動作捕捉原理探究

1、新生研討課報告 題 目： 動作捕捉技術(shù)原理探究院 （系） 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專 業(yè) 計算機類學(xué) 生 楊義威 學(xué) 號 1160300804班 號 1603008指導(dǎo)教師 楊明日 期 2017. 4動作捕捉技術(shù)1 動作捕捉技術(shù)及背景u 動作捕捉動作捕捉英文Motion capture,簡稱Mocap。技術(shù)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(shù)據(jù)。在運動物體的關(guān)鍵部位設(shè)置跟蹤器，由Motion capture系統(tǒng)捕捉跟蹤器位置，再經(jīng)過計算機處理后得到三維空間坐標(biāo)的數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)被計算機識別后，可以應(yīng)用在動畫制作，步態(tài)分析，生物力學(xué)，人機工程等領(lǐng)域。2012年由

2、詹姆斯卡梅隆導(dǎo)演的電影阿凡達全程運用動作捕捉技術(shù)完成，實現(xiàn)動作捕捉技術(shù)在電影中的完美結(jié)合，具有里程碑式的意義。1其他運用動作捕捉技術(shù)拍攝的著名電影角色還有猩球崛起中的猩猩之王凱撒，以及動畫指環(huán)王系列中的古魯姆，都為動作捕捉大師安迪瑟金斯飾演2。2014年8月14日，由夢工廠制作的全息動作捕捉動畫電影馴龍高手2在中國大陸上映。除了電影之外，動作捕捉在游戲領(lǐng)域也應(yīng)用的極為廣泛，諸如光暈：致遠星、神鬼寓言3、全面戰(zhàn)爭：幕府將軍2、狙擊精英V2等主機游戲都應(yīng)用了動作捕捉技術(shù)。u 背景動作捕捉的起源普遍被認為是費舍爾（Fleischer）在1915年發(fā)明的 影像描?。╮otoscope）。這是一個在動畫

3、片制作中產(chǎn)生出的一種技術(shù)。藝術(shù)家通過精細的描繪播放給他們的真人錄影片段當(dāng)中的每一幀靜態(tài)畫面來模擬出動畫人物在虛擬世界中的具備真實感的表演。這個過程本身是枯燥乏味的。但是對于這些動畫師來說，幸運且具有紀念意義的是，1983年麻省理工學(xué)院（MIT）研發(fā)出了一套圖形牽線木偶。這套系統(tǒng)使用了早期的光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)，叫做“Op-Eye”，它依賴于一系列的發(fā)光二極管，通過制定動 作，來生成動畫腳本（Sturman,1999）。本質(zhì)上，這個牽線木偶充當(dāng)了第一套“動作捕捉服裝”。它自帶非常有限數(shù)量的感應(yīng)球,這些球能粗略的定位人體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵骨骼點的位置。這套技術(shù)的產(chǎn)生，迅速的奠定了動作捕捉在之后迅速發(fā)展的基礎(chǔ)，

4、為后續(xù)各種動作捕捉提供了追尋的方向，也引領(lǐng)了之后動作捕捉技術(shù)的風(fēng)潮，包括今天的動作捕捉技術(shù)在內(nèi)?，F(xiàn)在我們提到動作捕捉技術(shù)，最常聯(lián)想到的圖畫是一個動作捕捉演員身穿全黑的緊身衣，全身關(guān)鍵位置布上了白色的感應(yīng)小球。實際上，這套系統(tǒng)就是依賴于早期光學(xué)跟蹤系統(tǒng)的。關(guān)于動作捕捉最新的發(fā)展實際上也可以說成是圖形提線木偶系統(tǒng)的最終完善的遺產(chǎn)。即使如此，這套標(biāo)準(zhǔn)對比與最新的無感應(yīng)點動作掃描技術(shù)也快速的顯得過時。微軟開發(fā)的應(yīng)用在游戲主機xbox360上的“kinect”技術(shù)，可以不借助感應(yīng)點掃描并捕捉對象的細微動作。而New Yorks Organic Motion公司注冊的技術(shù)通過即時測量數(shù)臺不同攝像機之間畫面

