人體姿態(tài)捕捉方法綜述

1、 PAGE 15人體姿態(tài)捕捉方法綜述XXX（大連理工大學(xué) 軟件學(xué)院， 遼寧 大連 116600）摘要：人體姿態(tài)捕捉技術(shù)在人機(jī)交互和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的重要性日益突出，為了滿足人們對(duì)于高精確度、高效率的動(dòng)作捕捉技術(shù)的需求，科學(xué)家從各個(gè)方面進(jìn)行了創(chuàng)新性的嘗試。文章介紹了動(dòng)作捕捉技術(shù)發(fā)展歷史，并給出了其概念和基本組成；并闡述了目前國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀；其次詳細(xì)地對(duì)主流方案進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析；然后結(jié)合現(xiàn)實(shí)，給出了常見(jiàn)應(yīng)用領(lǐng)域；最后對(duì)動(dòng)作捕捉技術(shù)面臨難題進(jìn)行總結(jié)并介紹了發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞： 動(dòng)作捕捉； 虛擬技術(shù)； 人機(jī)交互； 算法Overview of Human gesture capture XXX（Dalian

2、university of technology College of Software，Liaoning Dalian 116600）Abstract：The human body gesture capture technology in human-computer interaction and virtual reality and other areas of importance is day by day prominent, in order to meet people for high accuracy, high efficiency of motion capture

3、 technology needs, scientists from all aspects of innovative attempt. This paper introduces the motion capture technology development history, and gives the concept and basic composition; And expounds the current situation of the development at home and abroad; Secondly detail schemes to mainstream

4、advantages and disadvantages analysis; And then combining with reality, gives the common application fields; Finally, the motion capture technology difficulties was summarized and introduced the development trend. Key words: Motion capture ；Virtual technology ；Human-computer interaction ；Algorithm引言

5、動(dòng)作捕捉(Motion Capture) ，也稱為Motion Tracking（動(dòng)作追蹤）或簡(jiǎn)稱mocap，用于記錄物體移動(dòng)的過(guò)程并將其模擬到數(shù)字模型中。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，動(dòng)作捕捉技術(shù)在游戲、娛樂(lè)、體育、軍事、運(yùn)動(dòng)分析，舞蹈采集，虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)中得到了越來(lái)越深入的應(yīng)用。簡(jiǎn)單動(dòng)作捕捉概念的先驅(qū)一般認(rèn)為是美籍波蘭人馬克思費(fèi)舍爾(Max Fleischer)1915 年發(fā)明的Rotoscope技術(shù)。該技術(shù)將實(shí)際拍攝出的動(dòng)作影像作為動(dòng)畫(huà)描繪的底樣，動(dòng)畫(huà)師以此為基礎(chǔ)逐幀描繪出所需的動(dòng)作。20 世紀(jì)70 年代，基于儀器的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于動(dòng)畫(huà)制作領(lǐng)域，美國(guó)迪斯尼公司試

6、圖通過(guò)捕捉演員的動(dòng)作以改進(jìn)動(dòng)畫(huà)效果，紐約計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種光學(xué)裝置，采用了類似Rotoscope技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理，將演員表演的動(dòng)作姿勢(shì)投影至屏幕，為后續(xù)的動(dòng)畫(huà)制作提供了有益的參考1 李曉丹，肖明，曾莉.人體動(dòng)作捕捉技術(shù)綜述以及一種新的動(dòng)作捕捉方案陳述J. 中國(guó)西部科 技2011，10(15)：35-37.。20 世紀(jì)80 年代，通過(guò)電腦實(shí)現(xiàn)的針對(duì)人體運(yùn)動(dòng)捕捉的研究開(kāi)始出現(xiàn)。美國(guó)Biomechanics 實(shí)驗(yàn)室、MIT 等高校先后對(duì)此進(jìn)行了研究。此后，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)逐漸被越來(lái)越多的研究人員和開(kāi)發(fā)者所接受，并從試用研究逐步走向了現(xiàn)實(shí)中。進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代后，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展

