三维动作捕捉运动测量技术与8大场景应用解决方案

Xsens动作捕捉 2022-10-20 15741

三维动作捕捉技术与应用

一、简介

三维动作捕捉也叫做三维动作追踪、三维运动追踪，是一种用于准确测量运动物体在三维空间运动状况的技术。它基于计算机图形学原理，通过排布在空间中的数个视频捕捉设备将带有跟踪设备的运动物体的运动状况以图像的形式记录下来，然后使计算机对该图像数据进行处理，得到不同时间计量单位上物体的不同点的空间坐标（x,y,z）。运动捕捉（Motion Capture或Mocap）在电影制作和游戏中，更多指的是匹配移动。当涉及到脸部、手或捕捉细微表情时，常常又被称作表演捕捉。动作捕捉系统主要应用于军事、娱乐、体育、医疗领域，还可用于计算机视觉验证和机器人技术。在电影制作和视频游戏开发中，该技术可记录演员的动作，并将数字角色模型制作成2D或3D电脑动画。

上世纪七、八十年代，三维动作捕捉开始是作为生物力学研究中的摄影图像分析工具，随着技术的日渐成熟，该技术开始拓展到教育、训练、运动、电脑动画、电视、电影、视频游戏等领域。使用者在各个关节处配备有标记点（Marker），通过标记点间位置和角度的变化来识别动作。目前，动作捕捉系统有机械链接、磁传感器、光传感器、声传感器和惯性传感器。每种技术各有优点，但不论何种技术，用户都会受到某些限制。

l 机械式

是比较古老的跟踪方式，使用连杆装置组成。是价格比较便宜、精确度较高和响应时间短的系统。它可以测量物体整个身体运动，没有延迟，而且不受声、光、电磁波等外界干扰。另外，它能够与力反馈装置组合在一起。缺点是比较笨重，不灵活，而且有惯性。由于机械连接的限制，其工作空间也受到一定的限制，而且工作空间中还有一块中心地带是不能进入的，俗称机械系统死角，使机械设备不能进入。

l 电磁式

利用磁场的强度进行位置和方位跟踪。一般包括发射器、接收器、接口和计算机。优点是不存在遮挡问题，接收器与发射器之间允许有其他物体，也就允许用户走动。相对于其他运动捕捉设备，它的价格较低、精度适中、采样率高（可达120次/秒）、工作范围大（可达60m2），允许多个磁跟踪器跟踪整个身体运动，并且增加了跟踪运动的范围。缺点是易受电子设备、铁磁场材料的干扰，可能导致磁场变形引起误差。测量距离加大时误差增加，时间延迟交大（33ms），有小的抖动。

l 光学式

使用光学感知来确定对象的实时位置和方向。基于三角测量。光学式设备主要包括感光设备（接收器）、光源（发射器）以及用于信号处理的控制器。感光设备多种多样，例如普通摄像机、光敏二极管等。光源可以是环境光，也可以是结构光。为了防止可见光的干扰，通常采用红外线、激光等作为光源。由于光的传播速度很快，因此光学式设备最显著的优点是速度快、具有较高的更新率和较低的延迟，较适合实时性强的场合，在小范围内工作效果好，其缺点是价格昂贵。

l 惯性式

通过盲推得出被跟踪物体的位置，也就是说完全通过运动系统内部的推算。优点是不存在发射源、不怕遮挡、没有外界干扰，有无限大的工作空间。缺点是快速积累误差。

Motion Analysis（美国魔神公司）是全球最大的以光学运动捕捉系统为基础的高性能电脑生产商，专业为用户提供3D光学动作捕捉系统。该系统可进行最精确的运动捕捉，六自由度测量，微动测量，三维平台运动测量。Raptor系列已突破了技术难关，成为了全球唯一可在室内、室外及日光直射条件下使用的系统。其实时功能可使用户在同一时间观察到目标的细微动作。强大的功能、简单的安装、方便的操作和精准的测量使得 Motion Analysis公司数字捕捉镜头成为动作捕捉的标准配置。系统精度高达0.1mm，并且无线、不放光、不发热、无辐射、耐压、耐磨、中/英文操作界面。成熟的Motion Analysis数字影像捕捉分析系统已经为全球近千用户提供了完善的解决方案，涉及运动分析、动画制作和工业测量与控制等广泛领域。

