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人體動作捕捉傳感器（人體動作捕捉傳感器原理）

發(fā)布時間：2023-04-24 12:10:31 稿源：創(chuàng)意嶺閱讀： 121

大家好！今天讓創(chuàng)意嶺的小編來大家介紹下關于人體動作捕捉傳感器的問題，以下是小編對此問題的歸納整理，讓我們一起來看看吧。

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本文目錄:

動作捕捉的運動捕捉設備
動作捕捉技術的原理是什么？
什么是動作捕捉
動作捕捉是什么？

人體動作捕捉傳感器（人體動作捕捉傳感器原理）

動作捕捉的運動捕捉設備

隨著計算機軟硬件技術的飛速發(fā)展和動畫制作要求的提高，在發(fā)達國家，運動捕捉已經(jīng)進入了實用化階段，有多家廠商相繼推出了多種商品化的運動捕捉設備，如 MotionAnalysis 、 Polhemus 、 Sega Interactive 、 MAC 、 X-Ist 、 FilmBox 等，成功地用于虛擬現(xiàn)實、游戲、人體工程學研究、模擬訓練、生物力學研究等許多方面。
從技術的角度來說，運動捕捉的實質(zhì)就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運動軌跡。典型的運動捕捉設備一般由以下幾個部分組成：
· 傳感器。所謂傳感器是固定在運動物體特定部位的跟蹤裝置，它將向 Motion capture 系統(tǒng)提供運動物體運動的位置信息，一般會隨著捕捉的細致程度確定跟蹤器的數(shù)目。
· 信號捕捉設備。這種設備會因 Motion capture 系統(tǒng)的類型不同而有所區(qū)別，它們負責位置信號的捕捉。對于機械系統(tǒng)來說是一塊捕捉電信號的線路板，對于光學 Motion capture 系統(tǒng)則是高分辨率紅外攝像機。
· 數(shù)據(jù)傳輸設備。 Motion capture 系統(tǒng)，特別是需要實時效果的 Motion capture 系統(tǒng)需要將大量的運動數(shù)據(jù)從信號捕捉設備快速準確地傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)進行處理，而數(shù)據(jù)傳輸設備就是用來完成此項工作的。
· 數(shù)據(jù)處理設備。經(jīng)過 Motion capture 系統(tǒng)捕捉到的數(shù)據(jù)需要修正、處理后還要有三維模型向結合才能完成計算機動畫制作的工作，這就需要我們應用數(shù)據(jù)處理軟件或硬件來完成此項工作。軟件也好硬件也罷它們都是借助計算機對數(shù)據(jù)高速的運算能力來完成數(shù)據(jù)的處理，使三維模型真正、自然地運動起來。
技術之一：機械式運動捕捉
機械式運動捕捉依靠機械裝置來跟蹤和測量運動軌跡。典型的系統(tǒng)由多個關節(jié)和剛性連桿組成，在可轉動的關節(jié)中裝有角度傳感器，可以測得關節(jié)轉動角度的變化情況。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，可以得出桿件末端點在空間中的位置和運動軌跡。實際上，裝置上任何一點的運動軌跡都可以求出，剛性連桿也可以換成長度可變的伸縮桿，用位移傳感器測量其長度的變化。
早期的一種機械式運動捕捉裝置是用帶角度傳感器的關節(jié)和連桿構成一個可調(diào)姿態(tài)的數(shù)字模型，其形狀可以模擬人體，也可以模擬其他動物或物體。使用者可根據(jù)劇情的需要調(diào)整模型的姿態(tài)，然后鎖定。角度傳感器測量并記錄關節(jié)的轉動角度，依據(jù)這些角度和模型的機械尺寸，可計算出模型的姿態(tài)，并將這些姿態(tài)數(shù)據(jù)傳給動畫軟件，使其中的角色模型也做出一樣的姿態(tài)。這是一種較早出現(xiàn)的運動捕捉裝置，但直到現(xiàn)在仍有一定的市場。國外給這種裝置起了個很形象的名字：猴子。
