表演动画系统不可缺少的、最关键的部分,必然显示出更加重要的地位。

  提供新的人机交互手段

  表情和动作是人类情绪、愿望的重要表达形式,运动捕捉技术完成了将表情和动作数字化的工作,提供了新的人机交互手段。

  比传统的键盘、鼠标更直接方便,不仅可以实现“三维鼠标”和“手势识别”,还使操作者能以自然的动作和表情直接控制计算机,并为最终实现可以理解人类表情、动作的计算机系统和机器人提供了技术基础。

  虚拟现实系统

  为实现人与虚拟环境及系统的交互,必须确定参与者的头部、手、身体等的位置与方向,准确地跟踪测量参与者的动作,将这些动作实时检测出来,以便将这些数据反馈给显示和控制系统。这些工作对虚拟现实系统是必不可少的,这也正是运动捕捉技术的研究内容。

  机器人遥控

  机器人将危险环境的信息传送给控制者,控制者根据信息做出各种动作,运动捕捉系统将动作捕捉下来,实时传送给机器人并控制其完成同样的动作。

  与传统相比,这种系统可以实现更为直观、细致、复杂、灵活而快速的动作控制,大大提高机器人应付复杂情况的能力。在当前机器人全自主控制尚未成熟的情况下,这一技术有着特别重要的意义。

  互动式游戏

  可利用运动捕捉技术捕捉游戏者的各种动作,用以驱动游戏环境中角色的动作,给游戏者以一种全新的参与感受,加强游戏的真实感和互动性。

  体育训练

  运动捕捉技术可以捕捉运动员的动作,便于进行量化分析,结合人体生理学、物理学原理,研究改进的方法,使体育训练摆脱纯粹的依靠经验的状态,进入理论化、数字化的时代。还可以把成绩差的运动员的动作捕捉下来,将其与优秀运动员的动作进行对比分析,从而帮助其训练。

  另外,在人体工程学研究、模拟训练、生物力学研究等领域,运动捕捉技术同样大有可为。

  可以预计,随着技术本身的发展和相关应用领域技术水平的提高,运动捕捉技术将会得到越来越广泛的应用。


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