概述
動(dòng)作捕捉儀是為第二次世界大戰(zhàn)后，起源于物理治療、康復(fù)土地中，對(duì)傷殘、截肢、腦癱、帕金森癥患者運(yùn)動(dòng)及行為學(xué)分析研究，產(chǎn)生與斯坦福大學(xué)神經(jīng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室至今仍是該土地的權(quán)威機(jī)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)與20世紀(jì)70年代結(jié)束應(yīng)用于動(dòng)畫制作土地，迪斯尼公司曾試圖通過(guò)捕捉演員的動(dòng)作以改進(jìn)動(dòng)畫制作結(jié)果。
三維動(dòng)作捕捉及分析系統(tǒng)
當(dāng)計(jì)算機(jī)技術(shù)剛結(jié)束應(yīng)用于動(dòng)畫制作時(shí)，紐約計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的Rebecca Allen就設(shè)計(jì)了一種光學(xué)裝置，將演員的表演姿勢(shì)投射在計(jì)算機(jī)屏幕上，作為動(dòng)畫制作的參考。之后從20世紀(jì)80年代結(jié)束，美國(guó)Biomechanics實(shí)驗(yàn)室、Simon Fraser大學(xué)、麻省理工學(xué)院等開展了計(jì)算機(jī)人體運(yùn)動(dòng)捕捉的研究。此后，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)吸引了越來(lái)越多的研究人員和開發(fā)商的目光，并從試用性研究逐步走向了實(shí)用化。1988年，SGI公司開發(fā)了可捕捉人頭部運(yùn)動(dòng)和表情的系統(tǒng)。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，目前在發(fā)達(dá)國(guó)家，運(yùn)動(dòng)捕捉差不多進(jìn)入了實(shí)用化時(shí)期，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，其應(yīng)用土地也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了表演動(dòng)畫，并成功地用于虛擬現(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。
到目前爲(wèi)止，常用的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)從原理上說(shuō)可分爲(wèi)機(jī)械式、聲學(xué)式、電磁式和光學(xué)式。同時(shí)，不依賴于專用傳感器，而直接識(shí)別人體特征的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)也將很快走向?qū)嵱谩２煌淼脑O(shè)備各有其優(yōu)缺點(diǎn)，一般可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：定位精度；實(shí)時(shí)性；使用便宜程度；可捕捉運(yùn)動(dòng)範(fàn)圍大；成本；抗幹?jǐn)_性；多目標(biāo)捕捉能力。
組成
從技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)捕捉的實(shí)質(zhì)就是要測(cè)量、跟蹤、記載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：
a) 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)隨著捕捉的過(guò)細(xì)程度確定跟蹤器的數(shù)目。
b) 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，它們擔(dān)負(fù)位置信號(hào)的捕捉。關(guān)于機(jī)械系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一塊捕捉電信號(hào)的線路板，關(guān)于光學(xué)Motion capture系統(tǒng)則是高辨別率紅外攝像機(jī)。
c) 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備
Motion capture系統(tǒng)，特別是需要實(shí)時(shí)結(jié)果的Motion capture系統(tǒng)需要將大批的運(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)行處置，而數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備就是用來(lái)完成此項(xiàng)工作的。
d) 數(shù)據(jù)處置設(shè)備
通過(guò)Motion capture系統(tǒng)捕捉到的數(shù)據(jù)需要修正、處置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)處置軟件或硬件來(lái)完成此項(xiàng)工作。軟件也好硬件也罷它們基本上借助計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)高速的運(yùn)算能力來(lái)完成數(shù)據(jù)的處置，使三維模型真正、自然地運(yùn)動(dòng)起來(lái)。
技術(shù)之一：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(lái)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)，依據(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。
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(lái)。X-ist的FullBodyTracker是一種頗具代表性的機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品。
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，主假如使用起來(lái)非常不便宜，機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)表演者的動(dòng)作阻礙和限制很大。而"猿猴"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"猿猴"的姿勢(shì)，很麻煩，要緊用于靜態(tài)造型捕捉和關(guān)鍵幀的確定。
技術(shù)之二：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、接收器和處置單元組成。發(fā)送器是一個(gè)固定的超聲波產(chǎn)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(guò)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。Logitech、SAC等公司都生產(chǎn)超聲波運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備。
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後，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，受噪聲和多次反照等幹?jǐn)_較大。由于空氣中聲波的速度與氣壓、濕度、溫度有關(guān)，因此還必須在算法中做出相應(yīng)的補(bǔ)償。
