动作捕捉系统
不同的动作捕捉系统依照的原理不同，系统组成也不尽相同。总体来讲，动作捕捉系统通常由硬件和软件两大部分构成。硬件一般包含信号发射与接收传感器、信号传输设备以及数据处理设备等；软件一般包含系统设置、空间定位定标、运动捕捉以及数据处理等功能模块。信号发射传感器通常位于运动物体的关键部位，例如人体的关节处，持续发出的信号由定位传感器接收后，通过传输设备进入数据处理工作站，在软件中进行运动解算得到连贯的三维运动数据，包括运动目标的三维空间坐标、人体关节的6自由度运动参数等，并生成三维骨骼动作数据，可用于驱动骨骼动画，这就是动作捕捉系统普遍的工作流程。
系统分类及简介/动作捕捉系统编辑
动作捕捉系统种类较多，一般地按照技术原理可分为：机械式、声学式、电磁式、惯性传感器式、光学式等五大类[1] ，其中光学式根据目标特征类型不同又可分为标记点式光学和无标记点式光学两类。近期市场上出现所谓的热能式动作捕捉系统，本质上属于无标记点式光学动作捕捉范畴，
只是光学成像传感器主要工作在近红外或红外波段。
机械式动作捕捉系统机械式动作捕捉系统图
册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，在可转动的关节中装有角度传感器，可以测得关节转动角度的变化情况。装置运动时，根据角度传感器所测得的角度变化和连杆的长度，可以得出杆件末端点在空间中的位置和运动轨迹。X-1st是这类产品的代表，其优点是成本低，精度高，采样频率高，但最大的缺点是动作表演不方便，连杆式结构和传感器线缆对表演者动作约束和限制很大，特别是连贯的运动受到阻碍，难以实现真实的动态还原。
声学式系统图册声学式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探头阵列组成。通过测量声波从一个发送装置到传感器的时间或者相位差，确定到接受传感器的距离，由三个呈三角排列的接收传感器得到的距离信息解算出超声发生器到接收器的位置和方向。这类产品的典型生产厂家有Logitech、SAC等，其最大优点是成本低，但缺点是精度较差，实时性不高，受噪声和多次反射等因素影响较大。电磁式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。发射源在空间产生按一定时空规律分布的电磁场；接收传感器安置在表演者
身体的关键位置，电磁式系统图册随着表演者的动作在电磁场中运动,接收传感器将接收到的信号通过电缆或无线方式传送给处理单元，根据这些信号可以解算出每个传感器的空间位置和方向。Polhemus和Ascension公司是这类产品生产商的代表，其最大特点是使用简单、鲁棒性和实时性好，缺点是对金属物体敏感，金属物引起的电磁场畸变对精度影响大，采样率较低，不利于快速动作的捕捉，线缆式的传感器连接同样对动作表演形成束缚和障碍，不利于复杂动作的表演。惯性式系统图册惯性传感器式动作捕捉系统由姿态传感器、信号接收器和数据处理系统组成。姿态传感器固定于人体各主要肢体部位，通过蓝牙等无线传输方式将姿态信号传送至数据处理系统，进行运动解算。其中姿态传感器集成了惯性传感器、重力传感器、加速度计、磁感应计、微陀螺仪等元素，得到各部分肢体的姿态信息，再结合骨骼的长度信息和骨骼层级连接关系，计算出关节点的空间位置信息。代表性的产品有Xsens、3D Suit等，这类产品主要的优点是便携性强，操作简单，表演空间几乎不受限制，便于进行户外使用，但由于技术原理的局限，缺点也比较明显，一方面传感器本身不能进行空间绝对定位，通过各部分肢体姿态信息进行积分运算得到的空间位置信息造成不同程度
的积分漂移，空间定位不准确；另一方面原理本身基于单脚支撑和地面约束假设，系统无法进行双脚离地的运动定位解
算；此外，传感器的自身重量以及线缆连接也会对动作表演形成一定的约束，并且设备成本随捕捉对象数量的增加成倍增长，有些传感器还会受周围环境铁磁体影响精度。
光学式动作捕捉系统基于计算机视觉原理[2][3] ，由多个高速相机从不同角度对目标特征点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。理论上对于空间中的任意一个点，只要它能同时为两部相机所见，就可以确定这一时刻该点在空间中的位置。当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。这类系统采集传感器通常都是光学相机，不同的是目标传感器类型不一，一种是在物体上不额外添加标记，基于二维图像特征或三维形状特征提取的关节信息作为探测目标，这类系统可统称为无标记点式光学动作捕捉系统，另一种是在物体上粘贴标记点作为目标传感器，这类系统称为标记点式光学动作捕捉。
无标记点式光学动作捕捉[4] 原理大致有三种：第一种是基于普通视频图像的运动捕捉，通过二维图像人形检测提取关节点在二维图像中的坐标，无标记点式光学系统图册再根据多相机视觉三维测量计算关节的三维空间坐标。由于普通图像信息冗杂，这种计算通常鲁棒性较差，速度很慢，实时性不好，且关节缺乏定量信息参照，计算误差较大，这类技术目前多处于实验室研究阶段；第二种是基于主动热源照射分离前后景信息的红外相机图像的运动捕捉，即所谓的热
能式动作捕捉，原理与第一种类似，只是经过热光源照射后，图像前景和背景分离使得人形检测速度大幅提升，提升了三维重建的鲁棒性和计算速率，但热源从固定方向照射，导致动作捕捉时人体运动方向受限，难以进行360度全方位的动作捕捉，例如转身、俯仰等动作并不适用，且同样无法突破因缺乏明确的关节参照信息导致计算误差大的技术壁垒；第三种是三维深度信息的运动捕捉，系统基于结构光编码投射实时获取视场内物体的三维深度信息，根据三维形貌进行人形检测，提取关节运动轨迹，这类技术的代表产品是微软公司的kinect传感器[5] ，其动作识别鲁棒性较好，采样速率高，价格非常低廉，有不少爱好者尝试使用kinect进行动作捕捉，效果并不尽如人意，这是因为kinect的应用定位是一款动作识别传感器，而不是精确捕捉，同样存在关节位置计算误差大，层级骨骼运动累积变形等问题。总体来讲，无标记点式动作捕捉普遍存在的问题是动作捕捉精度低，并且由于原理固有的局限导致运动自由度解算缺失（如骨骼的自旋信息等）造成动作变形等问题。
标记点式光学动作捕捉系统一般由光学标识点（Markers）、动作捕捉相机、信号传输设备以及数据处理工作站组成，人们常称的光学式动作捕捉系统通常是指这类标记点式动作捕捉系统。在运动物体关键部位（如人体的关节
处等）粘贴Marker点，多个动作捕捉相机从不同角度实时
探测Marker点，数据实时传输至数据处理工作站，根据三