5、的精確到毫秒單位的微小交錯時間來測量空間動作數(shù)據(jù)2 動作捕捉技術(shù)基本原理動作捕捉系統(tǒng)是指用來實現(xiàn)動作捕捉的專業(yè)技術(shù)設(shè)備。不同的動作捕捉系統(tǒng)依照的原理不同，系統(tǒng)組成也不盡相同?？傮w來講，動作捕捉系統(tǒng)通常由硬件和軟件兩大部分構(gòu)成。硬件一般包含信號發(fā)射與接收傳感器、信號傳輸設(shè)備以及數(shù)據(jù)處理設(shè)備等；軟件一般包含系統(tǒng)設(shè)置、空間定位定標(biāo)、運動捕捉以及數(shù)據(jù)處理等功能模塊。信號發(fā)射傳感器通常位于運動物體的關(guān)鍵部位，例如人體的關(guān)節(jié)處，持續(xù)發(fā)出的信號由定位傳感器接收后，通過傳輸設(shè)備進入數(shù)據(jù)處理工作站，在軟件中進行運動解算得到連貫的三維運動數(shù)據(jù)，包括運動目標(biāo)的三維空間坐標(biāo)、人體關(guān)節(jié)的6自由度運動參數(shù)等，并生成三維骨

6、骼動作數(shù)據(jù)，可用于驅(qū)動骨骼動畫，這就是動作捕捉系統(tǒng)普遍的工作流程。動作捕捉系統(tǒng)種類較多，一般地按照技術(shù)原理可分為：機械式、聲學(xué)式、電磁式、慣性傳感器式、光學(xué)式等五大類，其中光學(xué)式根據(jù)目標(biāo)特征類型不同又可分為標(biāo)記點式光學(xué)和無標(biāo)記點式光學(xué)兩類。近期市場上出現(xiàn)所謂的熱能式動作捕捉系統(tǒng)，本質(zhì)上屬于無標(biāo)記點式光學(xué)動作捕捉范疇，只是光學(xué)成像傳感器主要工作在近紅外或紅外波段。A. 機械式機械式動作捕捉系統(tǒng)依靠機械裝置來跟蹤和測量運動軌跡。典型的系統(tǒng)由多個關(guān)節(jié)和剛性連桿組成，在可轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)中裝有角度傳感器，可以測得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度的變化情況。裝置運動時，根據(jù)角度傳感器所測得的角度變化和連桿的長度，可以得出桿件末端

7、點在空間中的位置和運動軌跡。X-1st是這類產(chǎn)品的代表，其優(yōu)點是成本低，精度高，采樣頻率高，但最大的缺點是動作表演不方便，連桿式結(jié)構(gòu)和傳感器線纜對表演者動作約束和限制很大，特別是連貫的運動受到阻礙，難以實現(xiàn)真實的動態(tài)還原。B. 聲學(xué)式聲學(xué)式動作捕捉系統(tǒng)一般由發(fā)送裝置、接收系統(tǒng)和處理系統(tǒng)組成。發(fā)送裝置一般是指超聲波發(fā)生器，接收系統(tǒng)一般由三個以上的超聲探頭陣列組成。通過測量聲波從一個發(fā)送裝置到傳感器的時間或者相位差，確定到接受傳感器的距離，由三個呈三角排列的接收傳感器得到的距離信息解算出超聲發(fā)生器到接收器的位置和方向。這類產(chǎn)品的典型生產(chǎn)廠家有Logitech、SAC等，其最大優(yōu)點是成本低，但缺點是

8、精度較差，實時性不高，受噪聲和多次反射等因素影響較大。C. 電磁式電磁式動作捕捉系統(tǒng)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)生按一定時空規(guī)律分布的電磁場；接收傳感器安置在表演者身體的關(guān)鍵位置，隨著表演者的動作在電磁場中運動,接收傳感器將接收到的信號通過電纜或無線方式傳送給處理單元，根據(jù)這些信號可以解算出每個傳感器的空間位置和方向。Polhemus和Ascension公司是這類產(chǎn)品生產(chǎn)商的代表，其最大特點是使用簡單、魯棒性和實時性好，缺點是對金屬物體敏感，金屬物引起的電磁場畸變對精度影響大，采樣率較低，不利于快速動作的捕捉，線纜式的傳感器連接同樣對動作表演形成束縛和障礙，不利于