機械式運動捕捉的一種應用形式是將欲捕捉的運動物體與機械結構相連，物體運動帶動機械裝置，從而被傳感器實時記錄下來。
這種方法的優(yōu)點是成本低，精度也較高，可以做到實時測量，還可容許多個角色同時表演。但其缺點也非常明顯，主要是使用起來非常不方便，機械結構對表演者的動作阻礙和限制很大。而猴子較難用于連續(xù)動作的實時捕捉，需要操作者不斷根據(jù)劇情要求調(diào)整猴子的姿勢，很麻煩，主要用于靜態(tài)造型捕捉和關鍵幀的確定。
技術之二：聲學式運動捕捉
常用的聲學式運動捕捉裝置由發(fā)送器、接收器和處理單元組成。發(fā)送器是一個固定的超聲波發(fā)生器，接收器一般由呈三角形排列的三個超聲探頭組成。通過測量聲波從發(fā)送器到接收器的時間或者相位差，系統(tǒng)可以計算并確定接收器的位置和方向。
這類裝置成本較低，但對運動的捕捉有較大延遲和滯后，實時性較差，精度一般不很高，聲源和接收器間不能有大的遮擋物體，受噪聲和多次反射等干擾較大。由于空氣中聲波的速度與氣壓、濕度、溫度有關，所以還必須在算法中做出相應的補償。
技術之三：電磁式運動捕捉
電磁式運動捕捉系統(tǒng)是比較常用的運動捕捉設備。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（通常有 10 ～ 20 個）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 , 通過電纜或無線方式與數(shù)據(jù)處理單元相連，見圖 2 和圖 3 所示。
表演者在電磁場內(nèi)表演時，接收傳感器將接收到的信號通過電纜傳送給處理單元，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 公司和 Ascension 公司均以生產(chǎn)電磁式運動捕捉設備而著稱。這類系統(tǒng)的采樣速率一般為每秒 15 ～ 120 次（依賴于模型和傳感器的數(shù)量），為了消除抖動和干擾，采樣速率一般在 15Hz 以下。對于一些高速運動，如拳擊、籃球比賽等，該采樣速度還不能滿足要求。電磁式運動捕捉的優(yōu)點首先在于它記錄的是六維信息，即不僅能得到空間位置，還能得到方向信息，這一點對某些特殊的應用場合很有價值。其次是速度快，實時性好，表演者表演時，動畫系統(tǒng)中的角色模型可以同時反應，便于排演、調(diào)整和修改。裝置的定標比較簡單，技術較成熟，魯棒性好，成本相對低廉。
它的缺點在于對環(huán)境要求嚴格，在表演場地附近不能有金屬物品，否則會造成電磁場畸變，影響精度。系統(tǒng)的允許表演范圍比光學式要小，特別是電纜對表演者的活動限制比較大，對于比較劇烈的運動和表演則不適用。
技術之四：光學式運動捕捉
光學式運動捕捉通過對目標上特定光點的監(jiān)視和跟蹤來完成運動捕捉的任務。常見的光學式運動捕捉大多基于計算機視覺原理。從理論上說，對于空間中的一個點，只要它能同時為兩部相機所見，則根據(jù)同一時刻兩部相機所拍攝的圖像和相機參數(shù)，可以確定這一時刻該點在空間中的位置。當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。
典型的光學式運動捕捉系統(tǒng)通常使用 6 ～ 8 個相機環(huán)繞表演場地排列，這些相機的視野重疊區(qū)域就是表演者的動作范圍。為了便于處理，通常要求表演者穿上單色的服裝，在身體的關鍵部位，如關節(jié)、髖部、肘、腕等位置貼上一些特制的標志或發(fā)光點，稱為 Marker ，視覺系統(tǒng)將識別和處理這些標志，如圖 4 所示。系統(tǒng)定標后，相機連續(xù)拍攝表演者的動作，并將圖像序列保存下來，然后再進行分析和處理，識別其中的標志點，并計算其在每一瞬間的空間位置，進而得到其運動軌跡。為了得到準確的運動軌跡，相機應有較高的拍攝速率，一般要達到每秒 60 幀以上。
如果在表演者的臉部表情關鍵點貼上 Marker ，則可以實現(xiàn)表情捕捉，如圖 5 所示。大部分表情捕捉都采用光學式。