角测量原理精确计算Marker点的空间坐标，再从生物运动
学原理出发解算出骨骼的6自由度运动。这里根据标记点发光技术不同还分为主动式和被动式光学动作捕捉系统：主动式光学动作捕捉系统的Marker点由LED组成，LED粘贴于人体各个主要关节部位，LED之间通过线缆连接，由绑在人体表面的电源装置主动式光学系统图册供电，市场上最具代表性的产品是美国的PhaseSpace，其主要优点是采用高亮LED作为光学标识，可在一定程度上进行室外动作捕捉，LED受脉冲信号控制明暗，以此对LED进行时域编
码识别，识别鲁棒性好，有较高的跟踪准确率；缺点是：第一，时序编码的LED识别原理本质上是依靠相机在不同时刻对不同的Marker采集成像来进行ID标识,相当于在同一个动作帧中分别针对每个Marker进行逐次曝光，破坏了动作捕
捉的Markers检测的同步性，导致运动变形，不利于快速动作的捕捉；第二，由于相机帧率很大部分用于单帧内对不同Marker点的识别，因此有效动作帧采样率较低，这点上也不利于快速运动的捕捉和数据分析；第三，LED Marker可视
角度小(发射角120度左右)，一个捕捉镜头内部通常集成了两个相机近距离采集，这种窄基线结构导致视觉三维测量精度较低，并且在运动过程中由于动作遮挡等问题仍然不可避
免地导致频繁的数据缺失，如果为尽量避免遮挡造成的数据缺失，需要成倍增加动作捕捉镜头的数量弥补遮挡盲区问题，设备成本也随之成倍增加；第四，由于时序编码的原理局限，系统可支持的Marker总数有严格限制，在保证足够的采样
率前提下，同时采集人数一般不宜超过2人，且Marker点
数量越多，单帧逐点曝光时间越长，运动变形越严重。被动式光学系统图册被动式光学动作捕捉系统，也称反射式光学动作捕捉系统，其Marker点通常是一种高亮回归式反光球，粘贴于人体各主要关节部位，由动作捕捉镜头上发出的LED照射光经反光球反射至动捕相机，进行Marker的检测和空间定位。这类产品市场上最典型的品牌是美国Motion Analysis、英国的Vicon以及中国的天远，其主要优点是技
术成熟，精度高、采样率高、动作捕捉准确，表演和使用灵活快捷，Marker点可以很低成本地随意增加和布置，适用范围很广；主要缺点是：第一，对捕捉视场内的阳光敏感，阳光在地面形成的光斑可能被误识别为Marker点，造成目标
干扰，因此系统一般需要在室内环境下正常工作；第二，Marker点识别容易出错，由于反光式Marker点没有唯一对应的ID信息，在运动过程中出现遮挡等问题容易造成目标
跟踪出错，导致Marker点ID混淆，这种情况通常导致运动捕捉现场实时动画演示效果不好，动作容易错位，并且需要在后处理过程中通过人工干预进行数据修复，工作量大幅增
加。不过新一代的Vicon[6] 软件以及天远的3DMoCap[7] 都植入了先进的智能捕捉技术，具有很强的Marker点自动识别和纠错能力，很大程度上满足了现场实时动画演示的需要，并且大大降低了人工干预的工作量，从本质上进一步提升了系统的实用性。
系统特点分析/动作捕捉系统编辑
不同原理的动作捕捉系统各有优缺点，一般可从以下几个方面进行性能评估：定位精度、采样频率、动作数据质量、快速捕捉能力、多目标捕捉能力、运动范围、环境约束、使用便捷性、适用性等，据此对当前市场上常见的几种动作捕捉系统进行对比如下：系统对比选择动作捕捉系统没有统一的标准，用户应充分衡量自身的需求和一般使用情况，通常可以采取以下步骤筛选最适合自身使用的系统：
1. 一般情况下，注重综合性能的，包括精度、动作数据质量和适用性等，首先考虑被动式光学系统，可以得到很好的精度和动作效果，适用性强，是现有动作捕捉技术中最为成熟的一种，应用案例最多，经典的电影特效和CG作品中大多采用这种技术，较为实用，适合多数用户使用；
2. 强调室外应用并且具备较好的定位精度的，考虑主动式光学系统，尽管在其他性能方面做出一定程度的让步，但可以兼顾室外应用和定位精度的特殊应用需求；
3. 强调室外应用并且运动范围几乎不受限制的，考虑惯性式系统，系统受环境约束很少，前提是对动作质量要求不高；
4. 强调便捷性，特别是应用于人机交互、动作识别领域，对动作精度、质量及可靠性要求较低的，考虑无标记点式系统，如微软的Kinect传感器，在实用性和成本方面是其它系统无法比拟的。
系统参数及其在实际应用中的物理意义/动作捕捉系统编辑
动作捕捉相机分辨率光学动作捕捉系统，不论是无标记点式还是标记点式，动作捕捉相机分辨率都是系统的一个重要参数。与影视行业的摄像机分辨率意义不同，动作捕捉相机分辨率意义并不在于画面的细腻程度和视觉体验，因为系统并不需要精细的画面，而是能够分辨出视场内的标记点或目标特征即可，因此动作捕捉相机的物理分辨率通常不需
要影视级摄像机那么高，但是这里的分辨率具有两大物理意义：一是空间尺寸分辨能力，同样的视场范围，同样的工作距离下，分辨率越高，可识别的最小特征尺寸越小，通常这个意义在于，高分辨率的相机可以使用更小尺寸的Marker，Marker过大容易对动作表演造成干扰，一般情况下Marker 大小不宜超过直径20mm，但也不宜过小，太小容易被遮挡，可视角度随之变小，一般肢体捕捉Marker点不宜小于直径10mm；二是定位精度，尽管精度本身受分辨率、硬件同步性能、软件标定和三维重建算法等诸多因素影响，但分辨率决定了空间尺寸的分辨能力，一定程度上决定了空间定位的不确定度，造成三维数据不同程度的抖动，从而限制了定位精度，在其它因素控制较好的情况下，分辨率对系统精度起到决定性作用。
动作捕捉相机分辨率直接影响系统成本，通常更高的分辨率意味着更高的设备成本，因此对于大部分追求实用性和性价比的用户来讲，分辨率能够满足自身的需求即可，无需盲目追求高分辨率。对于一般的动作捕捉应用来说，捕捉数据用来进行动画制作，其捕捉精度在亚毫米量级已经足够，因为这个量级的误差在动画中人眼是很难分辨的，在分辨率一定、相机视角一定的情况下，决定这个精度的因素主要在于相机工作距离，更直观地说，就是适用场地尺寸大小，捕捉场地越大，绝对精度越低，当场地大小超过绝对精度在亚
毫米量级的要求时，应该采用更高分辨率的动作捕捉相机。以这个精度要求为基准，以常用的动作捕捉60度左右相机视角为例，我们可以得到一个分辨率与适用场地范围的参考对照表：
对照表图册动作捕捉相机采集帧率动作捕捉相机采集帧率与通常所说的相机帧率一致，是指单位时间内图像数据采集的次数，单位一般是fps，即帧/秒。
