干货｜带你了解动作捕捉新技术——三维运动捕捉系统

Xsens动作捕捉 2023-05-09 3961

动作捕捉系统就不用给大家介绍了，这里直接说说三维动作捕捉系统，三维动作捕捉系统是在三维空间中全面记录物体运动的设备，根据原理不同分为机械式运动捕捉、声学式运动捕捉、电磁式运动捕捉、光学式运动捕捉和惯性式运动捕捉。当前市面上主流的三维动作捕捉设备主要是后两种技术。

△Qualisys光学运动捕捉摄像头

02. 光学式运动捕捉

常见的光学式运动捕捉大多基于计算机视觉原理，它又可以分为基于Marker点和非Marker点的动作捕捉。

基于Marker点的动作捕捉需要在目标物体的关键位置贴上反光点，俗称Marker点，利用高速红外摄像机捕捉目标物体上反光点的运动轨迹，从而反映目标物体在空间中的运动情况。从理论上说，对于空间中的一个点，只要它能同时为两部相机所见，则根据同一时刻两部相机所拍摄的图像和相机参数，可以确定这一时刻该点在空间中的位置。

例如，对于人体进行运动捕捉时，经常需要在人体的各个关节和骨性标志处贴上反光球，通过红外高速摄像机拍摄反光点的运动轨迹，随后进行分析和处理，还原人体在空间的运动，对人体姿态进行自动识别。

近些年来，随着计算机科学的发展，另一种非Marker点的技术正在迅速发展，该方法主要利用图像识别和分析技术，直接对计算机拍摄的图像进行分析。该技术是受到环境干扰最厉害的一种，光线、背景、遮挡等变量都可能对捕捉效果产生较大的影响。

03. 惯性式运动捕捉

另外一种较为常见的动作捕捉系统是基于惯性传感器（Inertial Measurement Unit, IMU）的动作捕捉，实际上就是将芯片集成封装成小的模块绑定在身体的各个环节，通过芯片记录的人体环节的空间运动，后期通过计算机进行算法分析从而转化为人体的运动数据。由于惯性捕捉主要是在环节点固定惯性传感器（IMU），通过传感器的运动进行计算位置变化，因此惯性捕捉不容易受到外界环境的影响。但是从效果来进行对照的话，惯性捕捉的精度不如光学捕捉的效果。

04. 三维动作捕捉系统的应用

三维动作捕捉系统应用广泛，除了前文提到的在影视动画以及游戏方面的应用外，还应用于虚拟现实、人机功效、康复医学、船舶姿态检测等等，且随着科技的不断发展，未来必定还有更多的可拓展的发展方向。

△三维捕捉应用案例

在军事、体育、医疗等领域，它主要用来记录人体在不同运动情况下的动作信息，为军事装备设计、运动技术分析、损伤预防和术后康复等提供科学指导。

在工业领域，它也应用于船舶、无人机等姿态追踪，通过反映真实情况下的运动学参数，帮助设计者调整设计方案。

05. 如何选择三维动作捕捉系统？

一般来说，三维动作捕捉系统的选择主要考虑以下两个方面：

根据捕捉场景

光学式和惯性式动作捕捉适用于不同的动作捕捉场景。光学式动作捕捉设备的捕捉的范围受摄像头数量的限制，易受环境影响。由于需要捕捉场景中的标记点，标记点的遮盖和环境中的反光体（玻璃、镜面）都会干扰摄像头数据的采集。因此，光学式动作捕捉适用于运动范围固定且环境中无噪点的区域。相比光学式动作捕捉系统，惯性式动作捕捉对于大范围的运动更加方面易行，且不受光线、环境等因素的影响，适用于环境复杂且运动区域较大的数据采集。

根据精度需求

现有市面上的光学式动作捕捉的设备已经可以达到毫米级别的精度，而惯性式动作捕捉的精度与光学式目前仍存在差距。通常科学研究中的动作捕捉都会优先选取动作光学式动作设备。同样，电影中的面部表情等的拍摄，通常使用光学捕捉来完成，如果是简单的关节或者动作捕捉，北京欧雷建议则通常采用惯性捕捉方案。

06. 三维动作捕捉系统介绍——Qualisys Arqus A5

产地：瑞典Qualisys

型号：Arqus A5

简介：

瑞典Qualisys公司是全球第一家研制运动捕捉系统的专业厂家，已在全球拥有数千个用户，可精确地捕捉与分析物体运动轨迹，能提供在室内、外环境中使用的技术支持。Qualisys三维运动采集与分析系统由数台数字运动捕捉摄像机、分析软件、获取单元、校准设备、标记球和设备固定装置组成，可与测力台、肌电等外设进行同步测试。

Qualisys三维运动采集与分析系统可选择超高速红外摄像机，拍摄速度可达10000Hz，能精确捕捉高速运动物体的轨迹，并进行相关技术参数分析。软件包含QTM数据管理软件，支持Visual 3D软件分析功能，支持MatLab、LabView、Simulink、Unity、MotionBuilder、Unreal实时输出，可以提供：数据输出、模型建立、运动轨迹、步态分析及结果报告打印。该系统在人体运动科学研究、人机工程、康复医疗、影视动画、体育教育和运动训练等多个领域得到广泛应用。