7、和人們對(duì)動(dòng)畫(huà)制作要求的提高，運(yùn)動(dòng)捕捉已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用階段，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Motion-Analysis、Sega Interactive、Polhemus 、FilmBox、MAC等，其應(yīng)用已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了演示領(lǐng)域，并成功地用于考古、醫(yī)學(xué)研究、虛擬現(xiàn)實(shí)、人體工程學(xué)研究、模擬訓(xùn)練、游戲等許多方面2 李明宇，趙亮，姜軍. 動(dòng)作捕捉技術(shù)應(yīng)用研究調(diào)查報(bào)告Z. 科技信息。動(dòng)作捕捉技術(shù)本身是一門很復(fù)雜的技術(shù)，涉及測(cè)量、物理定位、空間定位等多種計(jì)算方法，以及數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)之間的互通和處理。一般來(lái)講，技術(shù)本身在運(yùn)動(dòng)物體的關(guān)鍵部位設(shè)置跟蹤器，由Motion capture 系統(tǒng)捕捉跟蹤

8、器位置，再經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)識(shí)別后，可以應(yīng)用在動(dòng)畫(huà)制作、步態(tài)分析、生物力學(xué)、人機(jī)工程等領(lǐng)域3 黃波上，陳福民人體動(dòng)作捕捉及運(yùn)動(dòng)控制的研究J計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005，7。動(dòng)作捕捉的基本概念及基本組成動(dòng)作捕捉的概念1999年，A Menach將動(dòng)作捕捉定義為“在一定空間范圍內(nèi)通過(guò)對(duì)特殊標(biāo)記點(diǎn)的跟蹤來(lái)記錄捕捉對(duì)象運(yùn)動(dòng)信息，然后將其換算為可使用數(shù)學(xué)方式進(jìn)行表達(dá)的運(yùn)動(dòng)的過(guò)程”。 換一種說(shuō)法就是，一個(gè)通過(guò)在時(shí)域上跟蹤一些關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)來(lái)記錄生物運(yùn)動(dòng)，然后將其轉(zhuǎn)換成可用的數(shù)學(xué)表達(dá)并合成一個(gè)單獨(dú)的3D運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。4 Menache AUnderstanding Motion

9、 Capture for Computer Animat ion and Video GamesMMorgan Kaufmann，1999，10從功能的角度說(shuō)，動(dòng)作捕捉技術(shù)是一種用來(lái)記錄人體動(dòng)作，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字模式的技術(shù)。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、記錄物體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡。在動(dòng)作捕捉技術(shù)運(yùn)用最普及的電影動(dòng)畫(huà)領(lǐng)域，其技術(shù)使用過(guò)程如下：首先它實(shí)時(shí)地檢測(cè)、記錄表演者的肢體在三維空間的運(yùn)動(dòng)軌跡, 捕獲表演者的動(dòng)作(包括方向信息), 然后轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的“抽象運(yùn)動(dòng)”, 以便動(dòng)畫(huà)軟件將它“賦予”模型, 使模型做出和表演者一樣的動(dòng)作, 并生成最終的動(dòng)畫(huà)序列. 實(shí)際上, 運(yùn)動(dòng)捕捉的對(duì)

10、象不僅僅是表演者的動(dòng)作, 還可以包括物體的運(yùn)動(dòng), 表演者的表情,以及相機(jī)、燈光的運(yùn)動(dòng)等5 馮遠(yuǎn)淑，陳福民. 基于動(dòng)作捕捉的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)探討與實(shí)現(xiàn)J. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，32(7)：956-960. 此外, 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)、三維游戲、人體生物工程學(xué)等許多方面都有重要的應(yīng)用.基本組成動(dòng)作捕捉技術(shù)主要是通過(guò)對(duì)物體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行記錄，通過(guò)其速度、位置等參數(shù)獲取相關(guān)的物理信息，進(jìn)而進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡的模擬。不同公司的動(dòng)作捕捉設(shè)備有相對(duì)不同的配置，但一套典型的動(dòng)作捕捉設(shè)備主要由以下四部分組成：傳感器：動(dòng)作捕捉設(shè)備中的傳感器是指固定在運(yùn)動(dòng)物體特定部位的跟蹤裝置。通過(guò)傳感器提供的物理信息，動(dòng)作捕