相机采集帧率对于动作捕捉来讲具有两大物理意义：一是限定了动作采样频率，动作采样频率最大不超过相机采集帧率（在下面“采样频率”一节会详细阐述）；二是直接决定了运动跟踪算法的有效性，进而决定了动作捕捉的正确率。运动跟踪贯穿动作捕捉的整个过程，一方面软件需要通过跟踪进行不同目标的识别和区分，另一方面通过跟踪预测可以缩小目标探测区域，有效地提升计算速率和捕捉实时性。一旦跟踪失败，往往动作捕捉数据会出错，严重的会导致丢失关键帧，影响捕捉的实时性。一般地讲，相机帧率越高，跟踪性能越好，即捕捉数据正确率越高（主动式光学系统除外，参见下节）。
通常为了实现较好的动作捕捉性能，专业的动作捕捉系统制造商都会进行深入的研究以平衡硬件性能参数来满足
使用要求。其中，动作捕捉相机分辨率和采集帧率是比较重
要的一对相关参数，简单地说，分辨率越高应该对应越高的采集帧率，因为分辨率增加相当于目标在图像上的运动预测不确定度增加，为保证计算速度，在跟踪搜索窗口不变的情况下，目标逃离跟踪窗口的概率大幅增加造成跟踪失败，解决这个问题最有效的方法就是提高采集帧率，降低运动预测的不确定度，以确保跟踪正确率。专业的动作捕捉相机分辨率与帧率的关系一般应满足如下关系：
相机分辨率与帧率的关系图册当系统不能达到足够的
采集帧率时，最明显的使用问题是快速运动捕捉能力差，例如对人体进行击打、踢腿等动作捕捉时，运动数据往往会频繁出错，造成无法进行现场动画演示，且大大增加数据后处理的工作量，系统实用性低。
动作采样频率一般地，人们会认为相机采集频率越高
越好，大部分情况下是可以这样理解的，但这个理解并不全面，有个别情况属于例外。
事实上，相机采集频率并不等于动作采样频率，用户真正关心的实际是动作采样频率而不是相机采集频率。采样频率指动作捕捉系统单位时间内采集动作关键帧的频率，其中动作关键帧是指某一时刻得到的一套完整的动作数据。毕竟动作采样频率才决定了动作捕捉的细腻程度和采样密度，特别是对于动作分析的用户来讲，采样频率对运动学计算意义重大，
例如计算速度、加速度等参数时，较高的动作采样频率尤其重要。
对于无标记点式光学系统和被动式光学系统来讲，动作采样频率和相机采集帧率一致，相机每曝光一次即得到一帧完整的动作数据，这时将相机帧率等价于动作采样频率是没有问题的；但是，对于主动式光学系统来讲，原理截然不同，由于采用时序编码的LED Marker点，不同的LED随时间交替明暗变化，相机每曝光一次实际只对空间中的一个或几个Marker点进行采集，以此实现对不同Marker点的ID识别区分，捕捉时视场内往往有几十甚至上百个Marker点，当对所有Marker点完成一次采集时，才算作一次完整的动作采集，即一个动作关键帧，而相机采集次数可能已经进行了几十次，这时动作采样频率远小于相机帧率，这类系统往往标注很高的相机帧率，但实际的动作采样率往往在30fps甚至更低。同步采集时间精度专业的动作捕捉系统，特别是各类光学动作捕捉系统，同步采集的时间精度是另一大重要的硬件参数，其物理意义是能够影响系统定位精度。同步采集时间精度是指系统在获取一个动作关键帧时，各相机曝光时刻间的时间差别，理论上讲在同一个动作关键帧采集时，各相机须在完全相同的时刻同步曝光，才能保证视觉三维测量的准确性，在实际应用中，专业的生产厂商会采用同步控制装置对系统进行精确同步控制，时间同步精度往往在
百万分之一秒以上。没有同步控制装置或同步精度低的，直接导致空间定位偏差大，或者频繁出现异常噪声直接影响动作捕捉的数据质量和使用效率。
动作捕捉相机配置数量动作捕捉相机配置数量具有重要的物理意义：视觉三维测量原理是特征目标被多个相机同时观测到，才能进行三维重建，当只有一个相机或没有相机观测到该目标时，对目标的重建就会失败，造成数据缺失，这种情况多是由于复杂动作、多人表演或与道具结合的表演过程中的各种遮挡导致。相机数量越多，布置的空间视点越多，目标被完全遮挡的概率就越小，数据缺失的也就越少，捕捉质量也就越好，降低数据后处理的复杂度和工作量。此外，从视觉三维测量的原理出发，相机数量越多，也可以在一定程度上提升目标空间定位的精度。因此，在架设动作捕捉系统时，一定要考察清楚相机配置数量是否能够满足自身的捕捉需要，一般来讲，动作捕捉场地越大，捕捉的对象越多，动作越复杂，需要的动作捕捉相机数量越多，数量配置与场地大小的大致对应关系可参考下表：
数量配置与场地大小的大致对应关系图册人体模型标记点（Marker）配置数量光学动作捕捉系统通常在软件中提供不同的人体标记点模型供用户选择，即动作捕捉时单人身上布置的标记点总数，这个数量的物理意义在于它关系到骨骼运动解算的准确度。系统通过身上的标记点运用运动学原
理解算关节运动信息，理论上标记点数量越多，动作解算越准确；为了反映全身各主要关节的6自由度运动信息，模型规划的基本标记点数量至少应大于36个，否则会缺失某些关节的某些运动自由度，造成骨骼动作数据失真。
反光标记点（Marker）尺寸大小反光标记点尺寸大小没有严格限定，其物理意义在于与动作捕捉相机适配，保证在相机中能够被有效地探测到，同时不影响动作表演的自由性。一方面为避免遮挡引起的标记点可视角度过小等问题，标记点尺寸一般不小于直径10mm；另一方面为避免标记点过大影响动作表演，尺寸一般不大于直径20mm。具体尺寸一般与系统相机分辨率相对应，分辨率越高，标记点标配尺寸越小，例如130万像素以下系统一般使用20mm左右的标记点，而500万像素系统一般使用10mm左右标记点。
Kinect动作捕捉系统介绍 一、关于Kinect 1、简介 Kinectfor Xbox 360，简称Kinect，是由微软开发，应用于Xbox 360 主机的周边设备。它让玩家不需要手持或踩踏控制器，而是使用语音指令或手势来操作Xbox360 的系统界面。它也能捕捉玩家全身上下的动作，用身体来进行游戏，带给玩家“免控制器的游戏与娱乐体验”。其在2010年11月4日于美国上市，建议售价149美金。Kinect在销售前60天内，卖出八百万部，目前已经申请金氏世界记录，成为全世界销售最快的消费性电子产品。 2012年2月1日，微软正式发布面向Windows系统的Kinect版本“Kinect for Windows”,建议售价249美金。Kinect有三个镜头，中间的镜头是RGB 彩色摄影机，用来采集彩色图像。左右两边镜头则分别为红外线发射器和红外线CMOS 摄影机所构成的3D结构光深度感应器，用来采集深度数据（场景中物体到摄像头的距离）。彩色摄像头最大支持1280*960分辨率成像，红外摄像头最大支持640*480成像。Kinect还搭配了追焦技术，底座马达会随着对焦物体移动跟着转动。Kinect也内建阵列式麦克风，由四个麦克风同时收音，比对后消除杂音，并通过其采集声音进行语音识别和声源定位。 2013年11月22日，随着xboxone的发售，kinect也更新为2.0版本。二代和一代的主要区别在于它是专门为XboxOne设计，外形作了改进，精度更高，在捕捉在捕捉肢体动作和表情的基础上，增加了手指动作捕捉和心跳感应。强化了分辨率至1080P，每秒处理的数据最多达2GB，镜头捕捉角度也增加至60%。
