运动捕捉(Motion Capture)

运动捕捉的原理(传感器 信号捕捉设备 数据传输设备 数据处理设备)

运动捕捉(Motion Capture)

运动捕捉系统是一种用于准确测量运动物体在三维空间运动状况的高技术设备.它基于计算机图形学原理,通过排布在空间中的数个视频捕捉设备将运动物体(跟踪器)的运动状况以图像的形式记录下来,然后使用计算机对该图象数据进行处理,得到不同时间计量单位上不同物体(跟踪器)的空间坐标(X,Y,Z).

运动捕捉的原理

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(见图1):

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

负责捕捉,识别传感器的信号.负责将运动数据从信号捕捉设备快速准确地传送到计算机系统.这种设备会因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,对于光学系统则是高分辨率红外摄像机.

数据传输设备

特别是需要实时效果的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.所以它是负责处理系统捕捉到的原始信号,计算传感器的运动轨迹,对数据进行修正,处理,并与三维角色模型相结合.

近几年来，在促进影视特效和动画制作发展的同时，运动捕捉技术的稳定性、操作效率、应用弹性以及降低系统成本等得到了迅速提高。如今的运动捕捉技术可以迅速记录人体的动作，进行延时分析或多次回放，通过被捕捉的信息，简单的可以生成某一时刻人体的空间位置；复杂的则可以计算出任何面部或躯干肌肉的细微变形，然后很直观的将人体的真实动作匹配到我们所设计的动作角色上去。

现在运动捕捉技术主要分为四类，每项技术也有各自的特长与应用方向，同时也有需要突破的瓶颈：

机械式运动捕捉

(1)工作原理

机械式运动捕捉依靠机械装置来跟踪和测量运动，典型的系统由多个关节和刚性连杆组成。在可转动的关节中装有角度传感器，可以测得关节转动角度的变化。装置运动时，根据角度传感器的数据和连杆的长度，可以得出A点在空间的运动轨迹。实际上，装置上任何一点的运动轨迹都可以求出。刚性连杆也可以换成长度可变的伸缩杆，用位移传感器测量其长度的变化。

机械式运动捕捉的一种应用形式是将欲捕捉的运动物体与机械结构相连，物体运动带动机械装置运动，从而被传感器记录下来。另一种形式是用带角度传感器的关节和连杆构成一个“可调姿态的数字模型”，其形状可以模拟人体，也可以模拟其它动物、物体。使用者根据剧情的需要，调整模型的姿势，然后锁定。关节的转动被角度传感器测量记录，依据这些角度和模型的机械尺寸，计算出模性的姿态。这些姿态数据传给动画软件，使其中的角色模型也做出一样的姿势，这是一种较早出现的运动捕捉装置。

直到现在仍有一定的市场，国外给这种装置起了个很形象的名字：“猴子”。但“猴子”较难用于连续动作的实时捕捉，需要操作者不断根据剧情要求，调整“猴子”的姿势，很麻烦，主要用于静态造型捕捉和关键帧的确定。

现代的机械式运动捕捉技术则不必再去调整模型的姿态，而是可以实时采集人体的运动数据，只需利用一套外骨骼系统将角度传感器固定在表演者的身上，就可以进行人体的动作数据采集。

(2)优点

成本低，它的花费可能只是光学式运动捕捉的1/4，电磁式捕捉的1/2。装置定标简单，精度也较高。可以很容易地做到实时数据捕捉，还可以容许多个角色同时表演。

(3)缺点

主要是由于机械设备有尺寸以及重量等问题，使用起来非常不方便。机械结构对表演者的动作阻碍、限制很大，很多激烈的动作都无法完成。机械捕捉设备使用目的专一，例如，用于捕捉身体动作的系统，就不能同时捕捉演员使用的道具。

