動(dòng)作捕捉技術(shù)概述

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和動(dòng)畫制作要求的提高，在發(fā)達(dá)國家，運(yùn)動(dòng)捕捉已經(jīng)進(jìn)入了 實(shí)用化階段，有多家廠商相繼推出了多種商品化的運(yùn)動(dòng)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(shí)、游戲、人體工程學(xué)研究、模擬訓(xùn)練、生物力學(xué)研究等許多方面。

從技術(shù)的角度來說，運(yùn)動(dòng)捕捉的實(shí)質(zhì)就是要測(cè)量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡。典型的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)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(yùn)動(dòng)物體特定部位的跟蹤裝置，它將向 Motion capture 系統(tǒng)提供運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)的位置信息，一般會(huì)隨著捕捉的細(xì)致程度確定跟蹤器的數(shù)目。

· 信號(hào)捕捉設(shè)備。這種設(shè)備會(huì)因 Motion capture 系統(tǒng)的類型不同而有所區(qū)別，它們負(fù)責(zé)位置信號(hào)的捕捉。對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)來說是一塊捕捉電信號(hào)的線路板，對(duì)于光學(xué) Motion capture 系統(tǒng)則是高分辨率紅外攝像機(jī)。

· 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。 Motion capture 系統(tǒng)，特別是需要實(shí)時(shí)效果的 Motion capture 系統(tǒng)需要將大量的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)從信號(hào)捕捉設(shè)備快速準(zhǔn)確地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，而數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備就是用來完成此項(xiàng)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(jì)算機(jī)動(dòng)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(xiàng)工作。軟件也好硬件也罷它們都是借助計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)高速的運(yùn)算能力來完成數(shù)據(jù)的處理，使三維模型真正、自然地運(yùn)動(dòng)起來。

機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉

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

早期的一種機(jī)械式運(yùn)動(dòng)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(gè) " 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(dòng)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(cè)量并記錄關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，依據(jù)這些角度和模型的機(jī)械尺寸，可計(jì)算出模型的姿態(tài)，并將這些姿態(tài)數(shù)據(jù)傳給動(dòng)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(yùn)動(dòng)捕捉裝置，但直到現(xiàn)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(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉的一種應(yīng)用形式是將欲捕捉的運(yùn)動(dòng)物體與機(jī)械結(jié)構(gòu)相連，物體運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械裝置，從而被傳感器實(shí)時(shí)記錄下來。

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(cè)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，主要是使用起來非常不方便，機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)表演者的動(dòng)作阻礙和限制很大。而 " 猴子 " 較難用于連續(xù)動(dòng)作的實(shí)時(shí)捕捉，需要操作者不斷根據(jù)劇情要求調(diào)整 " 猴子 " 的姿勢(shì)，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(yùn)動(dòng)捕捉

常用的聲學(xué)式運(yùn)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。通過測(cè)量聲波從發(fā)送器到接收器的時(shí)間或者相位差，系統(tǒng)可以計(jì)算并確定接收器的位置和方向。

這類裝置成本較低，但對(duì)運(yùn)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(yīng)的補(bǔ)償。

電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉

電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是比較常用的運(yùn)動(dòng)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(shí)空規(guī)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，隨著表演者的動(dòng)作在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng) , 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(chǎng)內(nèi)表演時(shí)，接收傳感器將接收到的信號(hào)通過電纜傳送給處理單元，根據(jù)這些信號(hào)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(yùn)動(dòng)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(dòng)和干擾，采樣速率一般在 15Hz 以下。對(duì)于一些高速運(yùn)動(dòng)，如拳擊、籃球比賽等，該采樣速度還不能滿足要求。電磁式運(yùn)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(duì)某些特殊的應(yīng)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)畫系統(tǒng)中的角色模型可以同時(shí)反應(yīng)，便于排演、調(diào)整和修改。裝置的定標(biāo)比較簡(jiǎn)單，技術(shù)較成熟，魯棒性好，成本相對(duì)低廉。

它的缺點(diǎn)在于對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)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(tǒng)的允許表演范圍比光學(xué)式要小，特別是電纜對(duì)表演者的活動(dòng)限制比較大，對(duì)于比較劇烈的運(yùn)動(dòng)和表演則不適用。

光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉

光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉通過對(duì)目標(biāo)上特定光點(diǎn)的監(jiān)視和跟蹤來完成運(yùn)動(dòng)捕捉的任務(wù)。常見的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉大多基于計(jì)算機(jī)視覺原理。從理論上說，對(duì)于空間中的一個(gè)點(diǎn)，只要它能同時(shí)為兩部相機(jī)所見，則根據(jù)同一時(shí)刻兩部相機(jī)所拍攝的圖像和相機(jī)參數(shù)，可以確定這一時(shí)刻該點(diǎn)在空間中的位置。當(dāng)相機(jī)以足夠高的速率連續(xù)拍攝時(shí)，從圖像序列中就可以得到該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