有些光學運動捕捉系統(tǒng)不依靠Marker 作為識別標志，例如根據(jù)目標的側影來提取其運動信息，或者利用有網(wǎng)格的背景簡化處理過程等。研究人員正在研究不依靠 Marker而應用圖像識別、分析技術，由視覺系統(tǒng)直接識別表演者身體關鍵部位并測量其運動軌跡的技術，估計將很快投入實用。
光學式運動捕捉的優(yōu)點是表演者活動范圍大，無電纜、機械裝置的限制，表演者可以自由地表演，使用很方便。其采樣速率較高，可以滿足多數(shù)高速運動測量的需要。Marker 數(shù)量可根據(jù)實際應用購置添加，便于系統(tǒng)擴充。
這種方法的缺點是系統(tǒng)價格昂貴，它可以捕捉實時運動，但后處理（包括 Marker 的識別、跟蹤、空間坐標的計算）的工作量較大，適合科研類應用。
技術之五：慣性導航式動作捕捉
通過慣性導航傳感器AHRS(航姿參考系統(tǒng))、IMU(慣性測量單元)測量表演者運動加速度、方位、傾斜角等特性。不受環(huán)境干擾影響，不怕遮擋。捕捉精確度高，采樣速度高，達到每秒1000次或更高。由于采用高集成芯片、模塊，體積小、尺寸小，重量輕，性價比高。慣導傳感器佩戴在表演者頭上，或通過17個傳感器組成數(shù)據(jù)服穿戴，通過USB線、藍牙、2.4Gzh DSSS無線等與主機相聯(lián)，分別可以跟蹤頭部、全身動作，實時顯示完整的動作。
運動捕捉技術在其他領域的應用
將運動捕捉技術用于動畫制作，可極大地提高動畫制作的水平。它極大地提高了動畫制作的效率，降低了成本，而且使動畫制作過程更為直觀，效果更為生動。隨著技術的進一步成熟，表演動畫技術將會得到越來越廣泛的應用，而運動捕捉技術作為表演動畫系統(tǒng)不可缺少的、最關鍵的部分，必然顯示出更加重要的地位。
運動捕捉技術不僅是表演動畫中的關鍵環(huán)節(jié)，在其他領域也有著非常廣泛的應用前景。
提供新的人機交互手段表情和動作是人類情緒、愿望的重要表達形式，運動捕捉技術完成了將表情和動作數(shù)字化的工作，提供了新的人機交互手段，比傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標更直接方便，不僅可以實現(xiàn) 三維鼠標和手勢識別，還使操作者能以自然的動作和表情直接控制計算機，并為最終實現(xiàn)可以理解人類表情、動作的計算機系統(tǒng)和機器人提供了技術基礎。
虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 為實現(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，準確地跟蹤測量參與者的動作，將這些動作實時檢測出來，以便將這些數(shù)據(jù)反饋給顯示和控制系統(tǒng)。這些工作對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是必不可少的，這也正是運動捕捉技術的研究內(nèi)容。
機器人遙控機器人將危險環(huán)境的信息傳送給控制者，控制者根據(jù)信息做出各種動作，運動捕捉系統(tǒng)將動作捕捉下來，實時傳送給機器人并控制其完成同樣的動作。與傳統(tǒng)的遙控方式相比，這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)更為直觀、細致、復雜、靈活而快速的動作控制，大大提高機器人應付復雜情況的能力。在當前機器人全自主控制尚未成熟的情況下，這一技術有著特別重要的意義。
互動式游戲可利用運動捕捉技術捕捉游戲者的各種動作，用以驅動游戲環(huán)境中角色的動作，給游戲者以一種全新的參與感受，加強游戲的真實感和互動性。
體育訓練運動捕捉技術可以捕捉運動員的動作，便于進行量化分析，結合人體生理學、物理學原理，研究改進的方法，使體育訓練擺脫純粹的依靠經(jīng)驗的狀態(tài)，進入理論化、數(shù)字化的時代。還可以把成績差的運動員的動作捕捉下來，將其與優(yōu)秀運動員的動作進行對比分析，從而幫助其訓練。
另外，在人體工程學研究、模擬訓練、生物力學研究等領域，運動捕捉技術同樣大有可為。
可以預計，隨著技術本身的發(fā)展和相關應用領域技術水平的提高，運動捕捉技術將會得到越來越廣泛的應用。