9、復(fù)雜動作的表演。D. 慣性式慣性傳感器式動作捕捉系統(tǒng)由姿態(tài)傳感器、信號接收器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。姿態(tài)傳感器固定于人體各主要肢體部位，通過藍牙等無線傳輸方式將姿態(tài)信號傳送至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進行運動解算。其中姿態(tài)傳感器集成了慣性傳感器、重力傳感器、加速度計、磁感應(yīng)計、微陀螺儀等元素，得到各部分肢體的姿態(tài)信息，再結(jié)合骨骼的長度信息和骨骼層級連接關(guān)系，計算出關(guān)節(jié)點的空間位置信息。代表性的產(chǎn)品有Xsens、3D Suit等，這類產(chǎn)品主要的優(yōu)點是便攜性強，操作簡單，表演空間幾乎不受限制，便于進行戶外使用，但由于技術(shù)原理的局限，缺點也比較明顯，一方面?zhèn)鞲衅鞅旧聿荒苓M行空間絕對定位，通過各部分肢體姿態(tài)信息進行積

10、分運算得到的空間位置信息造成不同程度的積分漂移，空間定位不準(zhǔn)確；另一方面原理本身基于單腳支撐和地面約束假設(shè)，系統(tǒng)無法進行雙腳離地的運動定位解算；此外，傳感器的自身重量以及線纜連接也會對動作表演形成一定的約束，并且設(shè)備成本隨捕捉對象數(shù)量的增加成倍增長，有些傳感器還會受周圍環(huán)境鐵磁體影響精度。E. 光學(xué)式光學(xué)式動作捕捉系統(tǒng)基于計算機視覺原理23，由多個高速相機從不同角度對目標(biāo)特征點的監(jiān)視和跟蹤來完成運動捕捉的任務(wù)。理論上對于空間中的任意一個點，只要它能同時為兩部相機所見，就可以確定這一時刻該點在空間中的位置。當(dāng)相機以足夠高的速率連續(xù)拍攝時，從圖像序列中就可以得到該點的運動軌跡。這類系統(tǒng)采集傳感器通

11、常都是光學(xué)相機，不同的是目標(biāo)傳感器類型不一，一種是在物體上不額外添加標(biāo)記，基于二維圖像特征或三維形狀特征提取的關(guān)節(jié)信息作為探測目標(biāo)，這類系統(tǒng)可統(tǒng)稱為無標(biāo)記點式光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)，另一種是在物體上粘貼標(biāo)記點作為目標(biāo)傳感器，這類系統(tǒng)稱為標(biāo)記點式光學(xué)動作捕捉。a) 無標(biāo)記式光學(xué)無標(biāo)記點式光學(xué)動作捕捉4原理大致有三種：第一種是基于普通視頻圖像的運動捕捉，通過二維圖像人形檢測提取關(guān)節(jié)點在二維圖像中的坐標(biāo)，再根據(jù)多相機視覺三維測量計算關(guān)節(jié)的三維空間坐標(biāo)。由于普通圖像信息冗雜，這種計算通常魯棒性較差，速度很慢，實時性不好，且關(guān)節(jié)缺乏定量信息參照，計算誤差較大，這類技術(shù)目前多處于實驗室研究階段；第二種是基于主動

12、熱源照射分離前后景信息的紅外相機圖像的運動捕捉，即所謂的熱能式動作捕捉，原理與第一種類似，只是經(jīng)過熱光源照射后，圖像前景和背景分離使得人形檢測速度大幅提升，提升了三維重建的魯棒性和計算速率，但熱源從固定方向照射，導(dǎo)致動作捕捉時人體運動方向受限，難以進行360度全方位的動作捕捉，例如轉(zhuǎn)身、俯仰等動作并不適用，且同樣無法突破因缺乏明確的關(guān)節(jié)參照信息導(dǎo)致計算誤差大的技術(shù)壁壘；第三種是三維深度信息的運動捕捉，系統(tǒng)基于結(jié)構(gòu)光編碼投射實時獲取視場內(nèi)物體的三維深度信息，根據(jù)三維形貌進行人形檢測，提取關(guān)節(jié)運動軌跡，這類技術(shù)的代表產(chǎn)品是微軟公司的kinect傳感器5，其動作識別魯棒性較好，采樣速率高，價格非常低

