動(dòng)作捕捉技術(shù)概述

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

從技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，運動(dòng)捕捉的實(shí)質(zhì)就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運動(dòng)軌跡。典型的運動(dòng)捕捉設備一般由以下幾個(gè)部分組成：

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

· 信號捕捉設備。這種設備會(huì )因 Motion capture 系統的類(lèi)型不同而有所區別，它們負責位置信號的捕捉。對于機械系統來(lái)說(shuō)是一塊捕捉電信號的線(xiàn)路板，對于光學(xué) Motion capture 系統則是高分辨率紅外攝像機。

· 數據傳輸設備。 Motion capture 系統，特別是需要實(shí)時(shí)效果的 Motion capture 系統需要將大量的運動(dòng)數據從信號捕捉設備快速準確地傳輸到計算機系統進(jìn)行處理，而數據傳輸設備就是用來(lái)完成此項工作的。

· 數據處理設備。經(jīng)過(guò) Motion capture 系統捕捉到的數據需要修正、處理后還要有三維模型向結合才能完成計算機動(dòng)畫(huà)制作的工作，這就需要我們應用數據處理軟件或硬件來(lái)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據高速的運算能力來(lái)完成數據的處理，使三維模型真正、自然地運動(dòng)起來(lái)。

機械式運動(dòng)捕捉

機械式運動(dòng)捕捉依靠機械裝置來(lái)跟蹤和測量運動(dòng)軌跡。典型的系統由多個(gè)關(guān)節和剛性連桿組成，在可轉動(dòng)的關(guān)節中裝有角度傳感器，可以測得關(guān)節轉動(dòng)角度的變化情況。裝置運動(dòng)時(shí)，根據角度傳感器所測得的角度變化和連桿的長(cháng)度，可以得出桿件末端點(diǎn)在空間中的位置和運動(dòng)軌跡。實(shí)際上，裝置上任何一點(diǎn)的運動(dòng)軌跡都可以求出，剛性連桿也可以換成長(cháng)度可變的伸縮桿，用位移傳感器測量其長(cháng)度的變化。

早期的一種機械式運動(dòng)捕捉裝置是用帶角度傳感器的關(guān)節和連桿構成一個(gè) " 可調姿態(tài)的數字模型 " ，其形狀可以模擬人體，也可以模擬其他動(dòng)物或物體。使用者可根據劇情的需要調整模型的姿態(tài)，然后鎖定。角度傳感器測量并記錄關(guān)節的轉動(dòng)角度，依據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)數據傳給動(dòng)畫(huà)軟件，使其中的角色模型也做出一樣的姿態(tài)。這是一種較早出現的運動(dòng)捕捉裝置，但直到現在仍有一定的市場(chǎng)。國外給這種裝置起了個(gè)很形象的名字： " 猴子 " 。

機械式運動(dòng)捕捉的一種應用形式是將欲捕捉的運動(dòng)物體與機械結構相連，物體運動(dòng)帶動(dòng)機械裝置，從而被傳感器實(shí)時(shí)記錄下來(lái)。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低，精度也較高，可以做到實(shí)時(shí)測量，還可容許多個(gè)角色同時(shí)表演。但其缺點(diǎn)也非常明顯，主要是使用起來(lái)非常不方便，機械結構對表演者的動(dòng)作阻礙和限制很大。而 " 猴子 " 較難用于連續動(dòng)作的實(shí)時(shí)捕捉，需要操作者不斷根據劇情要求調整 " 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(xué)式運動(dòng)捕捉

常用的聲學(xué)式運動(dòng)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(gè)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(gè)超聲探頭組成。通過(guò)測量聲波從發(fā)送器到接收器的時(shí)間或者相位差，系統可以計算并確定接收器的位置和方向。

這類(lèi)裝置成本較低，但對運動(dòng)的捕捉有較大延遲和滯后，實(shí)時(shí)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的補償。

電磁式運動(dòng)捕捉

電磁式運動(dòng)捕捉系統是比較常用的運動(dòng)捕捉設備。一般由發(fā)射源、接收傳感器和數據處理單元組成。發(fā)射源在空間產(chǎn)生按一定時(shí)空規律分布的電磁場(chǎng)；接收傳感器（通常有 10 ～ 20 個(gè)）安置在表演者身體的關(guān)鍵位置，隨著(zhù)表演者的動(dòng)作在電磁場(chǎng)中運動(dòng) , 通過(guò)電纜或無(wú)線(xiàn)方式與數據處理單元相連，見(jiàn)圖 2 和圖 3 所示。

表演者在電磁場(chǎng)內表演時(shí)，接收傳感器將接收到的信號通過(guò)電纜傳送給處理單元，根據這些信號可以解算出每個(gè)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(dòng)捕捉設備而著(zhù)稱(chēng)。這類(lèi)系統的采樣速率一般為每秒 15 ～ 120 次（依賴(lài)于模型和傳感器的數量），為了消除抖動(dòng)和干擾，采樣速率一般在 15Hz 以下。對于一些高速運動(dòng)，如拳擊、籃球比賽等，該采樣速度還不能滿(mǎn)足要求。電磁式運動(dòng)捕捉的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)對某些特殊的應用場(chǎng)合很有價(jià)值。其次是速度快，實(shí)時(shí)性好，表演者表演時(shí)，動(dòng)畫(huà)系統中的角色模型可以同時(shí)反應，便于排演、調整和修改。裝置的定標比較簡(jiǎn)單，技術(shù)較成熟，魯棒性好，成本相對低廉。

