光学动作捕捉系统原理

Xsens动作捕捉 2023-05-05 6016

光学动作捕捉系统是以红外光学为原理的动作捕捉系统，相较于惯性原理动作捕捉系统，GPS定位系统等定位手段，具有精度高、延迟低、实时性强、多用于室内场景等特点，系统建立过程可分为系统搭建，数据采集与传输，数据识别与处理三部分。

1系统搭建

1.1场地搭建

一套光学动作捕捉系统由红外光学镜头、动作捕捉软件、反光标志点、POE交换机、线缆、标定框、以及三脚架等镜头固定装置组成。

首先将红外光学镜头通过三脚架、夹具等镜头固定装置布置在场地周围，确保镜头视野能够覆盖捕捉区域，然后将所有镜头通过网线连接到POE交换机。镜头通过POE交换机进行供电和数据传输，并连接到电脑中的动作捕捉软件。软件启动后，先在页面中实时模式操作连

接上动作捕捉镜头。

1.2场地标定

系统软硬件搭建并相互连接成功后，下一步就是场地的标定，标定的作用在于给动作捕捉区域建立XYZ坐标系，计算每个镜头在坐标系中的位置和姿态，只有完成标定后，才可以正确获取到场地中各个Marker点的三维坐标数据，分为L型标定与T型标定。

L型标定通过将L型标定杆置于场地中央，在软件中进行相应设置来完成，其目的有两个：首先是确定统一的坐标系，通过对L杆上四个点的定位，系统可区分出其长轴与短轴，从而定义出世界坐标轴的朝向和原点位置，其次，这一过程能够给看到L型杆的镜头一个初始参数，作为后面参数寻优的初值。

T型标定的作用是给每个镜头足够的数据，使其能够在原有初值的基础上进行一个参数的迭代寻优。在这一过程，软件处于T型标定模式，操作人员手持T型杆在场地中进行挥动，镜头实时捕捉大量数据。

2数据采集与传输

2.1数据采集

完成标定后，即可进行被捕捉物空间数据的获取。在需要定位的人或物体表面贴上反光标记点（一种表面涂有特殊反光物质的银灰色小球），动作捕捉镜头上的LED灯向外发射红外光，同时接收反光标记点反射回来的红外光。当多个光学镜头同时“看到”一个标记点后，这一标记点在空间中的三维位置就会被确定。

2.2数据传输

镜头获取到的反光标记点位置信息需要实时传输到电脑中，以进行数据的处理与使用。在光学动作捕捉系统中，所有镜头通过网线与交换机相连，当镜头获取到反光标记点空间位置信息后，这些信息会通过网线传输到交换机，再由交换机统一传输到相连的电脑中，并实时被动作捕捉软件接收。

3数据识别与处理

软件获取到多个反光标记点的三维空间位置后，下一步是进行物体的识别。在同一物体表面贴有多个反光标记点，这些特定点之间的距离是不变的，因而，对同一物体上贴有的有的点进行命名，并将点之间用线进行连接，表示两点间的相互关系，这一组点名称与连线信息在软件中被操作记录为一组Markerset。当具有这组Markerset信息的物体出现在场地中时，即被系统识别为一个独立物体。