13、廉，有不少愛好者嘗試使用kinect進行動作捕捉，效果并不盡如人意，這是因為kinect的應(yīng)用定位是一款動作識別傳感器，而不是精確捕捉，同樣存在關(guān)節(jié)位置計算誤差大，層級骨骼運動累積變形等問題?？傮w來講，無標(biāo)記點式動作捕捉普遍存在的問題是動作捕捉精度低，并且由于原理固有的局限導(dǎo)致運動自由度解算缺失（如骨骼的自旋信息等）造成動作變形等問題。b) 標(biāo)記式光學(xué)標(biāo)記點式光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)一般由光學(xué)標(biāo)識點（Markers）、動作捕捉相機、信號傳輸設(shè)備以及數(shù)據(jù)處理工作站組成，人們常稱的光學(xué)式動作捕捉系統(tǒng)通常是指這類標(biāo)記點式動作捕捉系統(tǒng)。在運動物體關(guān)鍵部位（如人體的關(guān)節(jié)處等）粘貼Marker點，多個動作捕捉相機

14、從不同角度實時探測Marker點，數(shù)據(jù)實時傳輸至數(shù)據(jù)處理工作站，根據(jù)三角測量原理精確計算Marker點的空間坐標(biāo)，再從生物運動學(xué)原理出發(fā)解算出骨骼的6自由度運動。這里根據(jù)標(biāo)記點發(fā)光技術(shù)不同還分為主動式和被動式光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)：I. 主動式光學(xué)主動式光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)的Marker點由LED組成，LED粘貼于人體各個主要關(guān)節(jié)部位，LED之間通過線纜連接，由綁在人體表面的電源裝置供電，市場上最具代表性的產(chǎn)品是美國的PhaseSpace，其主要優(yōu)點是采用高亮LED作為光學(xué)標(biāo)識，可在一定程度上進行室外動作捕捉，LED受脈沖信號控制明暗，以此對LED進行時域編碼識別，識別魯棒性好，有較高的跟蹤準(zhǔn)確率；缺點

15、是：第一，時序編碼的LED識別原理本質(zhì)上是依靠相機在不同時刻對不同的Marker采集成像來進行ID標(biāo)識,相當(dāng)于在同一個動作幀中分別針對每個Marker進行逐次曝光，破壞了動作捕捉的Markers檢測的同步性，導(dǎo)致運動變形，不利于快速動作的捕捉；第二，由于相機幀率很大部分用于單幀內(nèi)對不同Marker點的識別，因此有效動作幀采樣率較低，這點上也不利于快速運動的捕捉和數(shù)據(jù)分析；第三，LED Marker可視角度小(發(fā)射角120度左右)，一個捕捉鏡頭內(nèi)部通常集成了兩個相機近距離采集，這種窄基線結(jié)構(gòu)導(dǎo)致視覺三維測量精度較低，并且在運動過程中由于動作遮擋等問題仍然不可避免地導(dǎo)致頻繁的數(shù)據(jù)缺失，如果為盡量避

16、免遮擋造成的數(shù)據(jù)缺失，需要成倍增加動作捕捉鏡頭的數(shù)量彌補遮擋盲區(qū)問題，設(shè)備成本也隨之成倍增加；第四，由于時序編碼的原理局限，系統(tǒng)可支持的Marker總數(shù)有嚴格限制，在保證足夠的采樣率前提下，同時采集人數(shù)一般不宜超過2人，且Marker點數(shù)量越多，單幀逐點曝光時間越長，運動變形越嚴重。II. 被動光學(xué)式被動式光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)，也稱反射式光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)，其Marker點通常是一種高亮回歸式反光球，粘貼于人體各主要關(guān)節(jié)部位，由動作捕捉鏡頭上發(fā)出的LED照射光經(jīng)反光球反射至動捕相機，進行Marker的檢測和空間定位。這類產(chǎn)品市場上最典型的品牌是美國Motion Analysis、英國的Vicon以及

