运动捕捉是什么(运动捕捉技术是什么意思)

运动捕捉系统是一种高科技设备，用于准确测量运动物体在三维空间中的运动情况。它基于计算机图形学原理，通过排列在空间中的多个视频捕捉设备，以图像的形式记录运动物体（跟踪器）的运动情况，然后用计算机解决图像信息，获取不同时间和数量单位上不同物体（跟踪器）的空间坐标（X,Y,Z)。

原理

从技术角度看，运动捕捉的本质是测量、跟踪和记录物体在三维空间中的运动轨迹。典型的运动捕捉设备一般由以下部分组成：

感应器

传感器是一种固定在运动物体特定位置的跟踪设备，它将向系统提供运动物体的位置信息，并根据捕获的精细水平确定跟踪器的数量.

信号捕获

负责捕获和识别传感器信号。负责将运动数据从信号捕获设备快速清晰地传输到计算机软件。由于系统类型不同，该设备将承担位置信号的捕获。对于机械系统来说，它是一个捕获电信号的电路板，对于光学系统来说，它是一个高分辨率的红外摄像头.

传送数据

特别是对于必须具有即时效果的系统，需要将大量的运动数据从信号捕获设备快速清晰地传输到计算机软件进行处理，传输数据设备用于完成这项工作.

数据处理

系统捕获的信息必须进行调整，解决后需要三维模型进行集成，才能完成计算机动画制作，这就需要使用数据处理软件或硬件来完成这项工作。无论是软件还是硬件，它们都依靠计算机的高速数据计算能力来完成数据解决方案，使三维模型真实自然地移动。因此，这是处理系统捕获的原始信号，计算传感器的运动轨迹，调整、解决数据，并与三维角色模型相结合.

近年来，在促进影视特效和动画制作发展的同时，运动捕捉技术的稳定性、运行效率、应用灵活性和降低系统成本迅速提高。目前的运动捕捉技术可以快速记录人类的运动，进行延迟分析或多次回顾，根据捕获的信息，可以简单地生成某一时刻的人类空间位置；复杂的可以计算出任何面部或身体肌肉的微小变形，然后直观地匹配身体的真实动作到每个人设计的动作角色。

运动捕捉技术主要分为四类，每种技术也有自己的专业知识和应用方向，必须突破瓶颈：

被动光学式

发展历程

1915 年 弗雷斯格尔创造了“弗雷斯格尔创造”Rotoscope“技术，可以看作是运动捕捉的原始方式，可以说是运动捕捉的先驱。但当时的运动捕捉是手工“捕捉”的。

1937 迪斯尼在制作白雪公主卡通片时使用了它 Rotoscope 技术复制真人动作，然后“粘贴”动画人物，使动画人物看起来与真人非常相似。

注：为了获得令人满意的动画角色运动效果，提前用真实演员表演动作，然后在电影中添加一层薄膜，勾勒出真实演员的表情和动作姿势，这些动作姿势将作为动画模板，动画师参考这些姿势绘制人物逐帧动画，形成非常现实和自然的动作，广泛应用于二维动画制作行业。

在纽约大学计算机图形实验室，艾伦博士用一面半镀银的镜子将真正的演员舞蹈录像带导入计算机屏幕，利用它定位计算机动画模型，使计算机舞蹈女孩生成类似的动作姿势，计算机将这些姿势作为关键帧，然后计算生成一个平滑的动作。

1983 年 金斯伯格和麦克斯韦教授 Op—Eye 光学跟踪系统。

1984 年 Motion Analysis 根据二维跟踪完成三维定位技术。

1985 年 sun 工作站用了 17 每小时计算一次基础 4 一台摄像机跟踪的 8 个点的三维运动轨迹(动作长度) 3 秒）。

1989 年 追踪时间 30 秒，制作人物动画。

1990 年 Kleiser-Walczak 公司必须制作一段音乐录像带，一个使用计算机制的模型在麦克风前唱歌跳舞。

1993 年 Acclaim 光学运动捕捉系统可以同步进行 2 人类动作捕捉，跟踪点可达 100.