电磁式运动捕捉

(1)工作原理

电磁式运动捕捉系统一般由三个部分组成(见图2-5)，即发射源、接收传感器和数据处理单元。发射源在空间产生按一定时空规律分布的电磁场；接收传感器(通常有10～20个)安置在表演者身体的关键位置，传感器通过电缆与数据处理单元相连。表演者在电磁场内表演时，接收传感器也随着运动，并将接收到的信号通过电缆传送给处理单元，根据这些信号可以解算出每个传感器的空间位置和方向。

(2)该技术的优点

首先在于它记录的是六维信息，即不仅能得到空间位置，还能得到方向信息。其次是速度快、实时性好。使用时，随着表演者的表演，动画系统中的角色模型可以同时反应，便于排演、调整和修改。装置的定标比较简单，技术较成熟，成本相对低廉。可以完成地面滚动或跌倒等动作。

(3)缺点

对环境要求严格，在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。该系统允许的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，不适用于比较剧烈的运动、表演。目前这类系统的采样速率一般为每秒15～120次(依赖于模型和传感器的数量)，为了消除抖动和干扰，采样速率一般在15Hz以下，对于一些高速的运动，如体育运动，采样速度不能满足要求。

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。发送器是固定的超声波发生器；接收器一般由呈三角形排列的3个超声探头组成。将多个发送器固定在人身体的各个部位，发送器持续发出超声波，每个接收器通过测量、计算声波从发送器到接收器的时间，3个构成三角形的接收器就可以确定发送器的位置和方向。由于声波的速度与温度有关，还必须有测温装置，并在算法中作出相应的补偿。

这类装置成本较低，但对运动的捕捉有较大的延时和滞后，精度差，还要求声源和接收器之间不能有遮挡，且受噪声等干扰较大，系统扩展困难。

被动光学式运动捕捉

(1)发展历史

1915年 弗雷斯格尔发明了“Rotoscope”技术，可以看成是运动捕捉的原始形式，也可以说是运动捕捉的先驱。不过那个时候的运动捕捉是手工“捉”出来的。

1937年 迪斯尼在制作白雪公主动画片时采用了Rotoscope技术拷贝真人动作，然后“粘贴”给动画人物，使动画人物看上去有和真人很相象的动作。

注：为了得到令人满意的动画人物运动的效果，事先用真实的演员表演动作，然后在电影胶片上添加一层薄膜后勾勒出真实演员的表情和动作姿态，这些动作姿态将被作为动画模版，动画师参考这些姿态绘出角色的逐帧动画，这样连续播放时形成一个非常逼真自然的动作，当时在二维动画制作行业中被广泛的应用。

在纽约大学计算机图形实验室，艾伦博士使用一面半镀银的镜子将一段真实演员跳舞的录像带添加到计算机的屏幕上，利用它来对计算机制作的动画模型进行定位，使计算机制作出的舞蹈少女生成和真人相仿的动作姿势，计算机把这些姿态作为关键帧，然后计算生成一段平滑的动作。

1983年 金斯伯格和麦克斯韦教授使用Op—Eye这套光学跟踪系统。

1984年 Motion Analysis实现通过二维跟踪实现三维定位技术。

1985年 sun工作站用了17个小时计算出通过4个摄像机所跟踪的8个点的三维运动轨迹(动作长3秒)。

1989年 跟踪时长30秒，制作人物动画。

1990年 Kleiser-Walczak公司需要制作一段音乐录像带，一位使用计算机制作的模型在麦克风前边唱边跳。

1993年 Acclaim光学运动捕捉系统可以同时进行2人的动作捕捉，跟踪点可达100.