典型的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)通常使用 6 ～ 8 個(gè)相機(jī)環(huán)繞表演場(chǎng)地排列，這些相機(jī)的視野重疊區(qū)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(jié)、髖部、肘、腕等位置貼上一些特制的標(biāo)志或發(fā)光點(diǎn)，稱為 "Marker" ，視覺系統(tǒng)將識(shí)別和處理這些標(biāo)志，如圖 4 所示。系統(tǒng)定標(biāo)后，相機(jī)連續(xù)拍攝表演者的動(dòng)作，并將圖像序列保存下來，然后再進(jìn)行分析和處理，識(shí)別其中的標(biāo)志點(diǎn)，并計(jì)算其在每一瞬間的空間位置，進(jìn)而得到其運(yùn)動(dòng)軌跡。為了得到準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)軌跡，相機(jī)應(yīng)有較高的拍攝速率，一般要達(dá)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(xiàn)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(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)不依靠Marker 作為識(shí)別標(biāo)志，例如根據(jù)目標(biāo)的側(cè)影來提取其運(yùn)動(dòng)信息，或者利用有網(wǎng)格的背景簡(jiǎn)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(shí)別、分析技術(shù)，由視覺系統(tǒng)直接識(shí)別表演者身體關(guān)鍵部位并測(cè)量其運(yùn)動(dòng)軌跡的技術(shù)，估計(jì)將很快投入實(shí)用。

光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉的優(yōu)點(diǎn)是表演者活動(dòng)范圍大，無電纜、機(jī)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(yùn)動(dòng)測(cè)量的需要。Marker 數(shù)量可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用購置添加，便于系統(tǒng)擴(kuò)充。

這種方法的缺點(diǎn)是系統(tǒng)價(jià)格昂貴，它可以捕捉實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，但后處理（包括 Marker 的識(shí)別、跟蹤、空間坐標(biāo)的計(jì)算）的工作量較大，適合科研類應(yīng)用。

慣性導(dǎo)航式動(dòng)作捕捉

通過慣性導(dǎo)航傳感器AHRS(航姿參考系統(tǒng))、IMU(慣性測(cè)量單元)測(cè)量表演者運(yùn)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(dá)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(jià)比高。慣導(dǎo)傳感器佩戴在表演者頭上，或通過17個(gè)傳感器組成數(shù)據(jù)服穿戴，通過USB線、藍(lán)牙、2.4Gzh DSSS無線等與主機(jī)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(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

將運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)用于動(dòng)畫制作，可極大地提高動(dòng)畫制作的水平。它極大地提高了動(dòng)畫制作的效率，降低了成本，而且使動(dòng)畫制作過程更為直觀，效果更為生動(dòng)。隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，表演動(dòng)畫技術(shù)將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用，而運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)作為表演動(dòng)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(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)不僅是表演動(dòng)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(jī)交互手段 表情和動(dòng)作是人類情緒、愿望的重要表達(dá)形式，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)完成了將表情和動(dòng)作數(shù)字化的工作，提供了新的人機(jī)交互手段，比傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標(biāo)更直接方便，不僅可以實(shí)現(xiàn) " 三維鼠標(biāo) " 和 " 手勢(shì)識(shí)別 " ，還使操作者能以自然的動(dòng)作和表情直接控制計(jì)算機(jī)，并為最終實(shí)現(xiàn)可以理解人類表情、動(dòng)作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和機(jī)器人提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 為實(shí)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(zhǔn)確地跟蹤測(cè)量參與者的動(dòng)作，將這些動(dòng)作實(shí)時(shí)檢測(cè)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(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是必不可少的，這也正是運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的研究?jī)?nèi)容。

機(jī)器人遙控 機(jī)器人將危險(xiǎn)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(dòng)作，運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)將動(dòng)作捕捉下來，實(shí)時(shí)傳送給機(jī)器人并控制其完成同樣的動(dòng)作。與傳統(tǒng)的遙控方式相比，這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更為直觀、細(xì)致、復(fù)雜、靈活而快速的動(dòng)作控制，大大提高機(jī)器人應(yīng)付復(fù)雜情況的能力。在當(dāng)前機(jī)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(dòng)式游戲 可利用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)捕捉游戲者的各種動(dòng)作，用以驅(qū)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(qiáng)游戲的真實(shí)感和互動(dòng)性。

體育訓(xùn)練 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)可以捕捉運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作，便于進(jìn)行量化分析，結(jié)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(xùn)練擺脫純粹的依靠經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)，進(jìn)入理論化、數(shù)字化的時(shí)代。還可以把成績(jī)差的運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作捕捉下來，將其與優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作進(jìn)行對(duì)比分析，從而幫助其訓(xùn)練。

另外，在人體工程學(xué)研究、模擬訓(xùn)練、生物力學(xué)研究等領(lǐng)域，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)同樣大有可為。可以預(yù)計(jì)，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(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。