1996 年 Motion Analysis 公司完成标志的自动标志。

1999 年 应用 p Ⅱ 450 的计算机，10 摄像机，实时采集 70 个标志（Marker）。

工作原理

根据对目标上特定光斑的监控和跟踪，完成运动捕捉任务。理论上，对于区域的任意点，只要能同时被两台相机看到，就可以根据两台相机在同一时刻拍摄的图像和相机参数来确定该时刻的空间位置。当相机以足够强的速度连续拍摄时，可以从图像序列中获得运动轨迹。

典型的光学运动捕捉系统一般都有 6～8 相机，围绕表演场所排序，这些相机的视野重叠区域就是表演者的动作范畴。为了方便解决，一般规定表演者穿纯色衣服，在人体关节、髋骨、肘部、手腕等关键部位贴一些特殊标志或发光点，称为“Marker视觉系统只识别和处理这些标志。系统校准后，相机连续拍摄表演者的动作，保留图像序列，然后进行分析和处理，识别标志点，计算其在每一刻的空间位置，以获得其运动轨迹。为了获得准确的运动轨迹，规定相机要有较高的拍摄速度，一般要求达到每秒的要求 60 帧以上。

基于类似的原理，还有各种类型的光学运动捕捉设备，如根据目标的侧面获取其运动信息，或使用网格背景简化处理过程。目前，进一步的研究还不依赖于 Marker，利用图像识别和分析技术，视觉系统可以直接识别演员身体的关键部位，并测量他们的运动轨迹。

光学运动捕捉的关键分为两类:主动运动捕捉技术和被动运动捕捉技术。他们的工作原理是一样的，不同的是:

被动运动捕捉系统使用的跟踪器是一些特殊的球，表面涂有强反射能力物质。在相机捕获的情况下，它会显得特别明亮，使相机很容易捕捉到它的运动轨迹。

然而，主动运动捕捉系统使用的跟踪点是可以发光的二极管。它不需要帮助发光设备，但需要能源。被动捕获的摄像机在镜头周围是一些会发光的二极管，Marker 正是这些二极管发出的光反射回到镜头中，在每一帧图像中产生亮点。只有这样，系统才能有“痕迹”可循。主动捕捉所需的摄像头不需要包含自己的发光功能。

优势

光学运动捕捉的优点是精度高、系统功能强、与相关生物力学商品搭配使用高、表演者活动空间大、无电缆、机械设备限制、使用方便。采样速度高，可满足大多数科研应用或体育测试的需要。Marker 数量可根据实际需要购买增加，方便系统扩展。

缺陷

该系统价格昂贵，可以捕获即时运动，但后处理(包括) Marker 识别、跟踪、空间坐标计算)时间较长，更适合科研相关应用。

脚踏式

工作原理

在机械装置的帮助下，脚踏运动捕捉和测量运动，典型的系统由多个关节和刚度曲轴组成。可旋转关节配有角度传感器，可测量关节旋转角度的变化。当设备移动时，根据角度传感器的数据和曲轴长度，可以得到 A 运动轨迹点在区域内。事实上，设备上的任何运动轨迹都可以计算出来。刚度曲轴也可以换成长度可变的伸缩管，用位移传感器测量其长度的变化。

脚踏运动捕捉的一种方法是将被捕获的运动物体与机械系统连接起来，推动机械装置的运动，然后被传感器记录下来。另一种方法是用带角度传感器的关节和曲轴形成一个“可调姿态数据模型”，可以模拟人体和其他动物和物体。根据剧情的必要性，用户调整模型的姿势，然后锁定。根据这些角度和模型机械规格，计算出关节的旋转被角度传感器测量和记录。这些姿态数据被传输到动画软件中，使角色模型具有相同的姿势，这是一种早期的运动捕捉设备。