11、捉設(shè)備可以獲取運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)的位置、速度等信息。不同的動(dòng)作捕捉任務(wù)需要的傳感器數(shù)量不同，以人物捕捉為例，如果針對(duì)人的整體運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行捕捉，需要的傳感器數(shù)量較少，如果捕捉人體的局部信息如臉部、手部，由于關(guān)節(jié)和細(xì)節(jié)部分較多，則需要增加傳感器的數(shù)量。信號(hào)捕捉設(shè)備：由于現(xiàn)在廣泛采用光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，因此往往用高分辨率的紅外攝像機(jī)進(jìn)行信號(hào)的捕捉和獲取。對(duì)于之前的機(jī)械動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，則是通過(guò)一塊線路板收集電信號(hào)來(lái)完成的。數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備：數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備主要負(fù)責(zé)將獲取的動(dòng)作捕捉信息實(shí)時(shí)的傳入電腦，然后通過(guò)電腦對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理。數(shù)據(jù)處理設(shè)備：動(dòng)作捕捉設(shè)備捕捉到的數(shù)據(jù)需要修正和加工后結(jié)合三維模型，借助計(jì)算機(jī)對(duì)

12、數(shù)據(jù)高速的運(yùn)算能力來(lái)完成數(shù)據(jù)的處理，才能完成相應(yīng)的工作，這就需要我們借助數(shù)據(jù)處理軟件或硬件來(lái)完成此項(xiàng)工作。6 李明宇，趙亮，姜軍. 動(dòng)作捕捉技術(shù)應(yīng)用研究調(diào)查報(bào)告Z. 科技信息常見(jiàn)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)主要設(shè)備組成如圖1所示：圖1 動(dòng)作捕捉系統(tǒng)基本組成人體關(guān)節(jié)樹(shù)在人體模型樹(shù)的基礎(chǔ)上捕獲到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)是人體模型中各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)的集合. 采用三維坐標(biāo)來(lái)描述運(yùn)動(dòng)是一種非層次化方法,運(yùn)動(dòng)描述中各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置參數(shù)相互獨(dú)立,其中任意一點(diǎn)的位置變化不會(huì)引起其他點(diǎn)的位置變化,這樣就很容易違背人體模型中的骨架長(zhǎng)度不變的約束,導(dǎo)致在運(yùn)動(dòng)編輯時(shí)必須求解復(fù)雜的長(zhǎng)度約束方程. 在運(yùn)動(dòng)編輯和運(yùn)動(dòng)重定向中,希望保留原運(yùn)動(dòng)的某些運(yùn)

13、動(dòng)屬性(如運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)). 但由于人體角色與動(dòng)畫(huà)角色的骨架長(zhǎng)度不同,采用非層次化運(yùn)動(dòng)表示很難滿足這種要求. 為建立人體的運(yùn)動(dòng)模型,必須對(duì)人體模型中相連各肢體和這些肢體之間的運(yùn)動(dòng)連帶關(guān)系進(jìn)行描述. 現(xiàn)提出一種層次化的運(yùn)動(dòng)描述方法,把人體關(guān)節(jié)看成是一棵樹(shù). 將關(guān)節(jié)看成點(diǎn),將關(guān)節(jié)之間的骨骼看成是鏈,就可以按照運(yùn)動(dòng)關(guān)系將各肢體鏈接起來(lái). 以腰關(guān)節(jié)為根結(jié)點(diǎn),對(duì)于相鄰的兩個(gè)關(guān)節(jié),設(shè)定靠近腰關(guān)節(jié)為父結(jié)點(diǎn),連接在父結(jié)點(diǎn)之下的關(guān)節(jié)就設(shè)定為子結(jié)點(diǎn).父結(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),子結(jié)點(diǎn)必須跟著運(yùn)動(dòng). 但是子結(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),父結(jié)點(diǎn)不一定動(dòng).為了表達(dá)人體模型的層次結(jié)構(gòu),可選用樹(shù)結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行描述（圖2）。7 殷俊, 張凱, 崔晉, 鄭潔. 游戲動(dòng)

