基本介紹
- 中文名：三維運動捕捉系統
- 外文名：3D Motion Capture System
- 套用範圍：運動科學、工業、影視遊戲製作等
- 1992年 ：機械式的面部跟蹤系統。
- 1993- 1994年：模仿恐龍的動作捕捉技術。
分類,套用範圍,
分類
現在運動捕捉技術主要分為四類：
1、 機械式運動捕捉
發展歷史
1950年 機械式(Mechanical)操作手臂，主要代替人在比較危險的環境工作。
1960年 迪斯尼公司採用機械式動作設計系統。
1963年 可進行回饋反映的機器人，這和現代的機械式運動捕捉技術很相似，通過人體動作實現對設備的動作控制，再回饋有關的設備運動信息。
1983年 卡爾弗特教授使用分壓計作為角度感測器進行人體分析。
1983年 拉涅爾發明了機械式的數據手套。
1985年 VPL研究中心開發了虛擬現實的技術，其中機械式運動捕捉為主要技術核心。
工作原理
機械式運動捕捉依靠機械裝置來跟蹤和測量運動，典型的系統由多個關節和剛性連桿組成。在可轉動的關節中裝有角度感測器，可以測得關節轉動角度的變化。裝置運動時，根據角度感測器的數據和連桿的長度，可以得出A點在空間的運動軌跡。剛性連桿也可以換成長度可變的伸縮桿，用位移感測器測量其長度的變化。機械式運動捕捉的一種套用形式是將欲捕捉的運動物體與機械結構相連，物體運動帶動機械裝置運動，從而被感測器記錄下來。另一種形式是用帶角度感測器的關節和連桿構成一個“可調姿態的數字模型”，其形狀可以模擬人體，也可以模擬其它動物、物體。使用者根據劇情的需要，調整模型的姿勢，然後鎖定。關節的轉動被角度感測器測量記錄，依據這些角度和模型的機械尺寸，計算出模性的姿態。這些姿態數據傳給動畫軟體，使其中的角色模型也做出一樣的姿勢，這是一種較早出現的運動捕捉裝置。 直到現在仍有一定的市場，國外給這種裝置起了個很形象的名字：“猴子”。但“猴子”較難用於連續動作的實時捕捉，需要操作者不斷根據劇情要求，調整“猴子”的姿勢，很麻煩，主要用於靜態造型捕捉和關鍵幀的確定。 現代的機械式運動捕捉技術則不必再去調整模型的姿態，需利用一套外骨骼系統將角度感測器固定在表演者的身上，就可以進行人體的動作數據採集。 (3)優點 成本低，裝置定標簡單，精度也較高。可以很容易地做到實時數據捕捉。 (4)缺點 主要是由於機械設備有尺寸以及重量等問題，使用起來非常不方便。機械結構對表演者的動作阻礙、限制很大，很多激烈的動作都無法完成。
機械捕捉設備使用目的專一，例如，用於捕捉身體動作的系統，就不能同時捕捉演員使用的道具。
2、光學式運動捕捉
1915年 弗雷斯格爾發明了“Rotoscope”技術，可以看成是運動捕捉的原始形式，也可以說是運動捕捉的先驅。不過那個時候的運動捕捉是手工“捉”出來的。1937年 迪斯尼在製作白雪公主卡通片時採用了Rotoscope技術拷貝真人動作，然後“貼上”給動畫人物，使動畫人物看上去有和真 人很相象的動作。
發展歷史
197x年 隨著計算機的發展，動畫師開始使用計算機來製作動畫人物。
1983年 金斯伯格和麥克斯韋教授使用Op—Eye這套光學跟蹤系統。
1984年 Motion Analysis實現通過二維跟蹤實現三維定位技術。
1985年 sun工作站用了17個小時計算出通過4個攝像機所跟蹤的8個點的三維運動軌跡(動作長3秒)。
1989年 跟蹤時長30秒，製作人物動畫。
1990年 Kleiser-Walczak公司需要製作一段音樂錄像帶，一位使用計算機製作的模型在麥克風前邊唱邊跳。
1999年 使用PII 450的計算機，10個攝像機，實時採集70個標誌(Marker)。
2005年 北京天遠三維光學運動捕捉系統可以同時進行2人的動作捕捉，跟蹤點可達100.
2016年 瑞典Qualisys三維光學運動捕捉系統可以同時進行多人的動作捕捉，跟蹤點無上限.