17、中國的天遠，其主要優(yōu)點是技術(shù)成熟，精度高、采樣率高、動作捕捉準(zhǔn)確，表演和使用靈活快捷，Marker點可以很低成本地隨意增加和布置，適用范圍很廣；主要缺點是：第一，對捕捉視場內(nèi)的陽光敏感，陽光在地面形成的光斑可能被誤識別為Marker點，造成目標(biāo)干擾，因此系統(tǒng)一般需要在室內(nèi)環(huán)境下正常工作；第二，Marker點識別容易出錯，由于反光式Marker點沒有唯一對應(yīng)的ID信息，在運動過程中出現(xiàn)遮擋等問題容易造成目標(biāo)跟蹤出錯，導(dǎo)致Marker點ID混淆，這種情況通常導(dǎo)致運動捕捉現(xiàn)場實時動畫演示效果不好，動作容易錯位，并且需要在后處理過程中通過人工干預(yù)進行數(shù)據(jù)修復(fù)，工作量大幅增加。不過新一代的Vicon6軟

18、件以及天遠的3DMoCap7都植入了先進的智能捕捉技術(shù)，具有很強的Marker點自動識別和糾錯能力，很大程度上滿足了現(xiàn)場實時動畫演示的需要，并且大大降低了人工干預(yù)的工作量，從本質(zhì)上進一步提升了系統(tǒng)的實用性。3 動作捕捉不同系統(tǒng)的特性分析不同原理的動作捕捉系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，一般可從以下幾個方面進行性能評估：定位精度、采樣頻率、動作數(shù)據(jù)質(zhì)量、快速捕捉能力、多目標(biāo)捕捉能力、運動范圍、環(huán)境約束、使用便捷性、適用性等，據(jù)此對當(dāng)前市場上常見的幾種動作捕捉系統(tǒng)進行對比如下：4 動作捕捉應(yīng)用的實際問題1. 動作捕捉相機分辨率光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)，不論是無標(biāo)記點式還是標(biāo)記點式，動作捕捉相機分辨率都是系統(tǒng)的一個重要參數(shù)

19、。與影視行業(yè)的攝像機分辨率意義不同，動作捕捉相機分辨率意義并不在于畫面的細膩程度和視覺體驗，因為系統(tǒng)并不需要精細的畫面，而是能夠分辨出視場內(nèi)的標(biāo)記點或目標(biāo)特征即可，因此動作捕捉相機的物理分辨率通常不需要影視級攝像機那么高，但是這里的分辨率具有兩大物理意義：一是空間尺寸分辨能力，同樣的視場范圍，同樣的工作距離下，分辨率越高，可識別的最小特征尺寸越小，通常這個意義在于，高分辨率的相機可以使用更小尺寸的Marker，Marker過大容易對動作表演造成干擾，一般情況下Marker大小不宜超過直徑20mm，但也不宜過小，太小容易被遮擋，可視角度隨之變小，一般肢體捕捉Marker點不宜小于直徑10mm；二

20、是定位精度，盡管精度本身受分辨率、硬件同步性能、軟件標(biāo)定和三維重建算法等諸多因素影響，但分辨率決定了空間尺寸的分辨能力，一定程度上決定了空間定位的不確定度，造成三維數(shù)據(jù)不同程度的抖動，從而限制了定位精度，在其它因素控制較好的情況下，分辨率對系統(tǒng)精度起到?jīng)Q定性作用。動作捕捉相機分辨率直接影響系統(tǒng)成本，通常更高的分辨率意味著更高的設(shè)備成本，因此對于大部分追求實用性和性價比的用戶來講，分辨率能夠滿足自身的需求即可，無需盲目追求高分辨率。對于一般的動作捕捉應(yīng)用來說，捕捉數(shù)據(jù)用來進行動畫制作，其捕捉精度在亞毫米量級已經(jīng)足夠，因為這個量級的誤差在動畫中人眼是很難分辨的，在分辨率一定、相機視角一定的情況下，

21、決定這個精度的因素主要在于相機工作距離，更直觀地說，就是適用場地尺寸大小，捕捉場地越大，絕對精度越低，當(dāng)場地大小超過絕對精度在亞毫米量級的要求時，應(yīng)該采用更高分辨率的動作捕捉相機。以這個精度要求為基準(zhǔn)，以常用的動作捕捉60度左右相機視角為例，我們可以得到一個分辨率與適用場地范圍的參考對照表：2. 動作捕捉相機采集幀率動作捕捉相機采集幀率與通常所說的相機幀率一致，是指單位時間內(nèi)圖像數(shù)據(jù)采集的次數(shù)，單位一般是fps，即幀/秒。相機采集幀率對于動作捕捉來講具有兩大物理意義：一是限定了動作采樣頻率，動作采樣頻率最大不超過相機采集幀率（在下面“采樣頻率”一節(jié)會詳細闡述）；二是直接決定了運動跟蹤算法的有效