14、畫(huà)中的動(dòng)作捕捉J. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27(5):454-457.圖2 人體關(guān)節(jié)樹(shù)動(dòng)作捕捉技術(shù)研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀由于動(dòng)作捕捉技術(shù)的重要性和未來(lái)將會(huì)對(duì)人類生活的各個(gè)方面產(chǎn)生極大影響，越來(lái)越多的技術(shù)人員投入到動(dòng)作捕捉技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行研究。目前在發(fā)達(dá)國(guó)家，由于起步較早，動(dòng)作捕捉技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化階段。電影阿凡達(dá)的上映，引出了一股3D潮流。在我們身臨其境地欣賞著美輪美奐的影片時(shí)，我們不知道，這背后的一切都離不開(kāi)動(dòng)作捕捉技術(shù)的應(yīng)用8 鮑玉珩，李 悅. 阿凡達(dá) 的奇幻影視空間用技術(shù)演繹電影的華麗J. 電影評(píng)價(jià)，2010,6:53-54.。動(dòng)作捕捉技術(shù)在很早以前就已經(jīng)應(yīng)用在電腦動(dòng)畫(huà)的制作中，隨著技術(shù)的成熟

15、，越來(lái)越多的影視工作室將其運(yùn)用到電影制作中，以卡梅隆為代表的好萊塢導(dǎo)演，一直都是新金屬的引領(lǐng)者。說(shuō)道動(dòng)作捕捉技術(shù)，就不得不提新西蘭的威塔工作室，其先進(jìn)的動(dòng)作捕捉技術(shù)不僅為阿凡達(dá)的制作添上濃墨重彩的一筆，同時(shí)也在指環(huán)王三部曲、金剛等大片中起著決定性作用。9 朱梁 . 法師歸來(lái)威塔與指環(huán)王的視覺(jué)效果制作J. 北京電影學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，03：78-80.同時(shí)美國(guó)公司開(kāi)發(fā)的3D suit動(dòng)作捕捉套裝，主要應(yīng)用于動(dòng)畫(huà)電影領(lǐng)域。不僅在電影制作領(lǐng)域，動(dòng)作捕捉技術(shù)已經(jīng)見(jiàn)見(jiàn)走進(jìn)人們的日常生活。微軟的Kinect10 林填鋒，楊潔霞.基于kinect 的人體識(shí)別技術(shù)的一些改進(jìn)J. 電腦知識(shí)與技術(shù),2012,8(

16、27):5220-5223是視頻式動(dòng)作捕捉技術(shù)的集大成者，應(yīng)用于體感領(lǐng)域，開(kāi)辟了新式游戲玩法。微軟公司最近又發(fā)布了基于SoundWave技術(shù)的手勢(shì)捕捉技術(shù)，用于人機(jī)交互，極大地改進(jìn)了人機(jī)交互體驗(yàn)。另外，基于手勢(shì)的人機(jī)交互開(kāi)發(fā)，leap motion公司推出了精確度達(dá)0.01毫米的leap 3D設(shè)備。除以公司為代表的研發(fā)外，許多高校也進(jìn)行了人體動(dòng)作捕捉技術(shù)的研究。其中，MIT的媒體實(shí)驗(yàn)室的有形媒體小組，研發(fā)出了一種基于動(dòng)作捕捉技術(shù)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)-T(ether)。只需要一個(gè)特制手套和一臺(tái)ipad，用戶就可以實(shí)現(xiàn)像科幻電影中那樣的虛擬場(chǎng)景。由于國(guó)內(nèi)這方面的研究起步較晚，因此還沒(méi)有成熟的商用技術(shù)推向

17、市場(chǎng)。但由于動(dòng)作捕捉技術(shù)越來(lái)越重要的地位，目前國(guó)內(nèi)不少高校實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始了此方面的研究。常見(jiàn)動(dòng)作捕捉技術(shù)介紹不同的觀察角度，造就了不同的分類方法，動(dòng)作捕捉技術(shù)也是如此。粗略地說(shuō)，如果從人們對(duì)人體運(yùn)動(dòng)捕捉的需求深淺來(lái)區(qū)分，可以分為全身運(yùn)動(dòng)捕捉和細(xì)節(jié)運(yùn)動(dòng)捕捉兩類（臉部、手部等）；如果從動(dòng)作捕捉是否需要實(shí)時(shí)應(yīng)用來(lái)區(qū)分，可以分為實(shí)時(shí)捕捉和非實(shí)時(shí)捕捉兩類；如果從動(dòng)作捕捉的原理來(lái)區(qū)分，則需要詳細(xì)說(shuō)明一下分類方法。常用的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)從原理上說(shuō)可分為光學(xué)式、機(jī)械式、電磁式、聲學(xué)式、視頻式、慣性式等六種。幾種捕捉方式在定位精度、實(shí)時(shí)操控、便捷性、價(jià)格成本、多Object 捕捉性能等方面各有優(yōu)劣，相輔相成。光學(xué)式動(dòng)作