三种动作捕捉系统解决方案的对比分析 2016年，全球范围内VR商业化、普及化的浪潮正在向我们走来。VR是一场交互方式的新革命，人们正在实现由界面到空间的交互方式变迁，这样的交互极其强调沉浸感，而用户想要获得完全的沉浸感，真正“进入”虚拟世界，动作捕捉系统是必须的，可以说动作捕捉技术是VR产业隐形钥匙。 目前动作捕捉系统有惯性式和光学式两大主流技术路线，而光学式又分为标定和非标定两种。那么我们可以将动作捕捉系统分为以下三大主类：基于计算机视觉的动作捕捉系统（光学式非标定）、基于马克点的光学动作捕捉系统（光学式标定）和基于惯性传感器的动作捕捉系统（惯性式）。接下来我们对这三种形式的动作捕捉系统进行简单的解析。 1.基于计算机视觉的动作捕捉系统 该类动捕系统比较有代表性的产品分别有捕捉身体动作的Kinect，捕捉手势的Leap Motion 和识别表情及手势的RealSense实感。 该类动捕系统基于计算机视觉原理，由多个高速相机从不同角度对目标特征点的监视和跟踪来进行动作捕捉的技术。理论上对于空间中的任意一个点，只要它能同时为两部相机所见，就可以确定这一时刻该点在空间中的位置。当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。这类系统采集传感器通常都是光学相机，基于二维图像特征或三维形状特征提取的关节信息作为探测目标。 基于计算机视觉的动作捕捉系统进行人体动作捕捉和识别，可以利用少量的摄像机对监测区域的多目标进行监控，精度较高；同时，被监测对象不需要穿戴任何设备，约束性小。然而，采用视觉进行人体姿态捕捉会受到外界环境很大的影响，比如光照条件、背景、遮挡物和摄像机质量等，在火灾现场、矿井内等非可视环境中该方法则完全失效。另外，由于视觉域的限制，使用者的运动空间被限制在摄像机的视觉范围内，降低了实用性。 2.基于马克点的光学动作捕捉系统
新生研讨课报告题目：动作捕捉技术原理探究 院（系）计算机科学与技术学院 专业计算机类 学生杨义威 学号1160300804 班号1603008 指导教师杨明 日期2017.4
动作捕捉技术 一．动作捕捉技术及背景 ◆动作捕捉 动作捕捉英文Motion capture,简称Mocap。技术涉及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面可以由计算机直接理解处理的数据。在运动物体的关键部位设置跟踪器，由Motion capture系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后得到三维空间坐标的数据。当数据被计算机识别后，可以应用在动画制作，步态分析，生物力学，人机工程等领域。 2012年由詹姆斯·卡梅隆导演的电影《阿凡达》全程运用动作捕捉技术完成，实现动作捕捉技术在电影中的完美结合，具有里程碑式的意义。 [1]其他运用动作捕捉技术拍摄的著名电影角色还有《猩球崛起》中的猩猩之王凯撒，以及动画《指环王》系列中的古鲁姆，都为动作捕捉大师安迪·瑟金斯饰演[2]。2014年8月14日，由梦工厂制作的全息动作捕捉动画电影《驯龙高手2》在中国大陆上映。 除了电影之外，动作捕捉在游戏领域也应用的极为广泛，诸如《光晕：致远星》、《神鬼寓言3》、《全面战争：幕府将军2》、《狙击精英V2》等主机游戏都应用了动作捕捉技术。 ◆背景 动作捕捉的起源普遍被认为是费舍尔（Fleischer）在1915年发明的影像描摹（rotoscope）。这是一个在动画片制作中产生出的一种技术。艺术家通过精细的描绘播放给他们的真人录影片段当中的每一帧静态画面来模拟出动画人物在虚拟世界中的具备真实感的表演。这个过程本身是
Vicon动作捕捉系统 操作手册
目录 目录 (2) 1.1 仪器简介 (3) 1.2 仪器主要部件 (4) 1.2.1 硬件设施 (4) 1.2.2硬件的连接 (6) 2.1摄像机设置和采集区域选择 (9) 2.2标定 (17) 2.2.1定位MX cameras ，使用“Aim MX cameras”选项 (17) 2.2.2 标定MX cameras ，使用“Calibrate MX cameras”选项 (19) 2.2.3 设定拍摄区域的原点 (23) 2.3 数据采集 (25) 2.3.1 粘贴标志点及形态学测量 (25) 2.3.1.1 两套方案优缺点比较 (26) 2.3.1.2 注意事项 (26) 2.3.1.3 操作步骤 (26) 2.3.2 动作采集 (31) 2.3.2.1 建立新的database (31) 2.3.2.2 建立静态模型 (34) 2.3.2.3 采集实验动作 (41) 3.1 数据的处理 (43) 3.2 数据的输出 (50) 3.2.1 查看处理后的数据 (50) 3.2.2 输出处理后的数据 (51)
1. 仪器的主要介绍 其中包括，仪器的基本信息，主要部件组成，硬件的安装和设置（应包括硬件的连线说明等），仪器的应用等。 如果仪器配有相关的工具附件也在此节进行说明。 1.1 仪器简介 英国Oxford Metrics Limited公司是世界上一家非常著名的光学动作捕捉（Motion Capture）系统供应商，它的这项技术在70年代服务于英国海军，从事遥感、测控技术设备的研究与生产。进入80年代他们将自己在军事领域里的高新技术，逐渐用于民用方面，在医疗、运动、工程、生物等诸多领域生产制造用于动作捕捉的Motion Capture系统。80年代末，OML又将动作捕捉系统技术应用于影视的动画制作领域。 Vicon是英国OML公司生产的光学动作捕捉motion capture系统。它是世界上第一个设计用于运动捕捉的光学系统，它以自己非凡的技术性能在motion capture系统硬件制造领域赢得了极高的声誉，并且改写了motion capture系统传统意义上涵盖的内容。它由一组网络连接的Vicon MX运动捕捉摄像机和其它设备，建立起一个完整的三维运动捕获系统，以提供实时光学数据，这些数据可以被应用于实时在线或者离线的运动捕捉、分析，应用领域涉及动画制作、虚拟现实系统、机器人遥控、互动式游戏、体育训练、人体工程学研究、生物力学研究等方面。 功能 ●Vicon系统是非常准确和可靠的光学动作捕捉系统，它所提供的实时光学数据，可 以被应用于实时在线或者离线的运动捕捉、分析 特点 ●Vicon公司开发了自己专利的Vicon Vegas传感器，可以实现高分辨率与高捕捉频 率的同时性，实时捕捉三维效果好，功能强 ●MX Control提供Vicon MX系统与第三方设备之间的接口，包括测力板、肌电设备、 音频、数据手套、眼球跟踪器或者其它数字设备，也可以包含其它附加的板卡以 增强Vicon MX系统的功能 ●捕捉摄像机精度高，得到数据非常稳定，捕捉距离也更远 ●局部捕捉标记点即使被身体挡住，经过软件处理后仍然可以得到令人满意的输出