22、性，進而決定了動作捕捉的正確率。運動跟蹤貫穿動作捕捉的整個過程，一方面軟件需要通過跟蹤進行不同目標(biāo)的識別和區(qū)分，另一方面通過跟蹤預(yù)測可以縮小目標(biāo)探測區(qū)域，有效地提升計算速率和捕捉實時性。一旦跟蹤失敗，往往動作捕捉數(shù)據(jù)會出錯，嚴重的會導(dǎo)致丟失關(guān)鍵幀，影響捕捉的實時性。一般地講，相機幀率越高，跟蹤性能越好，即捕捉數(shù)據(jù)正確率越高。通常為了實現(xiàn)較好的動作捕捉性能，專業(yè)的動作捕捉系統(tǒng)制造商都會進行深入的研究以平衡硬件性能參數(shù)來滿足使用要求。其中，動作捕捉相機分辨率和采集幀率是比較重要的一對相關(guān)參數(shù)，簡單地說，分辨率越高應(yīng)該對應(yīng)越高的采集幀率，因為分辨率增加相當(dāng)于目標(biāo)在圖像上的運動預(yù)測不確定度增加，為保證

23、計算速度，在跟蹤搜索窗口不變的情況下，目標(biāo)逃離跟蹤窗口的概率大幅增加造成跟蹤失敗，解決這個問題最有效的方法就是提高采集幀率，降低運動預(yù)測的不確定度，以確保跟蹤正確率。專業(yè)的動作捕捉相機分辨率與幀率的關(guān)系一般應(yīng)滿足如下關(guān)系：3. 動作采樣頻率一般地，人們會認為相機采集頻率越高越好，大部分情況下是可以這樣理解的，但這個理解并不全面，有個別情況屬于例外。事實上，相機采集頻率并不等于動作采樣頻率，用戶真正關(guān)心的實際是動作采樣頻率而不是相機采集頻率。采樣頻率指動作捕捉系統(tǒng)單位時間內(nèi)采集動作關(guān)鍵幀的頻率，其中動作關(guān)鍵幀是指某一時刻得到的一套完整的動作數(shù)據(jù)。畢竟動作采樣頻率才決定了動作捕捉的細膩程度和采樣密

24、度，特別是對于動作分析的用戶來講，采樣頻率對運動學(xué)計算意義重大，例如計算速度、加速度等參數(shù)時，較高的動作采樣頻率尤其重要。 對于無標(biāo)記點式光學(xué)系統(tǒng)和被動式光學(xué)系統(tǒng)來講，動作采樣頻率和相機采集幀率一致，相機每曝光一次即得到一幀完整的動作數(shù)據(jù)，這時將相機幀率等價于動作采樣頻率是沒有問題的；但是，對于主動式光學(xué)系統(tǒng)來講，原理截然不同，由于采用時序編碼的LED Marker點，不同的LED隨時間交替明暗變化，相機每曝光一次實際只對空間中的一個或幾個Marker點進行采集，以此實現(xiàn)對不同Marker點的ID識別區(qū)分，捕捉時視場內(nèi)往往有幾十甚至上百個Marker點，當(dāng)對所有Marker點完成一次采集時，才

25、算作一次完整的動作采集，即一個動作關(guān)鍵幀，而相機采集次數(shù)可能已經(jīng)進行了幾十次，這時動作采樣頻率遠小于相機幀率，這類系統(tǒng)往往標(biāo)注很高的相機幀率，但實際的動作采樣率往往在30fps甚至更低。4. 同步采集時間精度專業(yè)的動作捕捉系統(tǒng)，特別是各類光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)，同步采集的時間精度是另一大重要的硬件參數(shù)，其物理意義是能夠影響系統(tǒng)定位精度。同步采集時間精度是指系統(tǒng)在獲取一個動作關(guān)鍵幀時，各相機曝光時刻間的時間差別，理論上講在同一個動作關(guān)鍵幀采集時，各相機須在完全相同的時刻同步曝光，才能保證視覺三維測量的準(zhǔn)確性，在實際應(yīng)用中，專業(yè)的生產(chǎn)廠商會采用同步控制裝置對系統(tǒng)進行精確同步控制，時間同步精度往往在百萬分