18、捕捉11 張金劍, 陳福民. 光學(xué)動(dòng)作捕捉中的攝像機(jī)標(biāo)定J. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2004，24（6）：178-181.是目前較為常用的方法，主要運(yùn)用在電影和游戲中的動(dòng)作捕捉，表情捕捉。光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉通過(guò)分布在空間中固定位置的多臺(tái)攝像機(jī)對(duì)目標(biāo)上特定光點(diǎn)（Maker）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(jiàn)的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉大多基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理。光學(xué)式動(dòng)作捕捉的優(yōu)點(diǎn)：(1) 表演者活動(dòng)范圍大，無(wú)電纜、機(jī)械裝置的限制； (2) 表演者可以自由地表演，使用很方便；(3) 采樣速率較高，一般可達(dá)每秒60幀的速率，可滿足大多數(shù)動(dòng)作捕捉的需求；(4) Marker的價(jià)格便宜，便于擴(kuò)充。 光學(xué)式動(dòng)作捕捉的缺點(diǎn)：(

19、1) 系統(tǒng)整體造價(jià)高昂，一套光學(xué)式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的造價(jià)常高達(dá)數(shù)十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)；(2) 系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要求較高，表演者活動(dòng)空間范圍有限。光學(xué)式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)地的光照及反射情況十分敏感，易造成Marker的誤采集，因此對(duì)場(chǎng)地的限制條件較高；(3) 后期處理成本大，實(shí)時(shí)性表現(xiàn)不佳。由于運(yùn)動(dòng)中各Marker很容易互相混淆和遮擋，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的動(dòng)作捕捉結(jié)果，因此需要人工后期介入處理數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)量巨大，通常一段5分鐘的動(dòng)作捕捉結(jié)果需要一個(gè)動(dòng)作捕捉師3天的工作才能完成后期的數(shù)據(jù)處理。機(jī)械式動(dòng)作捕捉機(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

20、，可以采集關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化情況，以此重繪該時(shí)刻被捕捉對(duì)象的形態(tài)。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)捕捉產(chǎn)品。機(jī)械式動(dòng)作捕捉的優(yōu)點(diǎn)：(1) 成本低；(2) 精度高，可以較好的還原運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；(3) 實(shí)時(shí)捕捉，由于數(shù)據(jù)量較小和數(shù)據(jù)處理過(guò)程簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)捕捉；(4) 可以同時(shí)捕捉多個(gè)對(duì)象，同光學(xué)式相比，排除亮點(diǎn)標(biāo)記的相互影響，干擾較小。機(jī)械式動(dòng)作捕捉的缺點(diǎn)：使用極不方便，機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)表演者的動(dòng)作阻礙和限制很大。由于裝置較難用于連續(xù)動(dòng)作的實(shí)時(shí)捕捉，需要操

21、作者不斷根據(jù)劇情要求調(diào)整裝置的姿勢(shì)，因此主要用于靜態(tài)造型捕捉和關(guān)鍵幀的確定；電磁式動(dòng)作捕捉是目前較為常用的解決方案。系統(tǒng)主要由電磁發(fā)射源，接收傳感器和數(shù)據(jù)處理單元所組成。由電磁發(fā)射源產(chǎn)生一個(gè)低頻的空間穩(wěn)定分布的電磁場(chǎng)，被捕捉對(duì)象身上佩戴著若干個(gè)接收傳感器在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，接收傳感器切割磁感線完成模擬信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，再將信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元?jiǎng)t根據(jù)接收到的信號(hào)推算出每個(gè)傳感器所處的空間方位。電磁式動(dòng)作捕捉優(yōu)點(diǎn)：(1) 記錄信息豐富，因?yàn)樗涗浀氖橇S信息，即不僅能得到空間位置，還能得到方向信息，這一點(diǎn)對(duì)某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合很有價(jià)值；(2) 速度快，實(shí)時(shí)性好，動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)中的角色模型可以