1996年 Motion Analysis公司实现标志的自动标识。

1999年 使用p II 450的计算机，10个摄像机，实时采集70个标志(Marker)。

(2)工作原理

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。从理论上说，对于空间的任意一个点，只要它能同时被两台摄像机所见，则根据同一瞬间两相机所拍摄的图像和相机参数，即可以确定这一时刻该点的空间位置。当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。

典型的光学式运动捕捉系统通常有6～8个相机，环绕表演场地排列，这些相机的视野重叠区域就是表演者的动作范围。为了便于处理，通常要求表演者穿上单色的服装，在身体的关键部位，如关节、髋部、肘、腕等位置贴上一些特制的标志或发光点，称为“Marker”，视觉系统只识别和处理这些标志。系统定标后，相机连续拍摄表演者的动作，并将图像序列保存下来，然后再进行分析和处理，识别其中的标志点，并计算其在每一瞬间的空间位置，进而得到其运动轨迹。为了得到准确的运动轨迹，要求相机要有较高的拍摄速率，一般要求达到每秒60帧以上。

基于类似的原理，还有多种类型的光学式运动捕捉设备，例如根据目标的侧影来提取其运动信息，或者利用有网格的背景简化处理过程。目前正在进一步研究不依靠Marker，而应用图像识别、分析技术，由视觉系统直接识别表演者身体关键部位并测量其运动轨迹的技术。

目前，光学式运动捕捉主要分成两类：主动式运动捕捉技术和被动式运动捕捉技术。他们的工作原理都是一样的，不同的地方就是：

被动式运动捕捉系统所使用的跟踪器是一些特制的小球，在它的表面涂了一层反光能力很强的物质，在摄像机的捕捉状态下，它会显得格外的明亮，使摄像机很容易捕捉到它的运动轨迹。

但是主动式的运动捕捉系统所采用的跟踪点是本身可以发光的二极管，它无须辅助发光设施，但是需要能源供给。被动式捕捉的摄像机在镜头的周围是一些会发光的二极管，Marker正是把这些二极管所发出的光反射回到镜头里，在每帧图像中形成一个个亮点。这样才使系统有“迹”可寻。主动式捕捉所需要的摄像机则不用本身带有发光的功能。

(3)优点

光学式运动捕捉的优点是表演者活动范围大，无电缆、机械装置的限制，使用方便。采样速率较高，可以满足多数体育运动测量的需要。Marker价格便宜，便于扩充。

(4)缺点

系统价格昂贵，虽然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)时间长。这类系统对于表演场地的光照、反射情况敏感。装置定标也较为繁琐，特别是当运动复杂的时候。不同部位的Marker很容易混淆、遮挡，产生错误的结果，经常需要人工干预后处理过程。

由于这样那样的各种限制，所以几乎所有的光学跟踪系统都还需要依靠后序处理程序对捕捉的数据进行分析，加工和整理然后才能把这些数据应用到动画角色模型上去。

全自由式运动捕捉系统Stage

(1)发展历史

2007年ORGANIC MOTION 公司创建的Stage 运动捕捉系统开辟了一个全新领域。它是世界上第一个不需要专门穿戴任何东西、不需要更换衣服、不需要校准反射点、不需要担心标记点被遮盖、不需要精心策划的生产线流水操作，你可以随心所欲地进行动作捕捉。他的出现在美国引起了轰动，对动画和娱乐业的运动捕捉进行重新定义。

(2)工作原理

演员无需穿着动作捕捉服，无需标记点，只要摄像机前随心所欲做动作，捕捉到的画面就会由电脑实时生成图像，图像被合成三维数据云后，电脑将相邻的数据点三角化，进而形成人体的轮廓、动作。之后再用动画软件对被填充的三维材质做进一步处理，捕捉到的动作任何细节都不会丢失。

(3)优点

自由自在，不再需要紧身衣和标记点

在很短时间内对角色或物体自动校准

立即产生干净的极好的实时3D数据

也可作为一个实时3D扫描仪产生3D网格和材质

大大减少创建创建作品数据的时间和费用

能适合的导入Autodesk的MotionBuilder和其他领先的主流动画软件

不需要技工，大大减少数据处理费用

可方便升级到多角色和手指的跟踪

杰出的运动捕捉效率，从校准到捕捉到清洗数据可在几分钟内完成

操作简洁方便，适合广大用户使用

表演者活动范围大，无电缆、机械装置的限制

速度快、实时性好，采样速率极高

环境要求低，装修成本低廉

(4)缺点

系统价格昂贵。