26、之一秒以上。沒有同步控制裝置或同步精度低的，直接導(dǎo)致空間定位偏差大，或者頻繁出現(xiàn)異常噪聲直接影響動作捕捉的數(shù)據(jù)質(zhì)量和使用效率。5. 動作捕捉相機配置數(shù)量動作捕捉相機配置數(shù)量具有重要的物理意義：視覺三維測量原理是特征目標(biāo)被多個相機同時觀測到，才能進行三維重建，當(dāng)只有一個相機或沒有相機觀測到該目標(biāo)時，對目標(biāo)的重建就會失敗，造成數(shù)據(jù)缺失，這種情況多是由于復(fù)雜動作、多人表演或與道具結(jié)合的表演過程中的各種遮擋導(dǎo)致。相機數(shù)量越多，布置的空間視點越多，目標(biāo)被完全遮擋的概率就越小，數(shù)據(jù)缺失的也就越少，捕捉質(zhì)量也就越好，降低數(shù)據(jù)后處理的復(fù)雜度和工作量。此外，從視覺三維測量的原理出發(fā)，相機數(shù)量越多，也可以在一定程

27、度上提升目標(biāo)空間定位的精度。因此，在架設(shè)動作捕捉系統(tǒng)時，一定要考察清楚相機配置數(shù)量是否能夠滿足自身的捕捉需要，一般來講，動作捕捉場地越大，捕捉的對象越多，動作越復(fù)雜，需要的動作捕捉相機數(shù)量越多，數(shù)量配置與場地大小的大致對應(yīng)關(guān)系可參考下表：6. 人體模型標(biāo)記點（Marker）配置數(shù)量光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)通常在軟件中提供不同的人體標(biāo)記點模型供用戶選擇，即動作捕捉時單人身上布置的標(biāo)記點總數(shù)，這個數(shù)量的物理意義在于它關(guān)系到骨骼運動解算的準(zhǔn)確度。系統(tǒng)通過身上的標(biāo)記點運用運動學(xué)原理解算關(guān)節(jié)運動信息，理論上標(biāo)記點數(shù)量越多，動作解算越準(zhǔn)確；為了反映全身各主要關(guān)節(jié)的6自由度運動信息，模型規(guī)劃的基本標(biāo)記點數(shù)量至少應(yīng)大

28、于36個，否則會缺失某些關(guān)節(jié)的某些運動自由度，造成骨骼動作數(shù)據(jù)失真。7. 反光標(biāo)記點（Marker）尺寸大小反光標(biāo)記點尺寸大小沒有嚴格限定，其物理意義在于與動作捕捉相機適配，保證在相機中能夠被有效地探測到，同時不影響動作表演的自由性。一方面為避免遮擋引起的標(biāo)記點可視角度過小等問題，標(biāo)記點尺寸一般不小于直徑10mm；另一方面為避免標(biāo)記點過大影響動作表演，尺寸一般不大于直徑20mm。具體尺寸一般與系統(tǒng)相機分辨率相對應(yīng)，分辨率越高，標(biāo)記點標(biāo)配尺寸越小，例如130萬像素以下系統(tǒng)一般使用20mm左右的標(biāo)記點，而500萬像素系統(tǒng)一般使用10mm左右標(biāo)記點。5 動作捕捉現(xiàn)在和未來潛在的用途1. 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域通常

29、大眾都會將動作捕捉技術(shù)和電影制作聯(lián)系起來。然而其潛在的價值在其他眾多領(lǐng)域近年來也逐漸增加。比如在2010年，新研發(fā)出來的彈塑性X線斷層攝影術(shù)項目（Elasto Tomography Project, 縮寫DIET）在醫(yī)藥界掀起浪潮。它通過其三維動態(tài)記錄程序，偵測可能出現(xiàn)在女性體內(nèi)的乳腺癌信號。雖然這套標(biāo)準(zhǔn)在醫(yī)療界還很青澀，DIET已經(jīng)表明了它在癌癥預(yù)警方面的寶貴價值，具備可能在未來作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備入駐每家醫(yī)院。2. 軍事領(lǐng)域不止在醫(yī)療領(lǐng)域，動作捕捉和跟蹤技術(shù)也同樣吸引了不同軍事組織的興趣?；厮莸絆rganic Motion公司的Open stage軟件，該公司希望“這技術(shù)能支持次世代軍事模擬系統(tǒng)，