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

光學(xué)式運動(dòng)捕捉

光學(xué)式運動(dòng)捕捉通過(guò)對目標上特定光點(diǎn)的監視和跟蹤來(lái)完成運動(dòng)捕捉的任務(wù)。常見(jiàn)的光學(xué)式運動(dòng)捕捉大多基于計算機視覺(jué)原理。從理論上說(shuō)，對于空間中的一個(gè)點(diǎn)，只要它能同時(shí)為兩部相機所見(jiàn)，則根據同一時(shí)刻兩部相機所拍攝的圖像和相機參數，可以確定這一時(shí)刻該點(diǎn)在空間中的位置。當相機以足夠高的速率連續拍攝時(shí)，從圖像序列中就可以得到該點(diǎn)的運動(dòng)軌跡。

典型的光學(xué)式運動(dòng)捕捉系統通常使用 6 ～ 8 個(gè)相機環(huán)繞表演場(chǎng)地排列，這些相機的視野重疊區域就是表演者的動(dòng)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、髖部、肘、腕等位置貼上一些特制的標志或發(fā)光點(diǎn)，稱(chēng)為 "Marker" ，視覺(jué)系統將識別和處理這些標志，如圖 4 所示。系統定標后，相機連續拍攝表演者的動(dòng)作，并將圖像序列保存下來(lái)，然后再進(jìn)行分析和處理，識別其中的標志點(diǎn)，并計算其在每一瞬間的空間位置，進(jìn)而得到其運動(dòng)軌跡。為了得到準確的運動(dòng)軌跡，相機應有較高的拍攝速率，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(diǎn)貼上 Marker ，則可以實(shí)現表情捕捉，如圖 5 所示。大部分表情捕捉都采用光學(xué)式。

有些光學(xué)運動(dòng)捕捉系統不依靠Marker 作為識別標志，例如根據目標的側影來(lái)提取其運動(dòng)信息，或者利用有網(wǎng)格的背景簡(jiǎn)化處理過(guò)程等。研究人員正在研究不依靠 Marker而應用圖像識別、分析技術(shù)，由視覺(jué)系統直接識別表演者身體關(guān)鍵部位并測量其運動(dòng)軌跡的技術(shù)，估計將很快投入實(shí)用。

光學(xué)式運動(dòng)捕捉的優(yōu)點(diǎn)是表演者活動(dòng)范圍大，無(wú)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(mǎn)足多數高速運動(dòng)測量的需要。Marker 數量可根據實(shí)際應用購置添加，便于系統擴充。

這種方法的缺點(diǎn)是系統價(jià)格昂貴，它可以捕捉實(shí)時(shí)運動(dòng)，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(lèi)應用。

慣性導航式動(dòng)作捕捉

通過(guò)慣性導航傳感器AHRS(航姿參考系統)、IMU(慣性測量單元)測量表演者運動(dòng)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?xún)r(jià)比高。慣導傳感器佩戴在表演者頭上，或通過(guò)17個(gè)傳感器組成數據服穿戴，通過(guò)USB線(xiàn)、藍牙、2.4Gzh DSSS無(wú)線(xiàn)等與主機相聯(lián)，分別可以跟蹤頭部、全身動(dòng)作，實(shí)時(shí)顯示完整的動(dòng)作。

運動(dòng)捕捉技術(shù)在其他領(lǐng)域的應用

將運動(dòng)捕捉技術(shù)用于動(dòng)畫(huà)制作，可極大地提高動(dòng)畫(huà)制作的水平。它極大地提高了動(dòng)畫(huà)制作的效率，降低了成本，而且使動(dòng)畫(huà)制作過(guò)程更為直觀(guān)，效果更為生動(dòng)。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)一步成熟，表演動(dòng)畫(huà)技術(shù)將會(huì )得到越來(lái)越廣泛的應用，而運動(dòng)捕捉技術(shù)作為表演動(dòng)畫(huà)系統不可缺少的、最關(guān)鍵的部分，必然顯示出更加重要的地位。

運動(dòng)捕捉技術(shù)不僅是表演動(dòng)畫(huà)中的關(guān)鍵環(huán)節，在其他領(lǐng)域也有著(zhù)非常廣泛的應用前景。

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

虛擬現實(shí)系統 為實(shí)現人與虛擬環(huán)境及系統的交互，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(dòng)作，將這些動(dòng)作實(shí)時(shí)檢測出來(lái)，以便將這些數據反饋給顯示和控制系統。這些工作對虛擬現實(shí)系統是必不可少的，這也正是運動(dòng)捕捉技術(shù)的研究?jì)热荨?br/>
機器人遙控 機器人將危險環(huán)境的信息傳送給控制者，控制者根據信息做出各種動(dòng)作，運動(dòng)捕捉系統將動(dòng)作捕捉下來(lái)，實(shí)時(shí)傳送給機器人并控制其完成同樣的動(dòng)作。與傳統的遙控方式相比，這種系統可以實(shí)現更為直觀(guān)、細致、復雜、靈活而快速的動(dòng)作控制，大大提高機器人應付復雜情況的能力。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(zhù)特別重要的意義。

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

體育訓練 運動(dòng)捕捉技術(shù)可以捕捉運動(dòng)員的動(dòng)作，便于進(jìn)行量化分析，結合人體生理學(xué)、物理學(xué)原理，研究改進(jìn)的方法，使體育訓練擺脫純粹的依靠經(jīng)驗的狀態(tài)，進(jìn)入理論化、數字化的時(shí)代。還可以把成績(jì)差的運動(dòng)員的動(dòng)作捕捉下來(lái)，將其與優(yōu)秀運動(dòng)員的動(dòng)作進(jìn)行對比分析，從而幫助其訓練。

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