二、应用

1 运动分析

△ 步态分析

步态分析是三维动作捕捉在临床医学上的主要应用。Motion Analysis数字影像捕捉分析系统在步态分析上的应用体现了技术发展的最高水平。病人走动时，系统可以实时地进行数据采集、分析并以三维动画的形式进行展示。同时，Motion Analysis系统还可与测力台、表面肌电等输出模拟信号的设备同步。结合OrthoTrak、SIMM等软件，可同时对受试者的步态、肌肉长度、表面肌电、受力等数据进行分析。

配备有多块测力台和红外运动捕捉摄像头的步态实验室

三维动作捕捉设备采集的信息

△ 人机功效

人因工程学（又称工效学、人机工程学、人类工效学、人体工学、人因学）是一门重要的工程技术学科，为管理科学中工业工程专业的一个分支，是研究人和机器、环境的相互作用及其合理结合，使设计的机器和环境系统适合人的生理及心理等特点，达到在生产中提高效率、安全、健康和舒适目的的一门科学。捕获人类最真实的运动与感觉数据是人机功效的研究与应用中的关键，也是开展此类研究必备的基础设备。动作捕捉设备广泛应用在人机工程领域，比如汽车设计、机械设计、工作环境及流程。

办公室人体工学汽车人体工学设计模板

打字时合理的腕关节、手部和前臂位置图

△ 运动分析和运动医学

三维动作捕捉能够给用户在许多方面（如提高运动成绩、预防损伤、状态恢复、运动装备/康复治疗装备等）提供准确的分析和评估。基于该设备提供的准确数据，教练、队员、队医、康复师能更加有效地制定训练计划、治疗方法和康复原则。

运动分析测评中的标记点位置

运动医学中的应用

△ 理疗康复

Motion Analysis系统可提供一个没有任何约束和限制的动作采集环境。无论在脊柱紊乱还是功能评定方面，Motion Analysis系统都可为用户提供迅速、简洁的解决方案。

动作捕捉在康复中的应用

△ 产品设计及研发

通过三维动作捕捉提供的精确分析、实时的动作反馈，结合运动生物力学、工程力学、工程学设计、材料力学、结构力学等原理对产品进行设计及研发。

△ 医疗机器人

医疗机器人技术是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，具有重要的研究价值，在军用和民用上有着广泛的应用前景，是目前机器人领域的一个研究热点。医疗机器人主要用于伤病员的手术、救援、转运和康复。动作捕捉系统可应用于患者身体姿势精确定位，医疗用交互式虚拟现实仿真，运动学和动力学仿真评估。

腹腔镜手术机器人

2 动画制作

三维动作捕捉作为三维动画主流制作工具，在国外已得到业内的认可和应用，其工作原理是把真实人的动作完全附加到一个三维模型或者角色动画上。通常借助该技术，动画师们模拟真实感较强的动画角色，并与实拍中演员的大小比例相匹配，然后借助运动捕捉系统来捕捉表演中演员的每一个细微动作和表情变化，并真实地还原在角色动画上。

运动捕捉比传统3D模型的电脑动画技术更具有优势，主要体现在以下方面：

(1)更快速,甚至可以获得实时结果。这在娱乐业中，可以降低基于关键帧的动画成本。Hand Over技术即是一个这样的例子。

(2)对于程度相同的工作，与传统技术相比，三维动作捕捉涉及到的工作量不会随动作的复杂性、时长而变化。这使得许多不同类型、风格的表演可以实现。当赋予每个角色不同的性格时，技术上已经不受限制，而演员的表演天分成为唯一的影响因素。

