光学动作捕捉系统的组成干货满满建议收藏

Xsens动作捕捉 2022-10-27 13883

光学动捕系统的组成想必大家都很模糊。汽车大家都见过吧！别跟我说你只骑过自行车。没关系，汽车跟自行车原理近似。汽车都是由很多的零件组成，例如发动机、底盘、车身和电气设备等等...万物不离其宗。

那我们说回来咱们今天的主题。首先一套光学动作捕捉系统也是由很多的零部件组成，红外动作捕捉镜头、动作捕捉软件、反光标识点、主动标记点、主动光频闪自编码、POE交换机、和若干配件组成（标定框和镜头固定装置等）。其本是定位系统，通过计算分析，来获取与其相关的速度、加速度等多种运动学数据。

1、动作捕捉镜头

那么现在我们把各个部件分开给大家讲解。光学动作捕捉镜头是动作捕捉系统的核心，镜头的分辨率与视场角等数据决定了整个动作捕捉系统的动作捕捉效果与精度。

以红外光为原理，通过多个镜头对特定标记点的观察定位来获取标记点的具体空间位置。光学动作捕捉镜头面板上的LED灯发出特定波长的红外光，照到被捕捉物，也就是反光标记点，反光标记点表面的反光材料将红外光反射回镜头，反射回的红外光经过信号处理，FPGA进行图像抓取和算法处理，从而获得反光标记点在镜头中的二维坐标。

一套动捕系统里通常有多个动作捕捉镜头，多个镜头通过标定获取每个镜头的具体位置，从而得到三维坐标。

2、光学动作捕捉软件

动作捕捉操作及分析处理软件，可结合系统中多个镜头获取的二维坐标以及每个镜头在空间中的位置信息，通过软件端的计算，得到六自由度（6Dof）、偏航角（Yaw）、横摇角（Roll）、俯仰角（Pitch）、欧拉角等数据。

同时支持中文的多语言、多视角、多窗口3D显示操作界面，可同时对多达数百台GokuTMCamera进行集中管理，对视觉惯性同步控制器进行管理，高效实时视觉三维重建引擎，光学惯性深度融合引擎，多达数百个智能光学刚体创建、标定、管理。可提供数据记录及回放，空间捕捉区域实时测算及绘制及国际领先的IK算法，实时数据流输出和数据记录及回访。

同时具备实时处理，支持操作完成系统标定、校正及数据采集、导出工作，得到的数据可以通过VRPN传输，或通过SDK（C++语言）端口广播与ROS、Labview、Matlab（包含Simulink）等软件通信进行二次开发。

3、标定框

标定框是光学动作捕捉系统在校准时使用的标定工具。动作捕捉软件计算出镜头的准确空间位置和角度后，建立三维空间坐标（XYZ轴），通过L型标定工具，即标定框，确定空间中的X、Y、Z三个坐标轴的方向和原点位置，为精确的动作捕捉做好准备。

空间内相机部署完成后第一件事是要用“T型杆”进行扫场时多个相机同步，告诉这些光学动作捕捉相机他们在同一空间内，第二步是利用“L型杆”以某一个相机为基准建立整个空间的坐标系。这两步完成后就可以开始工作捕捉空间内的智能体了。悟空Goku标定框可以提供自由度、高精度、高可靠性、高采样率的空间捕捉数据。

4、反光标记点

大家在电影中经常看到影视演员身上沾着很多像棉花糖一样的小球吧，先别想着吃...其实这种小球就是标记点。在光学动作捕捉系统中，被捕捉的目标上附着了能够反射红外光线的标识点（Marker），反光标识点表面的反光材料反射的红外光会被多个镜头上的感应器矩阵接收，进而获取相关数据。

首先介绍一下被动光标记，在智能体上搭建一个以反光marker点空间几何刚体即可，因为空间几何在空间内位置信息是唯一的。只要这个刚体被两个以上的相机同时看到，就可以把位姿信息定位出来，原理是光学动作捕捉相机发出850nm红外光照到反光球反射回来产生相位差。

被动光捕捉已经是世界上比较先进的方法了，下面介绍一下比被动光系统更为先进的方法，主动光自识别频闪编码。一组LED灯发出850nm频闪的红外光被光学动作捕捉相机直接识别，开放部分API客户可自行开发，LED灯频闪相当于1/0的编码被光学动作捕捉相机识别，其是唯一的，一个智能体上固定3个以上的可编码LED灯即可

★优势★

? 不用3D打印刚体直接固定在智能体上，避免了损坏，且智能体美观，操作开发方便；

? 主动光识别的追踪距离更远，在相机部署的数量上有优化的空间；

? 用户以往是基于光学动作捕捉系统开发智能体的研究和论文，开放API后会在动捕系统方向做相关研究，目前此方向研究很少，其带的硕士博士有很大的论文研究空间。

? 因为是频闪所以耗电量极低，不影响智能体的正常运作。

5、POS交换机

在数据传输中，POE就像个中间商（这里的中间商不赚差价）交换机通过网线接收光学动作捕捉镜头传输过来的三维位置数据，并传输到电脑上，以便利用动作捕捉软件对数据进行进一步的算法处理，从而获取三维坐标、加速度等运动数据，POE交换机同时也可通过网线对镜头进行供电。