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動作捕捉技術

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1簡介

Motion capture 技術涉及尺寸測量、物理空間里物體的定位及方位測定等方面可以由計算機直接理解處理的數據。在運動物體的關鍵部位設置跟蹤器,由 Motion capture 系統捕捉跟蹤器位置,再經過計算機處理後向用戶通過可以在動畫製作中應用的數據。當數據被計算機識別後,動畫師即可以在計算機產生的鏡頭中調整、控制運動的物體。

2分類

從應用角度來看,表演動畫系統主要有表情捕捉和身體運動捕捉兩類;從實時性來看,可分為實時捕捉系統和非實時捕捉系統兩種。
到目前為止,常用的運動捕捉技術從原理上說可分為機械式、聲學式、電磁式和光學式。同時,不依賴於專用感測器,而直接識別人體特徵的運動捕捉技術也將很快走向實用。不同原理的設備各有其優缺點,一般可從以下幾個方面進行評價:定位精度;實時性;使用方便程度;可捕捉運動範圍大小;成本;抗干擾性;多目標捕捉能力。

3歷史

用於動畫製作的運動捕捉技術的出現可以追溯到 20 世紀 70 年代,迪斯尼公司曾試圖通過捕捉演員的動作以改進動畫製作效果。當計算機技術剛開始應用於動畫製作時,紐約計算機圖形技術實驗室的 Rebecca Allen 就設計了一種光學裝置,將演員的表演姿勢投射在計算機屏幕上,作為動畫製作的參考。之後從 20 世紀 80 年代開始,美國 Biomechanics 實驗室、 Simon Fraser 大學、麻省理工學院等開展了計算機人體運動捕捉的研究。此後,運動捕捉技術吸引了越來越多的研究人員和開發商的目光,並從試用性研究逐步走向了實用化。 1988 年, SGI 公司開發了可捕捉人頭部運動和表情的系統。隨著計算機軟硬體技術的飛速發展和動畫製作要求的提高,目前在發達國家,運動捕捉已經進入了實用化階段,有多家廠商相繼推出了多種商品化的運動捕捉設備,如 MotionAnalysis 、 Polhemus 、 Sega Interactive 、 MAC 、 X-Ist 、 FilmBox 等,其應用領域也遠遠超出了表演動畫,並成功地用於虛擬現實、遊戲、人體工程學研究、模擬訓練、生物力學研究等許多方面。

4捕捉技術

從技術的角度來說,運動捕捉的實質就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運動軌跡。典型的運動捕捉設備一般由以下幾個部分組成:
·  感測器。所謂感測器是固定在運動物體特定部位的跟蹤裝置,它將向 Motion capture 系統提供運動物體運動的位置信息,一般會隨著捕捉的細緻程度確定跟蹤器的數目。
·  信號捕捉設備。這種設備會因 Motion capture 系統的類型不同而有所區別,它們負責位置信號的捕捉。對於機械系統來說是一塊捕捉電信號的線路板,對於光學 Motion capture 系統則是高解析度紅外攝像機。
·  數據傳輸設備。 Motion capture 系統,特別是需要實時效果的 Motion capture 系統需要將大量的運動數據從信號捕捉設備快速準確地傳輸到計算機系統進行處理,而數據傳輸設備就是用來完成此項工作的。
·  數據處理設備。經過 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畫製作的工作,這就需要我們應用數據處理軟體或硬體來完成此項工作。軟體也好硬體也罷它們都是藉助計算機對數據高速的運算能力來完成數據的處理,使三維模型真正、自然地運動起來。
聲學式
常用的聲學式運動捕捉裝置由發送器、接收器和處理單元組成。發送器是一個固定的超聲波發生器,接收器一般由呈三角形排列的三個超聲探頭組成。通過測量聲波從發送器到接收器的時間或者相位差,系統可以計算並確定接收器的位置和方向。 Logitech 、 SAC 等公司都生產超聲波運動捕捉設備。
這類裝置成本較低,但對運動的捕捉有較大延遲和滯后,實時性較差,精度一般不很高,聲源和接收器間不能有大的遮擋物體,受雜訊和多次反射等干擾較大。由於空氣中聲波的速度與氣壓、濕度、溫度有關,所以還必須在演算法中做出相應的補償。
光學式
光學式運動捕捉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。目前常見的光學式運動捕捉大多基於計算機視覺原理。從理論上說,對於空間中的一個點,只要它能同時為兩部相機所見,則根據同一時刻兩部相機所拍攝的圖像和相機參數,可以確定這一時刻該點在空間中的位置。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。
市面上的光學運動捕捉產品主要分為主動式和被動式兩種標誌點,其主要性能也各具特點的:
採取主動Marker有系統提供Marker發光的電源和控制Marker的發光頻率,發射的紅外光源。
動作捕捉技術
被動的Marker則需要系統提供紅外的光源,以其表面的發光材料發射紅外光源。
無論是被動的還是主動的Marker光源,由系統的Sensor或者Camera捕捉,數據交與系統記錄和實時跟蹤定位。
MotionAnalysis 公司是該領域的佼佼者。典型的光學式運動捕捉系統通常使用 6 ~ 8 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" ,視覺系統將識別和處理這些標誌,如圖 4 所示。系統定標后,相機連續拍攝表演者的動作,並
被動標誌點