(3)和传统的动画技术相比，运动捕捉技术在给定时间里产生的动画数据量极大。对于成本效益和按时完成制作来说非常有利。

缺点：

(1)需要特定的硬件、软件程序才能获取并处理数据。

(2)软件、设备和人员的成本对于小成本制作来说过于昂贵。

(3)捕获系统对操作空间有特殊的需求，这取决于相机的视角或磁场畸变。

(4)最初的结果受限于：不做额外数据编辑所能执行的结果。

(5)不遵循物理定律的运动无法捕捉到的。

△ 电影艺术

电影制作者是使用Motion Analysis系统的先驱，大量特技采用Motion Analysis系统进行采集制作。全球80％的动画、游戏制作工作室都选用Motion Analysis系统。美国影城——好莱坞，已经建立了一个基于Motion Analysis系统并且有16镜头的工作室

动作捕捉设备每秒可多次采集一个或多个演员的动作。传统技术式从多个镜头中采集图像，并计算出3D位置。而运动捕捉技术只需记录表演者的动作，至于表演者的长相、外貌并不重要。将记录下来的动画数据映射到3D模型上，模型便可做出跟表演者一样的动作。该过程可以和早期逐格帖合的重覆动画动作技术对比，比如拉尔夫·巴克希拍摄的动画片《指环王》（1978年）、《美国金曲》（1981年）。这两部电影先将演员的动作拍摄下来，并将其作为手绘动画人物逐帧动作的参考指导。

运动捕捉技术在电影中可用来实现CG特效，这在某些情况下取代了赛璐璐动画。还可以完全由电脑生成电影人物，比如Gollum, The Mummy ,King Kong, 《加勒比海盗》中的Davy Jones，《阿凡达》中的 Navi族, 以及《创世纪》中的Clu。《Sinbad: Beyond the Veil of Mists》是第一个主要采用动作捕捉设备制作的电影，但发行量非常小。而《最终幻想》是第一个采用运动捕捉技术制作并广泛发行的电影。《指环王：双塔奇兵》是第一个使用实时动作捕捉系统制作的故事片。

2006年奥斯卡最佳动画片奖的三个提名中, 其中两部动画片（《怪兽屋》、《快乐的大脚》）就采用了运动捕捉技术，只有迪士尼和皮克斯制作的《汽车总动员》没有采用该技术。

《指环王》（1978年）《Sinbad: Beyond the Veil of Mists》

《快乐的大脚》（2006年）

三维运动捕捉技术开始广泛用来制作电影，这些电影试图采用逼真的数字角色模型来模拟真实场景。通过该技术，汤姆汉克斯便可在《极地快车》中演绎不同类型的角色。2007年改编的传奇故事《比奥武夫》是用数字角色制作的动画，这些角色的外貌部分基于那些同时提供声音和动作的表演者。詹姆斯·卡梅隆的《阿凡达》也采用这种技术，并创造了居住在潘多拉的Navi族。

摄影机运动也可通过动作捕捉设备采集到，演员表演时，摄影师即可现场驱动虚拟摄像机摇摆、倾斜或围绕舞台移动，该系统设备还可以捕捉相机、道具以及演员的表演。这使得电脑合成人物、图像和布景与真实相机的视频图像一样具有相同的角度。计算机对数据进行处理并展示演员的动作，根据场景中的物体即可得到所需的摄像机位置。从捕获的连续镜头中获取摄像机的运动数据被称为匹配移动或相机跟踪。

△ 电视

Motion Analysis系统用于电视制作不但可以大量节约资金和时间，而且还能增加电视片断的真实感和艺术性。现在，该系统广泛应用于单人动作、多人动作以及面部表情的采集制作。包括《Laflaque》（加拿大）、《Sprookjesboom》（荷兰）、《Café de Wereld》（荷兰）、《Headcases》（英国）在内的系列电视均完全采用三维运动捕捉技术制作。

△ 游戏

视频游戏中常常会用三维动作捕捉将运动员、武术家和其他游戏角色制作成动画。自1995年发行的视频游戏《高地人：最后的麦克劳德家族》以来，这种应用就已实现了。

3 虚拟现实

虚拟现实和扩增实境允许用户与数字媒体实时交互作用。这对于模拟训练、视觉感知测试和3D环境中的漫游来说非常有用。三维动作捕捉还可在数字木偶系统中用来驱动电脑实时生成角色。