技術(shù)之三：電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉
電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是目前比較常用的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備。一般由開槍源、接收傳感器和數(shù)據(jù)處置單元組成。開槍源在空間產(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)）安置在表演者軀體的關(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(guò)電纜或無(wú)線方法與數(shù)據(jù)處置單元相連。
它的缺點(diǎn)在于對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格，在表演場(chǎng)地臨近不能有金屬物品，否則會(huì)造成電磁場(chǎng)畸變，影響精度。系統(tǒng)的允許表演範(fàn)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。
技術(shù)之四：光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉
光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉通過(guò)對(duì)目標(biāo)上特定光點(diǎn)的監(jiān)視和跟蹤來(lái)完成運(yùn)動(dòng)捕捉的任務(wù)。目前常見的光學(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(shuō)，關(guān)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，則依據(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獲得該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。 MotionAnalysis公司是該土地的佼佼者。
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)作範(fàn)圍。爲(wèi)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)，稱爲(wèi)"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)後，相機(jī)連續(xù)拍攝表演者的動(dòng)作，並將圖像序列保存下來(lái)，然後再進(jìn)行分析和處理，識(shí)別其中的標(biāo)志點(diǎn)，並計(jì)算其在每一瞬間的空間位置，進(jìn)而獲得其運(yùn)動(dòng)軌跡。爲(wèi)了獲得準(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。目前大部分表情捕捉都采用光學(xué)式。
有點(diǎn)光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)不依靠Marker作爲(wèi)識(shí)別標(biāo)志，例如根據(jù)目標(biāo)的側(cè)影來(lái)提取其運(yùn)動(dòng)信息，或者使用有網(wǎng)格的背景簡(jiǎn)化處理過(guò)程等。目前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)鍵部位並測(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)範(fàn)圍大，無(wú)電纜、機(jī)械裝置的限制，表演者可以自由地表演，使用很便宜。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的價(jià)格便宜，便于擴(kuò)充。
這種方法的缺點(diǎn)是系統(tǒng)價(jià)格昂貴，雖然它可以捕捉實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，但後處理（包括Marker的識(shí)別、跟蹤、空間坐標(biāo)的計(jì)算）的工作量較大，對(duì)于表演場(chǎng)地的光照、反照情況有一定的要求，裝置定標(biāo)也較爲(wèi)煩瑣。特別是當(dāng)運(yùn)動(dòng)複雜時(shí)，不同部位的Marker有也許發(fā)生攪混、遮擋，産生錯(cuò)誤結(jié)果，這時(shí)需要人工幹預(yù)後處理過(guò)程。
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)畫制作的功效，降低了成本，同時(shí)使動(dòng)畫制作過(guò)程更爲(wèi)直觀，結(jié)果更爲(wèi)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)獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，而運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)作爲(wèi)表演動(dòng)畫系統(tǒng)不可缺少的、最關(guān)鍵的部分，必定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)作是人類心緒、心愿的重要表達(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)更直接便宜，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)，并為最后實(shí)現(xiàn)可以明白人類表情、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、軀體等的位置與方向，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(lái)，以便將這些數(shù)據(jù)反應(yīng)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(lái)，實(shí)時(shí)傳送給機(jī)器人並控制其完成同樣的動(dòng)作。與傳統(tǒng)的遙控方法相比，這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更爲(wèi)直觀、細(xì)致、複雜、靈活而快速的動(dòng)作控制，大大提高機(jī)器人應(yīng)付複雜情況的能力。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)式遊戲
可使用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)捕捉遊戲者的各種動(dòng)作，用以驅(qū)動(dòng)遊戲環(huán)境中角色的動(dòng)作，給遊戲者以一種全新的參與感受，加強(qiáng)遊戲的真實(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(lái)，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)同樣大有可爲(wèi)。
可以預(yù)計(jì)，隨著技術(shù)自己的發(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)獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
要緊代表品牌
IS-1200、ReActor2、Vicon Organic、Motion、A.R.T.等等。