22、同時(shí)反應(yīng)，便于排演、調(diào)整和修改；(3) 裝置的定標(biāo)比較簡(jiǎn)單，技術(shù)較成熟，魯棒性好，成本相對(duì)低廉。電磁式動(dòng)作捕捉缺點(diǎn)：(1) 為了減低抖動(dòng)和干擾對(duì)動(dòng)作捕捉的影響，一般采樣頻率被限定在了15HZ左右，因此對(duì)高速運(yùn)動(dòng)比如跑步等的捕捉效果失真度較高；(2) 對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格，在表演場(chǎng)地附近不能有金屬物品，否則會(huì)造成電磁場(chǎng)畸變，影響精度；(3) 系統(tǒng)的允許表演范圍小，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。聲學(xué)式動(dòng)作捕捉傳統(tǒng)聲學(xué)式主要由超聲波產(chǎn)生器，接收器和處理單元組成。超聲波產(chǎn)生器不間斷的向外發(fā)射超聲波，接收器內(nèi)部由34個(gè)超聲波探頭組成，通過(guò)超聲波到達(dá)不同探頭的時(shí)間差以計(jì)算

23、出對(duì)應(yīng)接收器的空間位置和運(yùn)動(dòng)方向。傳統(tǒng)聲學(xué)式動(dòng)作捕捉優(yōu)點(diǎn)：利用超聲波的穿透性很好的解決人體的遮擋問(wèn)題，并且成本低廉。傳統(tǒng)聲學(xué)式動(dòng)作捕捉缺點(diǎn)：(1) 對(duì)運(yùn)動(dòng)的捕捉有較大延遲和滯后，實(shí)時(shí)性較差；(2) 精度一般不很高；(3) 聲源和接收器間不能有大的遮擋物體，受噪聲和多次反射等干擾較大；(4) 由于空氣中聲波的速度與氣壓、濕度、溫度有關(guān)，所以還必須在算法中做出相應(yīng)的補(bǔ)償。微軟Sound Wave技術(shù)12Sidhant Gupta，Dan Morris，Shwetak N Patel，Desney Tan. SoundWave : Using the Doppler Effect to Sense

24、GesturesR. Austin,Texas, USA. 2012.其原理利用的同樣是是多普勒效應(yīng)，但并不需要額外的超聲波產(chǎn)生器，接收器和處理單元，而是依靠麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器來(lái)感知和理解你的動(dòng)作。給電腦配備特定的超聲波軟件，依靠其麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器發(fā)出恒定的20-22KHz的超聲波，依靠多普勒效應(yīng)確定物體的大小，移動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。Sound Wave技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：(1) 不受環(huán)境光線強(qiáng)弱的影響；(2) 實(shí)時(shí)性好，沒(méi)有明顯延遲；(3) 硬件要求低，適用性廣泛，PC及智能手機(jī)，裝上該軟件即可使用；(4) 與操作與娛樂(lè)兼容，即使揚(yáng)聲器播放著音樂(lè)，也可以照常操作。 Sound Wave技術(shù)缺點(diǎn)：(1) 不善于

25、捕捉一些像捏手指的小動(dòng)作；(2) 有局限性，目前該技術(shù)僅局限于手勢(shì)的動(dòng)作捕捉，還未開(kāi)發(fā)至人體的大規(guī)模動(dòng)作捕捉。視頻式動(dòng)作捕捉技術(shù)13 于明卓. 基于DV視頻的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)研究D. 沈陽(yáng).：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué).，2007主要模仿人眼的原理，利用空間兩個(gè)攝像頭在某一時(shí)刻的所拍攝的兩幀影像之間的對(duì)比識(shí)別出捕捉對(duì)象和完成對(duì)捕捉對(duì)象的定位。視頻捕捉分為有標(biāo)記和無(wú)標(biāo)記兩種方式。有標(biāo)記方式原理和光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)是一致的，增加了顏色匹配算法，運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖像分析技術(shù)捕捉視頻中的動(dòng)作信息。適用于創(chuàng)作計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)。無(wú)標(biāo)記方式成熟的的商用版本是微軟的Kinect。Kinect將攝像機(jī)和CMOS紅外傳感器結(jié)合，首先生成3D環(huán)境