  被動標誌點

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,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鍵點貼上Marker,則可以實現表情捕捉,如圖 5 所示。目前大部分表情捕捉都採用光學式。
有些光學運動捕捉系統不依靠 Marker 作為識別標誌,例如根據目標的側影來提取其運動信息,或者利用有網格的背景簡化處理過程等。目前研究人員正在研究不依靠 Marker,而應用圖像識別、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,估計將很快投入實用。
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,表演者可以自由地表演,使用很方便。其採樣速率較高,可以滿足多數高速運動測量的需要。 Marker的價格便宜,便於擴充。
這種方法的缺點是系統價格昂貴,雖然它可以捕捉實時運動,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,相對適合科研類相關應用。
運動捕捉技術在其他領域的應用

5應用

將運動捕捉技術用於動畫製作,可極大地提高動畫製作的水平。它極大地提高了動畫製作的效率,降低了成本,而且使動畫製作過程更為直觀,效果更為生動。隨著技術的進一步成熟,表演動畫技術將會得到越來越廣泛的應用,而運動捕捉技術作為表演動畫系統不可缺少的、最關鍵的部分,必然顯示出更加重要的地位。
運動捕捉技術不僅是表演動畫中的關鍵環節,在其他領域也有非常廣泛的應用前景。
提供新的人機交互手段 表情和動作是人類情緒、願望的重要表達形式,運動捕捉技術完成了將表情和動作數字化的工作,提供了新的人機交互手段,比傳統的鍵盤、滑鼠更直接方便,不僅可以實現 " 三維滑鼠" 和 " 手勢識別 " ,還使操作者能以自然的動作和表情直接控制計算機,並為最終實現可以理解人類表情、動作的計算機系統和機器人提供了技術基礎。
虛擬現實系統為實現人與虛擬環境及系統的交互,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作,將這些動作實時檢測出來,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系統是必不可少的,這也正是運動捕捉技術的研究內容。
機器人遙控 機器人將危險環境的信息傳送給控制者,控制者根據信息做出各種動作,運動捕捉系統將動作捕捉下來,實時傳送給機器人並控制其完成同樣的動作。與傳統的遙控方式相比,這種系統可以實現更為直觀、細緻、複雜、靈活而快速的動作控制,大大提高機器人應付複雜情況的能力。在當前機器人全自主控制尚未成熟的情況下,這一技術有著特別重要的意義。
互動式遊戲 可利用運動捕捉技術捕捉遊戲者的各種動作,用以驅動遊戲環境中角色的動作,給遊戲者以一種全新的參與感受,加強遊戲的真實感和互動性。
體育訓練運動捕捉技術可以捕捉運動員的動作,便於進行量化分析,結合人體生理學、物理學原理,研究改進的方法,使體育訓練擺脫純粹的依靠經驗的狀態,進入理論化、數字化的時代。還可以把成績差的運動員的動作捕捉下來,將其與優秀運動員的動作進行對比分析,從而幫助其訓練。
另外,在人體工程學研究、模擬訓練、生物力學研究等領域,運動捕捉技術同樣大有可為。
可以預計,隨著技術本身的發展和相關應用領域技術水平的提高,運動捕捉技術將會得到越來越廣泛的應用。
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。
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。即被捕捉對象身上除了發光二極體之外,還需要一個控制儀器,作用是給二極體供電並編號。
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。
這兩種設計原理各有優劣。
1.對場地的要求:因為被動式靠反射光,場地內如果有其他光滑的金屬表面、玻璃、水面等可以反光的介質,則會對系統干擾,捕捉下來的數據內需要大量時間做后處理分析以去掉干擾點。主動光學的攝像頭只針對二極體發出來的特定頻率可見光識別,不易受到干擾,不受場地限制。
2.捕捉對象:對於人體動作的捕捉,主動式的優勢在於系統對各個發光點有唯一性的編號,即使光點遮蓋也不會造成誤讀或丟失(例如手臂交叉動作、跑步等),而被動式的反光點沒有編號,遮擋后系統會產生誤判。對於機械結構的捕捉,主動式因為需要在各個二極體之間布線,如果機械結構有旋轉等動作,可能會鉸斷線纜。
3.特殊場地:如果有水下動作捕捉,則目前了解到只有PHASESHACE的藍光主動光學動作捕捉系統可以做到。
美國魔神公司毫無疑問是被動光學動作捕捉行業的領導者,為全球近千用戶提供卓越性能的光學動作捕捉及分析系統,遍及動畫製作、運動分析、工業測量與控制等各個領域。在中國有美國魔神運動分析技術公司北京代表處。
美國PHASESPACE公司是主動光學動作捕捉行業的主要供應商,產品同樣遍布世界各地。在中國由北京朗迪鋒科技有限公司提供技術服務和支持。

6優缺點

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,可以滿足多數體育運動測量的需要。Marker價格便宜,便於擴充。
(系統價格昂貴,雖然它可以捕捉實時運動,但后處理(包括Marker的識別、跟蹤、空間坐標的計算)時間長。這類系統對於表演場地的光照、反射情況敏感。裝置定標也較為繁瑣,特別是當運動複雜的時候。不同部位的Marker很容易混淆、遮擋,產生錯誤的結果,經常需要人工干預后處理過程。由於這樣那樣的各種限制,所以幾乎所有的光學跟蹤系統都還需要依靠後序處理程序對捕捉的數據進行分析,加工和整理然後才能把這些數據應用到動畫角色模型上去。

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