Qualisys光学动作捕捉系统在全球拥有众多用户群体，1989年至今，在全球35个国家安装使用已超过700多套。Qualisys动作捕捉系统是世界上唯一同时支持主动式和被动式动作捕捉的光学式动作捕捉系统,还支持水下捕捉的动作捕捉系统。 Qualisys光学动作捕捉系统使用高速摄像机来精确捕捉带有主动或被动标记点的可测量物体的运动。该技术可以准确、可靠、实时地将高质量的数据传送给使用人员。强大的软件分析工具使对基本动作的计算（如速度、加速度、旋转、角度）变得简单，目前光学动作捕捉已经被广泛接受并应用在全球各个领域。它让使用其他方式难以测量的动作捕捉变得简单。 Oqus 500高速视频动作捕捉摄像机为Qualisys动作捕捉系统提供了一个新的平台，除了精密度和实时标记以外，该像机还能录制高速度、高分辨率的视频。此双重功能性为全新的应用领域开启了一扇大门。Qualisys第三代高质量像机，装置了独特的实时计时器。
Oqus 500高速视频动作捕捉摄像机主要特色: ●高速运动捕捉 ●高速视频 ●传感器分辨率：0.3，1.3，像素4M ●与网络实时 ●适合于较低滞后时间的体系机构 ●无拍摄限制 ●无标记限制 ●防水机架 ●无风扇，无噪音 ●便携式或固 QTM是Qualisys 动作捕捉系统特有的跟踪管理软件，用于和任何型号的Qualisys像机进行无缝的结合，确保快速和准确的数据。用户可以使用该系统实时的进行2D, 3D和 6DOF运动的捕捉，将延迟降到最低。QTM可以满足具有丰富经验使用者的所有先进性应用要求，包括从医药学方面到生物工程学。它不仅能够和强电金属和 EMG设备的无缝结合并同步，还能够将数据及时的导入到第三方软件中，从而促使QTM成为最流行的艺术软件。
动作捕捉系统 不同的动作捕捉系统依照的原理不同，系统组成也不尽相同。总体来讲，动作捕捉系统通常由硬件和软件两大部分构成。硬件一般包含信号发射与接收传感器、信号传输设备以及数据处理设备等；软件一般包含系统设置、空间定位定标、运动捕捉以及数据处理等功能模块。信号发射传感器通常位于运动物体的关键部位，例如人体的关节处，持续发出的信号由定位传感器接收后，通过传输设备进入数据处理工作站，在软件中进行运动解算得到连贯的三维运动数据，包括运动目标的三维空间坐标、人体关节的6自由度运动参数等，并生成三维骨骼动作数据，可用于驱动骨骼动画，这就是动作捕捉系统普遍的工作流程。 系统分类及简介/动作捕捉系统编辑 动作捕捉系统种类较多，一般地按照技术原理可分为：机械式、声学式、电磁式、惯性传感器式、光学式等五大类[1] ，其中光学式根据目标特征类型不同又可分为标记点式光学和无标记点式光学两类。近期市场上出现所谓的热能式动作捕捉系统，本质上属于无标记点式光学动作捕捉范畴，
只是光学成像传感器主要工作在近红外或红外波段。 机械式动作捕捉系统机械式动作捕捉系统图 册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，在可转动的关节中装有角度传感器，可以测得关节转动角度的变化情况。装置运动时，根据角度传感器所测得的角度变化和连杆的长度，可以得出杆件末端点在空间中的位置和运动轨迹。X-1st是这类产品的代表，其优点是成本低，精度高，采样频率高，但最大的缺点是动作表演不方便，连杆式结构和传感器线缆对表演者动作约束和限制很大，特别是连贯的运动受到阻碍，难以实现真实的动态还原。 声学式系统图册声学式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探头阵列组成。通过测量声波从一个发送装置到传感器的时间或者相位差，确定到接受传感器的距离，由三个呈三角排列的接收传感器得到的距离信息解算出超声发生器到接收器的位置和方向。这类产品的典型生产厂家有Logitech、SAC等，其最大优点是成本低，但缺点是精度较差，实时性不高，受噪声和多次反射等因素影响较大。电磁式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。发射源在空间产生按一定时空规律分布的电磁场；接收传感器安置在表演者
- 5 - 第7期2018年4月No.7April，2018 无线互联科技 Wireless Internet Technology 1 动作捕捉技术概述 动作捕捉技术（Motion Capture ，Mocap ）的出现可追溯到20世纪70年代，国外的动画制作公司利用光学式的动作捕捉技术把表演者的姿势投射到计算机屏幕上，作为动画制作的参考。随着技术的发展，该技术已经广泛应用于3D 影视制作、步态分析、生物力学研究、人机工程、虚拟现实等新兴行业市场。 常用的动作捕捉技术从原理上说可分为机械式、声学式、电磁式、主动光学式、被动光学式、惯性导航式。本文的主要研究内容是惯性导航式肢体动作捕捉的采集方法实现。2 系统方案2.1 系统原理 动作捕捉系统的一般性结构主要分为3个部分：数据采集设备、数据传输设备、数据处理单元。惯性导航式动作捕捉系统既是将惯性传感器应用到数据采集设备，从而完成运动目标的姿态、角度的测量。 要完成对人体肢体动作的捕捉需要对人体的头部、肩部、大臂、小臂、手、胸口、尾椎、大腿、小腿、脚踝等共计17个部位进行动作跟踪，参考图1所述。在这17处重要部位佩戴集成加速计、陀螺仪、磁力计等惯性传感器的数据采集设备，加速计是用来检测传感器受到的加速度的大小和方向，它通过测量传感器在某个轴向的加速度大小和方向，但是相对于地面的姿态则精度不高。加速计的不足由陀螺仪来弥补，陀螺仪是通过测量三维坐标体系内内部陀螺转子的垂直轴与传感器的夹角，并计算角速度，通过夹角和角速度来判断物体在三维空间的运动状态，因为内部陀螺转子的垂直轴永远垂直地面，也就能保证对地面的姿态精度，但是不能测量同东西南北4个方向的姿态。那么陀螺仪的不足由磁力计来弥补，磁力计就是个小型的电子罗盘，由它来测量传感器同南北磁极的角度并确定4个方向的姿态。 数据传输设备是为了解决把采集到的动作数据传递给数据处理单元，同时也是上述17个数据采集设备的数据交汇点，这一特质决定了数据传输设备不可避免地要与数据采集设备就近部署。