26、，并利用骨架追蹤處理，對(duì)景深圖像進(jìn)行像素級(jí)評(píng)估，同時(shí)采用分割策略從噪音中提取出有用信號(hào)。最后判斷出人體部位運(yùn)動(dòng)情況。視頻動(dòng)作捕捉技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：(1) 成本低廉；(2) 采用仿生學(xué)原理，對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)象沒(méi)有限制，對(duì)運(yùn)動(dòng)范圍也沒(méi)有限制；(3) 實(shí)時(shí)性表現(xiàn)優(yōu)秀。視頻動(dòng)作捕捉技術(shù)缺點(diǎn)：(1) 實(shí)現(xiàn)難度大，算法復(fù)雜，處理數(shù)據(jù)量較大；(2) 精度有待提高。慣性式動(dòng)作捕捉技術(shù)是最近比較熱門的研究領(lǐng)域，發(fā)展空間巨大。該技術(shù)依靠貼附于人體表面的慣性傳感器測(cè)量單元（包括陀螺儀、加速度計(jì)、磁傳感器以及數(shù)字信號(hào)處理器）來(lái)采集數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線裝置傳輸?shù)教幚斫K端，經(jīng)過(guò)算法處理，將動(dòng)作信號(hào)和3D人體模型進(jìn)行擬合，從而實(shí)現(xiàn)人體的動(dòng)作捕

27、捉。14 張海鵬，黨幼云.基于MEMS傳感器的人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)J. 西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，26(1).圖2 慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖慣性動(dòng)作捕捉技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：(1) 沒(méi)有空間限制，在戶外最大可達(dá)1公里范圍進(jìn)行動(dòng)作捕捉 ；(2) 測(cè)量的加速度和角速度非常精準(zhǔn)，陀螺儀的工作精度非常高；(3) 安裝部署簡(jiǎn)單，從收到設(shè)備到進(jìn)行捕捉，在僅僅的15分鐘內(nèi)就可以完成安裝與校準(zhǔn)，非常方便；(4) 人體動(dòng)作動(dòng)態(tài)性好，適合大幅度、較激烈的動(dòng)作捕捉；(5) 采樣率高，慣性系統(tǒng)獲得的100Hz數(shù)據(jù)是有效的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，使得動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)更加流程，減少了冗余數(shù)據(jù)的處理，減小了后期處理時(shí)間；(6) 適用性好，可以實(shí)現(xiàn)非人體的動(dòng)

28、物模型的動(dòng)作捕捉，例如貓、狗與馬等的動(dòng)作捕捉；(7) 成本較低。慣性動(dòng)作捕捉技術(shù)缺點(diǎn)：(1) 由于測(cè)量的模型與真實(shí)人體的差距，獲得絕對(duì)的位置數(shù)據(jù)非常困難，需要借助其他輔助手段；(2)傳感器會(huì)由于安裝的不牢固導(dǎo)致誤差；(3)容易受到外界磁場(chǎng)干擾；(4)數(shù)據(jù)采集單元的體積稍大，還需進(jìn)一步優(yōu)化，達(dá)到小型化甚至微型化。應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?dòng)作捕捉技術(shù)用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)制作之中，可極大地提高動(dòng)畫(huà)制作的水平。它大大地提高了動(dòng)畫(huà)制作的效率，降低了成本，而且使動(dòng)畫(huà)制作過(guò)程更為直觀，效果更為生動(dòng)。目前，動(dòng)作捕捉技術(shù)不僅僅可以應(yīng)用于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)制作，在其他領(lǐng)域也有非常廣泛的應(yīng)用前景。人機(jī)交互15 董士海. 人機(jī)交互的進(jìn)展及面臨的

29、挑戰(zhàn)J. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2004，16（1）：1-11.表情和動(dòng)作是人類情緒、愿望的重要表達(dá)形式，動(dòng)作捕捉技術(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(pán)、鼠標(biāo)更直接方便，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)，并為最終實(shí)現(xiàn)可以理解人類表情、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)16 陳浩磊，鄒湘軍，陳 燕. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最新發(fā)展與展望J. 中國(guó)科技論文在線，2011，6（1）：1-14.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、身體等的位置與方向，準(zhǔn)確地跟蹤測(cè)量參與者的動(dòng)作，將