動作捕捉技術的原理是什么？

截止到今天，常見的動作捕捉技術從原理上說可分為以下五種：光學式，慣性式，機械式，聲學式，電磁式。
1）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的位置信息來完成動作姿態(tài)捕捉。光學式動作捕捉依靠一整套精密而復雜的光學攝像頭來實現(xiàn)，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征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(qū)別的。主動式是指marker是主動發(fā)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(fā)光來觀測它，并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(fā)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(fā)出的紅外光，這樣鏡頭就能在視野里捕捉記錄該marker的運動軌跡。

2）慣性動作捕捉則是采用慣性導航傳感器AHRS(航姿參考系統(tǒng))、IMU(慣性測量單元)測量被捕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件，電池組，傳感器等一些配件。類似一個整裝衣服穿在身上，通過各個部位的傳感器來捕捉人體或物體的數(shù)據(jù)。
3）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)由多個關節(jié)和剛性連桿組成，在可轉動的關節(jié)中裝有角度傳感器，可以測得關節(jié)轉動角度的變化情況。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，可以得出桿件末端點在空間中的位置和運動軌跡。
4）聲學式動作捕捉系統(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。
5）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。

人體動作捕捉傳感器（人體動作捕捉傳感器原理）

什么是動作捕捉

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對象（人或物，或是動物）的動作，并做有效的處理。從專業(yè)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(tài)，并在虛擬三維空間中重構這個物體每個時刻運動狀態(tài)的高新技術。

既然是一項技術，那么總是有各類不同方式實現(xiàn)這項技術的。動作捕捉技術現(xiàn)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的位置信息來完成動作姿態(tài)捕捉。光學式動作捕捉依靠一整套精密而復雜的光學攝像頭來實現(xiàn)，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征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(qū)別的。主動式是指marker是主動發(fā)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(fā)光來觀測它，并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(fā)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(fā)出的紅外光，這樣鏡頭就能在視野里捕捉記錄該marker的運動軌跡。

慣性動作捕捉則是采用慣性導航傳感器AHRS(航姿參考系統(tǒng))、IMU(慣性測量單元)測量被捕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件，電池組，傳感器等一些配件。類似一個整裝衣服穿在身上，通過各個部位的傳感器來捕捉人體或物體的數(shù)據(jù)。

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，由于主動式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(xiàn)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毫米級的精度相比，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(huán)境上，由于慣性動作捕捉的傳感器長時間暴露在磁場中可能會造成傳感器磁化，所以在使用時要遠離磁場（包括但不限于電腦、鍵盤、電視等）。在自動化控制、運動分析、步態(tài)分析、虛擬現(xiàn)實、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(yōu)勢?？紤]到慣性動作捕捉相對被動式光學動作捕捉具有的價格優(yōu)勢，在一些對精度要求不那么高的領域（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。

動作捕捉是什么？

動作捕捉技術是一種記錄并處理人或其他物體在三維空間中的動作的技術，它可以廣泛應用于虛擬現(xiàn)實、游戲、醫(yī)療、娛樂等多個領域。動作捕捉技術可以利用不同的外部設備來對人體結構的位移進行數(shù)據(jù)記錄和姿態(tài)還原。動作捕捉技術可以使數(shù)字模型的動作更加真實和流暢，也可以捕捉面部或手指的細微動作，這被稱為表演捕捉。

動作捕捉技術的原理主要是利用外部設備來對人體結構或其他物體的位移進行數(shù)據(jù)記錄和姿態(tài)還原，這些設備可以分為光學、慣性、機械等不同類型，它們各有優(yōu)缺點和適用范圍。

光學動作捕捉系統(tǒng)是利用攝像機或其他光學設備來記錄被捕捉對象上附著的標記點或特征點的位置和運動，然后通過計算機視覺算法來重建三維姿態(tài)。光學動作捕捉系統(tǒng)通常利用紅外光和反光標識點，可以分為標定和非標定兩種：標定的系統(tǒng)需要在被捕捉對象上貼上反光或發(fā)光的小球，非標定的系統(tǒng)則可以直接識別人體或物體的自然特征。光學動作捕捉系統(tǒng)的優(yōu)點是精度高、延遲低、不受電磁干擾，缺點是成本高、設備復雜、空間受限、易受環(huán)境光影響。

慣性動作捕捉系統(tǒng)是利用慣性傳感器（如加速度計、陀螺儀等）來測量被捕捉對象上各個部位的加速度和角速度，然后通過積分運算來計算出位置和姿態(tài)。慣性動作捕捉系統(tǒng)不需要外部設備或參考物，因此可以在任何環(huán)境下使用，且具有較高的靈活性和便攜性。慣性動作捕捉系統(tǒng)的優(yōu)點是成本低、設備簡單、空間不受限，缺點是精度較低、延遲較高、易受累積誤差和溫漂影響。

機械動作捕捉系統(tǒng)是利用機械裝置（如關節(jié)臂或外骨骼等）來連接被捕捉對象的各個關節(jié)，然后通過測量裝置上的角度或長度變化來計算出位置和姿態(tài)。機械動作捕捉系統(tǒng)不受環(huán)境光或電磁干擾的影響，且具有較高的精度和實時性。機械動作捕捉系統(tǒng)的優(yōu)點是成本相對低、設備相對簡單、精度較高、延遲較低，缺點是空間受限、靈活性差、易受機械摩擦和磨損影響。

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