30、包括城市戰(zhàn)事模擬和近戰(zhàn)步兵群戰(zhàn)術(shù)模擬訓(xùn)練?！?（Scientific American,2009）通過帶領(lǐng)士兵進入虛擬空間進行演習(xí)訓(xùn)練，可以減少不必要的傷亡，同時，虛擬的環(huán)境是具備難以置信的可延展性。全副武裝的士兵可以通過仿真的虛擬環(huán)境輕易的跨海作戰(zhàn)。3. 游戲領(lǐng)域在現(xiàn)在乃至未來，游戲這一市場的潛力毋庸置疑。而動作捕捉技術(shù)對于VR游戲來講尤其重要，而目前的技術(shù)并不成熟，也存在許多困難，有很多路要走，但VR與動作捕捉技術(shù)的迅猛發(fā)展是一種必然趨勢。前些日子日本曾推出一款VR游戲叫VR女友，里面大概就用到了動作捕捉技術(shù)，但聽新聞評測似乎做得并不好，這也佐證了盡管目前的技術(shù)還不成熟，但已經(jīng)有游戲公司在

31、這個方向邁步。6 動作捕捉的優(yōu)缺點u 優(yōu)點運動捕捉的優(yōu)點是表演者活動范圍大，無電纜、機械裝置的限制，使用方便。采樣速率較高，可以滿足多數(shù)體育運動測量的需要。Marker價格便宜，便于擴充。更實際地講，就是便于實現(xiàn)電影、游戲里面的各種炫酷特效。 u 缺點系統(tǒng)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(biāo)的計算)時間長。這類系統(tǒng)對于表演場地的光照、反射情況敏感。裝置定標(biāo)也較為繁瑣，特別是當(dāng)運動復(fù)雜的時候。不同部位的Marker很容易混淆、遮擋，產(chǎn)生錯誤的結(jié)果，經(jīng)常需要人工干預(yù)后處理過程。由于這樣那樣的各種限制，所以幾乎所有的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)都還需要依靠后序處理程序?qū)?/p>

32、捕捉的數(shù)據(jù)進行分析，加工和整理然后才能把這些數(shù)據(jù)應(yīng)用到動畫角色模型上去。 7 社會及道德相關(guān)問題光學(xué)捕捉系統(tǒng)很多情況下是不斷進化的技術(shù)的被動形式，很容易被科學(xué)界和社會中更有爭議的發(fā)現(xiàn)所掩蓋。換句話說，動作捕捉系統(tǒng)也帶有怪誕的缺點。其中最讓人注意的，是其引發(fā)的惹人好奇的現(xiàn)象。日本科學(xué)家森政弘提出的“詭異之谷”（也稱“恐怖谷”，英文Uncanny Valley）理論指出，由于機器人與人類在外表動作上都相當(dāng)相似，所以人類也會對機器人產(chǎn)生正面情感；直至到了一個特定程度，他們的反應(yīng)會突然變得極為反感，哪怕機器人與人類有一點點差別都會顯得非常刺眼，讓整個機器人顯得非常僵硬恐怖，讓人有面對行尸走肉的感覺?；?/p>

33、于動作捕捉而呈現(xiàn)在觀眾面前的虛擬數(shù)字角色也是如此。這是因為人造的虛擬角色模仿人類的相似程度引出了“人類”這個概念，但是他們并非人類。作為非人類的對象表現(xiàn)出來的人類特性和特征引起人們的不安和焦慮，因為它超出了大眾的日常社會經(jīng)驗?！霸幃愔取爆F(xiàn)象在動作捕捉的歷史上是如此特殊的一個事件，因為它之前從未發(fā)生過?；诩夹g(shù)是如此發(fā)展到現(xiàn)在這個程度，以后它也難以再次發(fā)生。然而，像諸如極地特快這部電影引起的觀眾基于數(shù)字虛擬角色產(chǎn)生的不適感依然存在。而在2011年發(fā)售的新的由rock star公司旗下的team bodi開發(fā)的游戲“黑色洛城”，自信滿滿的認為其新的動作掃描技術(shù)能突破詭異之谷的邊界。Team Bondi開發(fā)的