30、這些動(dòng)作實(shí)時(shí)檢測(cè)出來(lái)，以便將這些數(shù)據(jù)反饋給顯示和控制系統(tǒng)。這些工作對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是必不可少的，這也正是動(dòng)作捕捉技術(shù)的研究?jī)?nèi)容。機(jī)器人遙控17 阮國(guó)強(qiáng). 移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線編程遙控系統(tǒng)D. 華中科技大學(xué).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，動(dòng)作捕捉技術(shù)將動(dòng)作捕捉下來(lái)，實(shí)時(shí)傳送給機(jī)器人并控制其完成同樣的動(dòng)作。與傳統(tǒng)的遙控方式相比，這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更為直觀、細(xì)致、復(fù)雜、靈活而快速的動(dòng)作控制，大大提高機(jī)器人應(yīng)付復(fù)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)式游戲18 仲偉. 體感游戲中玩家的肢體動(dòng)作對(duì)空間認(rèn)知的作用研究D. 哈爾濱工業(yè)大

31、學(xué).可利用動(dòng)作捕捉技術(shù)捕捉游戲者的各種動(dòng)作，用以驅(qū)動(dòng)游戲環(huán)境中角色的動(dòng)作，給游戲者以一種全新的參與感受，加強(qiáng)游戲的真實(shí)感和互動(dòng)性。體育訓(xùn)練19 馮利正， 陳 健. 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用J.杭州師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2005,05.動(dòng)作捕捉技術(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20 楊立強(qiáng)，劉西剛，秦立斌等.人機(jī)工程學(xué)領(lǐng)域人體建模技術(shù)發(fā)展綜述J. 裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，200

32、6，20（2）：59-63.、模擬訓(xùn)練21 唐鋼. 人體典型運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)仿真分析D. 上海交通大學(xué).、生物力學(xué)研究等領(lǐng)域，動(dòng)作捕捉技術(shù)同樣大有可為?？梢灶A(yù)計(jì)，隨著技術(shù)本身的發(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)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。動(dòng)作捕捉技術(shù)面臨的難題及發(fā)展趨勢(shì)面臨的難題雖然動(dòng)作捕捉技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，但由于系統(tǒng)的復(fù)雜性和先進(jìn)性，依然有很多難題有待解決。下面將介紹目前動(dòng)作捕捉技術(shù)領(lǐng)域面臨的難題。環(huán)境限制問(wèn)題現(xiàn)階段電影、游戲方面使用的技術(shù)多為光學(xué)式動(dòng)作捕捉技術(shù)，該技術(shù)需要在表演者的身體各部位貼上反光標(biāo)記，在光線復(fù)雜的環(huán)境中，易造成光點(diǎn)的誤采集。另外，該技術(shù)需要多個(gè)攝像機(jī)同時(shí)工作，

33、因此相機(jī)的布置也受到空間的限制，一般該裝置只適合在室內(nèi)使用，這樣就對(duì)大動(dòng)作的捕捉產(chǎn)生了限制。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，大都拋棄了反光標(biāo)記，而以紅外裝置替代，雖然該種方法有一定的先進(jìn)性，但環(huán)境限制的問(wèn)題依然沒(méi)有解決。22 李豪杰，林守勛，張勇東.基于視頻的人體運(yùn)動(dòng)捕捉綜述J. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào).2006，18(17).數(shù)據(jù)處理難題動(dòng)作捕捉系統(tǒng)需要處理大量的數(shù)據(jù)。尤其是視頻式動(dòng)作捕捉技術(shù)，通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)到處理單元，需要大量的空間資源，數(shù)據(jù)量的巨大同時(shí)降低了處理效率。如何有效地處理大量的數(shù)據(jù)，是目前急需解決的一大難題。算法輕量化問(wèn)題為提高動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的精確度和實(shí)時(shí)性，需要復(fù)雜的算法來(lái)支持。就目前來(lái)看，主流動(dòng)作捕捉技術(shù)的算法都過(guò)于發(fā)雜，因此加大了對(duì)處理器的要求和能耗的增加。同時(shí)過(guò)于復(fù)雜的算法也不易于向普通用戶推廣。算法的輕量化是動(dòng)作捕捉技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的要求。精確度問(wèn)題目前常見(jiàn)的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)其精確度最高僅維持在毫米級(jí)別。難以對(duì)復(fù)雜或微小的動(dòng)作進(jìn)行精確捕捉。在體感游戲領(lǐng)域，微軟的Kinect雖然可以感知玩家的絕大多數(shù)動(dòng)作，但在處理較復(fù)雜動(dòng)作時(shí)依然有較大不足，