从使用舒适性、可穿戴性方面考虑，数据传输设备应采用无线通信技术回传数据给数据处理单元以减 少线缆数量和穿戴者的负担。目前主流的无线通信技术有ZigBee ，Bluetooth ，RFID ，WiFi 等，根据数据吞吐量来决定系统的通信子系统的设计，1个数据采集设备集成加速计、陀螺仪、磁力计，其中现在主流MEMS 芯片集成了加速计和陀螺仪，磁力计单独一颗芯片，芯片数据接口为I2C 总线，I2C 总线最大码流400 kbps ，那么数据量参考公式1所述。 传输数据吞吐量=17×2×400 kbps ≈13.6 Mbps （1）根据公式1所述的吞吐量要求，WiFi 支持11~54 Mbps ，其余技术传输速率不及1 Mbps ，故此数据传输设备采用WiFi 回传数据，在穿戴者身上部署数据传输设备（穿戴侧），在数据处理单元侧对称部署数据传输设备（处理侧），二者实现WiFi 无线传输数据，数据传输设备（处理侧）与数 据处理单元通过USB 传输数据。 数据处理单元采用图形工作站，工作站运行动作捕捉软件完成行动作捕捉。 图1 惯性导航式动作捕捉系统示意 2.2 系统设计 2.2.1 数据采集设备 数据采集设备是通过弹性束带固定在人体的运动部位，由于部署位置涉及人体接触，从舒适性和可穿戴性上决定了数据采集设备有体积小、功耗低的要求，数据采集设备如图 作者简介：韦宇（1980— ），男，广西柳州人，工程师，学士；研究方向：国防通信系统设计。 一种惯性导航肢体动作捕捉系统采集方法 韦 宇 （广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663） 摘 要：动作捕捉技术是运动物体的关键部位设置跟踪器，涉及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面可以由计 算机直接理解处理的数据。惯性导航通过测量对象的加速度、运动角度、方位，通过积分运算获得对象的瞬时速度、瞬时位置数据的技术。文章对一种惯性导航肢体动作捕捉系统采集方法进行了研究。关键词：动作捕捉；惯性导航；采集方法
三维动作捕捉分析系统 美国魔神公司是全球最大的以光学动作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。 Motion Analysis 为行业用户提供首选的动作捕捉系统。实时功能使用户可以在同一时间观察到目标某个细微动作。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，并且无线，不放光、
不发热、无辐射、耐压、耐磨、中/英文操作界面。 它可以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。 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。 应用领域 ●步态分析 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系统还可以与测力台、表面肌电等输出模拟信号的设备进行同步。结合OrthoTrak、SIMM等软件，可以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。 ●运动分析和运动医学 Motion Analysis能够给用户在许多方面提供准确的分析或者评估。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。 基于Motion Analysis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。 ●理疗康复 Motion Analysis系统可以提供一个没有任何约束也无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。 ●假肢与矫形 ●神经系统
动作捕捉的应用状况及相关产品 动捕系统一般来说，应用都比较广泛呀，只是可能不同品牌，技术略有差别，相对来说国外品牌占的市场份额更大一些，作为一门新兴的动作捕捉技术，惯性动捕的出现，打破了光学动捕占据市场绝对主导的行业格局，被视为动作捕捉界的新生力量。基于惯性传感器系统的动作捕捉技术是一项融合了传感器技术、无线传输、人体动力学、计算机图形学等多种学科的综合性技术，技术门槛要求很高。虽然惯性动作捕捉技术出现的时间并不长，但随着它在各行业中的使用，其卓越的性能很快就显示出来了。惯性动作捕捉，是一种新型的人体动作捕捉技术，它用无线动作姿态传感器采集身体部位的姿态方位，利用人体运动学原理恢复人体运动模型，同时采用无线传输的方式将数据呈现在电脑软件里。 惯性动作捕捉系统出现之前，最常见的是光学动捕技术。它是通过在演员身上贴marker点，然后用高速摄像机来捕捉marker点的准确位移，再将捕捉数据传输到电脑设备上，由此完成动作捕捉的全过程。光学动捕的整套设备的成本极为昂贵，架设繁琐，易受遮挡或光干扰的影响，给后期处理工作带来很多麻烦。对于一些遮挡严重的动作来说，光学动捕无法准确实时还原例如下蹲、拥抱、扭打等动作。而基于惯性传感器系统的动作捕捉技术的出现，大大改善了这一现状。和光学动捕技术相比，惯性动作捕捉技术有着对捕捉环境的高适应性，它的技术优势、成本优势和使用便捷的优势，使得它在各行业有着优
异的表现。在影视动画、体验式互动游戏、虚拟演播室、真人模拟演练、体育训练、医疗康复等领域，惯性动作捕捉系统都有着明显优于其他设备的特点。 惯性式动作捕捉系统原理 动作捕捉系统的一般性结构主要分为三个部分：数据采集设备、数据传输设备、数据处理单元，惯性式动作捕捉系统即是将惯性传感器应用到数据采集端，数据处理单元通过惯性导航原理对采集到的数据进行处理，从而完成运动目标的姿态角度测量。 在运动物体的重要节点佩戴集成加速度计，陀螺仪和磁力计等惯性传感器设备，传感器设备捕捉目标物体的运动数据，包括身体部位的姿态、方位等信息，再将这些数据通过数据传输设备传输到数据处理设备中，经过数据修正、处理后，最终建立起三维模型，并使得三维模型随着运动物体真正、自然地运动起来。 经过处理后的动捕数据，可以应用在动画制作，步态分析，生物力学，人机工程等领域。 加速度计，陀螺仪和磁力计在惯性动作捕捉系统中的作用 加速计是用来检测传感器受到的加速度的大小和方向的，它通过测量组件在某个轴向的受力情况来得到结果，表现形式为轴向的加速度大小和方向（XYZ），但用来测量设备相对于地面的摆放姿势，则精确度不高，该缺陷可以通过陀螺仪得到补偿。 陀螺仪的工作原理是通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角，并计算角速度，通过夹角和角速度来判别物体在