到目前为止，仍有一定的市场，海外给这些设备起了一个非常生动的名字：“猴子”。然而，“猴子”很难实时捕捉到连续的动作，这需要操作员根据情节规定继续调整“猴子”的姿势，这非常麻烦，主要用于静态建模捕获和关键帧的确定。

现代脚踏运动捕捉技术不需要调整模型的姿势，而是可以实时收集人体的运动数据，只需要使用一套外骨骼系统将角度传感器固定在表演者身上，就可以开始收集人体的运动数据。

优势

成本低，成本可能只是光学运动捕捉到的 电磁捕获1/4，电磁捕获 1/2。设备校准简单，精度高。它可以很容易地实现实时数据捕获，并允许多个角色同时表演。

缺陷

主要是由于工业设备的规格和净重，使用非常不方便。机械系统对表演者的动作有很大的障碍和限制，许多激烈的动作无法完成。机械捕捉设备的特殊运行目的，如捕捉身体动作的系统，不能同时捕捉演员使用的道具。

电磁式

工作原理

电磁运动捕捉系统一般由发送源、接收传感器和数据控制部件三部分组成。发送源在空间中产生按一定时空规律分布的磁场；接收传感器(一般有) 10～20 个)放置在表演者身体的关键位置，传感器根据电缆与数据控制部件连接。当表演者在磁场中表演时，接收传感器也随之移动，并通过电缆将接收到的信号传输到控制部件。根据这些信号，可以计算出每个传感器的空间位置和方向。

该方法的优点

首先，它记录了六维信息，即不仅可以获得空间位置，还可以获得定位信息。其次，速度快，实用性好。在使用中，随着表演者的解释，动画系统中的角色模型可以同时反映，便于排练、调整和调整。设备校准相对简单，技术成熟，成本相对较低。它可以完成道路翻转或坠落。

缺陷

对环境要求严格，表演场所周围不得有金属物品，否则会造成磁场畸变，影响精度。该系统允许的表演类别小于光学类型，特别是电缆对表演者的活动有很大的限制，不适合更剧烈的运动和表演。该系统的采样速率一般为每秒 15～120 第二（取决于模型和传感器的数量），为了消除振动和影响，采样速率一般在 15Hz 下面，对于一些高速运动，如运动运动，取样速度不能满足要求。

声学式

常见的声学运动捕捉设备由发送器、接收器和控制部件组成。发送器是固定的超声波发生器；接收器通常是三角形的。 3 由超声探头组成。将多个发送器固定在人体的各个部位，发送器不断传输超声波，每个接收器通过测量和计算声波从发送器到接收器的时间，3 三角形接收器可以确定发送器的位置和方向。由于声波的速度与温度有关，必须有温度测量装置，并在算法中进行相应的赔偿。

该设备成本低，但运动捕获延迟大，精度差。它还规定声源和接收器之间不能被阻挡，受噪声影响较大，系统难以扩展。

全自由运动捕捉系统Stage

发展历程

2007 年 ORGANIC MOTION 企业建立的 Stage 运动捕捉系统开创了一个全新的领域。这是世界上第一个生产线流水操作，不需要特别佩戴任何东西，不需要更换衣服，不需要纠正反射点，不需要担心标记点被覆盖，不需要精心策划。你可以随意捕捉动作。他的出现在美国引起了震惊，彻底改变了对动画和娱乐业的体育捕捉。

工作原理

演员不需要穿着动作捕捉衣服，不需要标记点，只需要在相机前自由行动，捕获的场景会立即由计算机生成。图像生成三维数据云后，计算机将相邻的数据点三角化，然后形成身体的轮廓和动作。未来，动画软件将进一步解决添加的三维材料，捕获动作的任何细节都不会丢失。

优势

无拘无束，无需紧身衣和标记点

缺陷

精度相对较低

系统价格昂贵

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