工作原理
通過對目標上特定光點的監視和跟蹤來完成運動捕捉的任務。從理論上說，對於空間的任意一個點，只要它能同時被兩台攝像機所見，則根據同一瞬間兩相機所拍攝的圖像和相機參數，即可以確定這一時刻該點的空間位置。當相機以足夠高的速率連續拍攝時，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通常有6～12個相機，環繞表演場地排列，這些相機的視野重疊區域就是表演者的動作範圍。為了便於處理，通常要求表演者穿上單色的服裝，在身體的關鍵部位，如關節、髖部、肘、腕等位置貼上一些特製的標誌或發光點，稱為“Marker”，視覺系統只識別和處理這些標誌。系統定標後，相機連續拍攝表演者的動作，並將圖像序列保存下來，然後再進行分析和處理，識別其中的標誌點，並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，要求相機要有較高的拍攝速率，一般要求達到每秒60幀以上。 基於類似的原理，還有多種類型的光學式運動捕捉設備，例如根據目標的側影來提取其運動信息，或者利用有格線的背景簡化處理過程。目前正在進一步研究不依靠Marker，而套用圖像識別、分析技術，由視覺系統直接識別表演者身體關鍵部位並測量其運動軌跡的技術。 目前，光學式運動捕捉主要分成兩類：主動式運動捕捉技術和被動式運動捕捉技術。他們的工作原理都是一樣的，不同的地方就是： 被動式運動捕捉系統所使用的跟蹤器是一些特製的小球，在它的表面塗了一層反光能力很強的物質，在攝像機的捕捉狀態下，它會顯得格外的明亮，使攝像機很容易捕捉到它的運動軌跡。 但是主動式的運動捕捉系統所採用的跟蹤點是本身可以發光的二極體，它無須輔助發光設施，但是需要能源供給。 被動式捕捉的攝像機在鏡頭的周圍是一些會發光的二極體，Marker正是把這些二極體所發出的光反射回到鏡頭裡，在每幀圖像中形成一個個亮點。這樣才使系統有“跡”可尋。主動式捕捉所需要的攝像機則不用本身帶有發光的功能。 (3)優點 光學式運動捕捉的優點是表演者活動範圍大，無電纜、機械裝置的限制，使用方便。採樣速率較高，精度高，可以滿足多數體育運動測量的需要。Marker價格便宜，便於擴充。 (4)缺點 系統價格較貴，這類系統對於表演場地的光照、反射情況敏感。 常需要人工干預後處理過程。加工和整理然後才能把這些數據套用到動畫角色模型上去。
3、 聲學式運動捕捉
發展歷史
1992年 機械式的面部跟蹤系統。
1993- 1994年 模仿恐龍的動作捕捉技術。
工作原理
常用的聲學式運動捕捉裝置由傳送器、接收器和處理單元組成。傳送器是固定的超音波發生器；接收器一般由呈三角形排列的3個超聲探頭組成。將多個傳送器固定在人身體的各個部位，傳送器持續發出超音波，每個接收器通過測量、計算聲波從傳送器到接收器的時間，3個構成三角形的接收器就可以確定傳送器的位置和方向。由於聲波的速度與溫度有關，還必須有測溫裝置，並在算法中作出相應的補償。 這類裝置成本較低，但對運動的捕捉有較大的延時和滯後，精度差，還要求聲源和接收器之間不能有遮擋，且受噪聲等干擾較大，系統擴展困難。
該技術的優點 首先在於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。其次是速度快、實時性好。使用時，隨著表演者的表演，動畫系統中的角色模型可以同時反應，便於排演、調整和修改。裝置的定標比較簡單，技術較成熟，成本相對低廉。可以完成地面滾動或跌倒等動作。 (4)缺點 對環境要求嚴格，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。該系統允許的表演範圍比光學式要小，特別是電纜對表演者的活動限制比較大，不適用於比較劇烈的運動、表演。目前這類系統的採樣速率一般為每秒15～120次(依賴於模型和感測器的數量)，為了消除抖動和干擾，採樣速率一般在15Hz以下，對於一些高速的運動，如體育運動，採樣速度不能滿足要求。
4、電磁式運動捕捉
發展歷史
1970年 Bill Polhemus開發電磁式運動捕捉。
1988年 商業運動捕捉系統(單通道)。
1994年 第一套快速多通道的電磁式捕捉系統。
工作原理
電磁式運動捕捉系統一般由三個部分組成，即發射源、接收感測器和數據處理單元。發射源在空間產生按一定時空規律分布的電磁場；接收感測器(通常有10～20個)安置在表演者身體的關鍵位置，感測器通過電纜與數據處理單元相連。表演者在電磁場內表演時，接收感測器也隨著運動，並將接收到的信號通過電纜傳送給處理單元，根據這些信號可以解算出每個感測器的空間位置和方向。
套用範圍
1.影視遊戲製作
2.動畫教育教學
3.醫療領域，用於康復醫療研究
4.體育領域，用於運動員的運動數據分析
5.工業領域，機器人、無人機控制
6.船舶海洋工程科研領域