动作捕捉系统实时采集与应用教程第一部 摘要：动作捕捉系统实时采集数据，通过MotionBuilder实时读取数据，应用到影视和游戏业、工业人机功效、军工数字仿真等等方面。 第一节:MAYA中角色创建 （1）创建角色、角色UV、贴图。 （2）建立角色骨骼系统、蒙皮、权重。 （3）MAYA/MAX中角色全系统注意事项。 应用MAX的CS骨骼系统是没问题的MotionBuilder可以识别。但是一定要注意MAX和MAYA 的坐标系统是不一样的。要调整MAX中角色的坐标轴向和MotionBuilder保持一致。不然导入MotionBuilder中就会发生角色方向错误。一定要和MotionBuilder的坐标系保持一致。Y轴向上。在FBX导出选项中。应该特别注意。 MAYA中注意： MAYA在坐标轴向和MotionBuilder是一致的。原因在于MAYA和MotionBuilder原本出自一个公司。Alias。在MAYA中最重要的是骨骼的命名问题一定要和MotionBuilder匹配。控制系统可以在MotionBuilder中自动生成。MAX可以自动生成控制系统和骨骼——CS系统。 导出格式为官方默认FBX。如下图：
当在MAYA或MAX中角色建模、UV、贴图、骨骼、权重都完成后就可以导入MotionBuilder2009了。这里以MotionBuilder2009和MAYA2011为例。 第二节: MotionBuilder中角色导入导出 （1）MotionBuilder基础操作。 全屏MAX为Z、MAYA和MotionBuilder中为F。 MotionBuilder中Alt+Enter为试图最大化、Ctrl+左键为缩放、Shift+左键为平移、Ctrl Shift+左键为旋转。Ctrl+右键为移动摄像机，相当于第一人称视角。Ctrl+Shift+右键为控制摄像机，相当于原地摇头。Ctrl+T为正交视图顶视图、Ctrl+R为正交视图右视图、Ctrl+F为正交视图前视图、Ctrl+E 切换回透视图。可以连续两次按下切换正交视图，为相反方向。Ctrl+1、2、3、4为双视图或多视图。Ctrl+W为图表。Viewer窗口下Display下Ctrl+A为显示隐藏模式。 （2）MotionBuilder材质贴图。 在MotionBuilder中不支持.PNG格式的纹理。灰色为纹理丢失，灰色加问号为格式不支持。
惯性动作捕捉技术的应用领域 作为一门新兴的动作捕捉技术，惯性动捕的出现，打破了光学动捕占据市场绝对主导的行业格局，被视为动作捕捉界的新生力量。基于惯性传感器系统的动作捕捉技术是一项融合了传感器技术、无线传输、人体动力学、计算机图形学等多种学科的综合性技术，技术门槛要求很高。虽然惯性动作捕捉技术出现的时间并不长，但随着它在各行业中的使用，其卓越的性能很快就显示出来了。 所谓惯性动作捕捉，是一种新型的人体动作捕捉技术，它用无线动作姿态传感器采集身体部位的姿态方位，利用人体运动学原理恢复人体运动模型，同时采用无线传输的方式将数据呈现在电脑软件里。目前全球仅有两家公司在这一技术上具有自己的核心技术优势。即荷兰的Xsens和中国的诺亦腾（Noitom）。然而能实现腾空跳跃，真正的“动”捕，只有后者才可做得到。 在诺亦腾的惯性动作捕捉系统“腾挪Perception”出现之前，最常见的是光学动捕技术。它是通过在演员身上贴marker点，然后用高速摄像机来捕捉marker点的准确位移，再将捕捉数据传输到电脑设备上，由此完成动作捕捉的全过程。光学动捕的整套设备的成本极为昂贵，架设繁琐，易受遮挡或光干扰的影响，给后期处理工作带来很多麻烦。对于一些遮挡严重的动作来说，光学动捕无法准确实时还原例如下蹲、拥抱、扭打等动作。而基于惯性传感器系统的动作捕捉技术的出现，大大改善了这一现状。 通常来说，一套光学动作捕捉的设备需要一卡车才能装得下，而一套惯性动捕设备用一个手提箱就能装得下，相比来说，方便很多。概括而言，其优势在于使用方便、不怕遮挡、无光照影响、室内室外均可使用等，这样一来，我们就能完全摆脱环境、天气的限制，真正实现全天候、无限制的动作捕捉。但惯性动捕也有自身的缺陷。它一直为人所诟病的是它的位移，因为没有办法得到一个精准的位移，就会导致脚步的滑移明显、角色整体的位移偏离。另外，对于一般的惯性动捕设备而言，很难实现上台阶、双脚同时离地的腾空跳跃等一些特殊动作的捕捉。 总的来说，和光学动捕技术相比，惯性动作捕捉技术有着对捕捉环境的高适应性，它的技术优势、成本优势和使用便捷的优势，使得它在各行业有着优异的表现。在影视动画、体验式互动游戏、虚拟演播室、真人模拟演练、体育训练、医疗康复等领域，惯性动作捕捉系统都有着明显优于其他设备的特点。归纳概括起来，可以从以下几大方面
动作捕捉系统 动作捕捉是实时地准确测量、记录物体在真实三维空间中的运动轨迹或姿态，并在虚拟三维空间中重建运动物体每一时刻运动状态的高新技术。动作捕捉最典型的应用是对人物的动作捕捉，可以将人物肢体动作或面部表情动态进行三维数字化解算，得到三维动作数据，用来在CG 制作等领域中逼真地模仿、重现真人的各种复杂动作和表情，从本质上提升CG 动作效果；更重要的是让CG 动作制作效率提高数百倍，大大节省了人力成本和制作周期，制作者可以将更多精力投入在CG 创意和细节刻画等方面，大幅提升产品的整体制作水平。动作捕捉系统是指用来实现动作捕捉的专业技术设备。 系统组成 不同的动作捕捉系统依照的原理不同，系统组成也不尽相同。总体来讲，动作捕捉系统通常由硬件和软件两大部分构成。硬件一般包含信号发射与接收传感器、信号传输设备以及数据处理设备等；软件一般包含系统设置、空间定位定标、运动捕捉以及数据处理等功能模块。信号发射传感器通常位于运动物体的关键部位，例如人体的关节处，持续发出的信号由定位传感器接收后，通过传输设备进入数据处理工作站，在软件中进行运动解算得到连贯的三维运动数据，包括运动目标的三维空间坐标、人体关节的6自由度运动参数等，并生成三维骨骼动作数据，可用于驱动骨骼动画，这就是动作捕捉系统普遍的工作流程。 系统分类及简介 动作捕捉系统种类较多，一般地按照技术原理可分为：机械式、声 学式、电磁式、惯性传感器式、光学式等五大类[1]，其中光学式根据 目标特征类型不同又可分为标记点式光学和无标记点式光学两类。近 期市场上出现所谓的热能式动作捕捉系统，本质上属于无标记点式光 学动作捕捉范畴，只是光学成像传感器主要工作在近红外或红外波段。 机械式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，在可转动的关节中装有角度传感器， 可以测得关节转动角度的变化情况。装置运动时，根据角度传感器所 测得的角度变化和连杆的长度，可以得出杆件末端点在空间中的位置和运动轨迹。X-1st 是这类产品的代表，其优点是成本低，精度高，采样频率高，但最大的缺点是动作表演不方便，连杆式结构和传感器线缆对表演者动作约束和限制很大，特别是连贯的运动受到阻碍，难以实现真实的动态还原。 机械式系统 声 学 式系 统
