动作捕捉的原理是什么？

字面意思可以直观地理解为记录被观察对象（人、物、动物）的动作，并通过各种技术手段进行有效处理。从专业的角度来看，动作捕捉是一项高科技技术，可以实时准确地测量、记录运动物体在实际三维空间中的各种运动轨迹和姿势，并在虚拟三维空间中重建物体的每一刻运动状态。

不同原理的动作捕捉设备

既然是一项技术，实现这项技术的方式总是多种多样的。

现阶段动作捕捉技术可分为光学、惯性、机械、声学和电磁。

顾名思义，光学动作捕捉是通过光学原理捕捉和定位物体的。它通过光学镜头捕捉固定在人体或物体上的物体marker位置信息完成动作姿态捕捉。光学动作捕捉依靠一整套精密复杂的光学相机来实现。通过计算机视觉原理，多台高速相机从不同角度跟踪目标特征点，完成全身动作捕捉。

光学动作捕捉可分为被动式和主动式。

这个分类是从marker来区别的。主动式是指marker主动发光甚至可以自带发光ID编码，这样镜头就可以在视野中通过marker发光观察它，并记录和捕捉它的运动轨迹。

被动光学动作捕捉是通过镜头本身的灯板发出特定波长的红外光，照射到镜头本身marker上，marker通过特殊的反射处理，可以反射镜头灯板发出的红外光，使镜头能够捕捉和记录视野中的记录marker运动轨迹。

惯性动作捕捉是惯性导航传感器AHRS(航姿参考系统)，IMU（惯性测量单元）测量被捕获者或物体的运动加速度、方向和倾斜角。惯性运动捕捉需要各种无线控制器、电池组、传感器和其他配件。类似于穿着整件衣服，通过传感器捕捉人体或物体的数据。

机械动作捕捉系统依靠机械装置来跟踪和测量运动轨迹。典型的系统由多个关节和刚性连杆组成，在旋转关节中配有角度传感器，可以测量关节旋转角度的变化。当装置移动时，根据角度传感器测量的角度变化和连杆的长度，可以得到杆端点在空间中的位置和运动轨迹。

声学动作捕捉系统一般由发送装置、接收系统和处理系统组成。发送装置一般是指超声波发生器，接收系统一般由三个以上的超声波探头组成。通过测量声波从发送装置到传感器的时间或相位差来确定接收传感器的距离，通过三角形接收传感器获得的距离信息来解决超声波发生器到接收器的位置和方向。

电磁动作捕捉系统一般由发射源、接收传感器和数据处理单元组成。发射源在空间中产生按一定时空规律分布的电磁场；接收传感器放置在表演者身体的关键位置。随着表演者的动作在电磁场中移动，接收传感器通过电缆或无线将接收到的信号传输到处理单元。根据这些信号，可以计算出每个传感器的空间位置和方向。

动作捕捉设备应用现状

虽然机械动作捕捉成本低，精度高，但由于机械设备的尺寸和重量，使用非常不方便。声学动作捕捉延迟大，精度低，大多数动作捕捉应用领域不能使用。电磁动作捕捉设备对环境有严格的要求。如果表演场地附近有金属物体，会导致电磁场畸变，影响精度。因此，机械、声学和电磁动作捕捉系统在现代很少使用。

目前主流的动作捕捉技术是惯性动作捕捉和光学动作捕捉。在光学动作捕捉中，由于主动捕捉，marker需要供电，固定marker所需要的配件和线路会影响使用，所以主流的光学动作捕捉几乎是被动光学动作捕捉代替。与被动光学动作捕捉亚毫米精度相比，惯性动作捕捉误差随时间积累，精度不如被动光学动作捕捉；在使用环境中，惯性动作捕捉的传感器长时间暴露在磁场中可能导致传感器磁化，因此远离磁场（包括但不限于计算机、键盘、电视等）。

在自动控制、运动分析、步态分析、虚拟现实、人机效果、影视动画等领域，被动光学动作捕捉往往具有更多的优势。考虑到惯性动作捕捉相对于被动光学动作捕捉的价格优势，在一些精度要求较低的领域（如一些电影和电视中的人的动作捕捉），惯性动作捕捉往往会被选择。