三維姿態捕捉 什麼是動作捕捉?

2021-10-14 14:16:37 字數 1751 閱讀 4958

動作捕捉?什麼是動作捕捉?字面意思可以直觀地理解為通過各種技術手段記錄被觀察物件(人或物,或是動物)的動作,並做有效的處理。從專業角度來看,動作捕捉是一項能夠實時地準確測量、記錄運動物體在實際三維空間中的各類運動軌跡和姿態,並在虛擬三維空間中重構這個物體每個時刻運動狀態的高新技術。

既然是一項技術,那麼總是有各類不同方式實現這項技術的。動作捕捉技術現階段可以分為以下幾種:光學式,慣性式,機械式,聲學式,電磁式。

光學式動作捕捉,顧名思義,是通過光學原理來完場物體的捕捉和定位的。是通過光學鏡頭捕捉固定在人體或是物體上面的marker的位置資訊來完成動作姿態捕捉。光學式動作捕捉依靠一整套精密而複雜的光學攝像頭來實現,它通過計算機視覺原理,由多個高速攝像機從不同角度對目標特徵點進行跟蹤來完成全身的動作的捕捉。光學動作捕捉可分為被動式和主動式兩種。這個分類是從marker來區別的。主動式是指marker是主動發光甚至可以自帶id編碼的,這樣鏡頭在視野中可以通過marker自身發光來觀測它,並記錄捕捉到其的運動軌跡。而被動式光學動作捕捉是通過鏡頭本身自帶的燈板發出特定波長的紅外光,照射到marker上,marker是通過特殊反光處理,可以反射鏡頭燈板發出的紅外光,這樣鏡頭就能在視野裡捕捉記錄該marker的運動軌跡。

慣性動作捕捉則是採用慣性導航感測器ahrs(航姿參考系統)、imu(慣性測量單元)測量**捉者或物體的運動加速度、方位、傾斜角等特性。慣性動作捕捉需要各類無線控制項,電池組,感測器等一些配件。類似乙個整裝衣服穿在身上,通過各個部位的感測器來捕捉人體或物體的資料。

機械式動作捕捉系統依靠機械裝置來跟蹤和測量運動軌跡。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情況。裝置運動時,根據角度感測器所測得的角度變化和連桿的長度,可以得出桿件末端點在空間中的位置和運動軌跡。

聲學式動作捕捉系統一般由傳送裝置、接收系統和處理系統組成。傳送裝置一般是指超聲波發生器,接收系統一般由三個以上的超聲探頭組成。通過測量聲波從乙個傳送裝置到感測器的時間或者相位差,確定到接受感測器的距離,由三個呈三角排列的接收感測器得到的距離資訊解算出超聲發生器到接收器的位置和方向。

電磁式動作捕捉系統一般由發射源、接收感測器和資料處理單元組成。發射源在空間產生按一定時空規律分布的電磁場;接收感測器安置在表演者身體的關鍵位置,隨著表演者的動作在電磁場中運動,接收感測器將接收到的訊號通過電纜或無線方式傳送給處理單元,根據這些訊號可以解算出每個感測器的空間位置和方向。

機械式動作捕捉雖然成本低,精度也較高,但是由於機械裝置有尺寸及重量等問題,使用起來非常不方便。而聲學式動作捕捉的延遲很大,精度不高,大部分動作捕捉的應用領域都無法使用。電磁式的動作捕捉裝置對於環境的要求很嚴格,如果表演場地附近有金屬物品,就會造成電磁場畸變,影響精度。所以,機械式、聲學式與電磁式的動作捕捉系統在現代已較少應用。

目前主流的動作捕捉技術是慣性動作捕捉與光學動作捕捉。光學動作捕捉中,由於主動式marker需要供電,在固定marker時需要的配件和線路會影響使用,所以現在主流使用的光學動作捕捉幾乎為被動式光學動捕。與被動式光學動作捕捉亞公釐級的精度相比,慣性動作捕捉的誤差隨著時間而累積,精度上不如被動式光學動作捕捉;在使用環境上,由於慣性動作捕捉的感測器長時間暴露在磁場中可能會造成感測器磁化,所以在使用時要遠離磁場(包括但不限於電腦、鍵盤、電視等)。在自動化控制、運動分析、步態分析、虛擬實境、人機工效、影視動畫等領域,被動式光學動作捕捉往往更具優勢。考慮到慣性動作捕捉相對被動式光學動作捕捉具有的**優勢,在一些對精度要求不那麼高的領域(如部分電影電視中的人群的動作捕捉),往往會選用慣性動作捕捉。

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