湖北民族学院信息工程学院实验报告 （数字媒体技术专业用） 班级：031341320姓名：王璧莹学号：031341320实验成绩： 实验时间：2016年4月13日实验地点：数字媒体实验室 课程名称：动作捕捉技术实验类型：设计型 实验题目：建模 一、实验目的 1、熟练掌握maya各种模型的创建过程。 2、复习使用骨骼的创建、装配过程。 3、复习maya材质的绘制，并能熟练应用biln、Lamber等材质。 二、实验环境： 计算机、maya2012 三、实验内容 1、模型的创建：ploygon建模与nurbs建模的结合使用。 2、材质的创建于与赋予：bilnn，Lambert，phong等材质的制作。 3、骨骼的创建与装配。 4、蒙皮以及权重的绘制。 四、实验步骤： （一）模型的创建 1、导入素材图片 2、创建一个盒子物体，缩放适当的大小，执行圆滑命令，使立方体变圆滑，切换到面元素级别，选择一半的面删除，选择一半的模型，单击edit--duplicate special命令后的小方块，打开复制面板，勾选instance，再把缩放的x轴改为-1,。 3、利用挤出命令挤出鼻子 4、执行edit mesh --insert edge loop tool命令，在鼻子位置加线，确定鼻
子的宽度，和高度（挤出） 5、加线，切换到点or面or线元素级别，细致调节模型，制作完头部 6、创建立方体适当缩放大小、调整方块段数，摆放到身体位置，把立方体在顶视图调整为扁圆柱，删除一半的面，进行关联复制 7、加线，切换点面线元素调节细节，使其出现身体的形状 8、创建圆柱，调整参数subdivisions axis段数，将圆柱摆放到胳膊的位置，加线，选择线元素，利用挤出使其产生肘部效果，调节细节，选择点元素，选择胳膊处的点依次吸附到身体上，再选择连接处的所有点，执行edit mesh --merge 命令，缝合点。 9、腿部的制作过程与胳膊的制作过程基本一致。 10、模型创建完成。 （二）材质的赋予 选择身体的面，给予一个Lamber材质球，修改颜色为红色 （三）骨骼绑定。 1、创建定位骨骼。执行Skeleton->Joint命令，勾选Orient joint to world 选项，以世界坐标方式，在侧视图从胯的位置依次向上创建骨骼。分别调节每个骨骼的位置到合适的位置(调节的时候按insert，这样调整的时候不会影响到其他骨骼)，定位骨骼创建完成之后，创建一个层，将鼠标放在层的上方，单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择Add select objects,将调节好位置的定位骨骼放入层中。 2、手臂骨骼的创建。执行create->EP curve tool命令，单击工具条后的小方块，进入EP曲线的编辑器面板中，设置curve degree为1 Linear,在前视图中沿着上臂斜向下到掌骨的位置创建一条曲线，选择线，单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择curve point，单击鼠标左键在线的肘部位置增加一个点，此时线上会出现一个黄色的点，在surface模块中执行Edit curve->insert knot,在肘部位置插入关键点。转入到透视图，选择线，单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择control vertex,选择肘部的点，将肘部的点沿z轴向后移动一些，以保持线上的点的共面向。再次在辅助线上增加手腕和手臂旋转的辅助点，选择线单击鼠标右键，选择Edit point,选择肘部的点，按住shift加选手腕和手臂的辅助点，执行Edit curve->detach curves,将线从肘部、手腕及手臂的辅助点打断。执行skeleton->joint tool,按住c键从肩部向下一次创建骨骼。 3、创建手指的骨骼。执行skeleton->joint tool，勾选Orient joint to world 选项，以世界坐标方式，在前视图按照手指的形状创建骨骼，然后在透视图中调整手指骨骼的位置。 4、指骨与掌骨的连接。先选择指骨的根关节，按p键将指骨连接到掌骨上，将拇指的骨骼连接到腕骨上。 5、肩部骨骼的创建。执行skeleton->joint tool，勾选Orient joint to world 选项，以世界坐标方式创建骨骼，在前视图按照锁骨的形状在模型的肩部创建骨骼，然后切换到透视图调节骨骼的位置，锁骨的位置确定好之后，将手臂的骨骼与之连接，再将其连接到身体的骨骼上。 6、腿部骨骼的创建。执行skeleton->joint tool，在侧视图中从大腿的根部向下创建骨骼。 7、创建脚部的骨骼。执行skeleton->joint tool，勾选Orient joint to world
Easy Track运动捕捉系统 系统概述 Easy Track运动捕捉系统是通过一组同步的摄像机和其他硬件将场景中捕捉场景中发光的物体，并同步和实时的跟踪计算，得到物体三维运动轨迹的高科技设备。该系统以其优异的性能和高效能的成品输出广泛运用于影视动画、游戏制作、虚拟现实、教育、医疗、体育等领域。 1.高速摄像机：多重高速摄像机可以进行实时的，专有的图像处理。 2.Olive软件：直观的动作捕捉软件，集摄像机校准、动作捕捉、数据编辑和输出特性于一身。 3.同步集线器：数据集中处理和同步传输。 4.专用连接线：专用连接线将系统组件连接一体，提供电源供给、同步信号、视频传输和数据交流。 5.校准套件：用于精确校正系统的校准套件和一套用于系统使用初始化的标准配件。
EasyTrack系统功能及特色 高度集成的运动捕捉工具，为用户提供精确的捕获数据， ●单用户控制: 利用捕获期间的用户自定义计时器和实时的3D视图反馈，可以独立完成动作捕 捉和软件操作控制。 ●中文软件：中文捕捉软件，使用方便自如。 ●实时的数据捕获: 实时预览你的动作捕获数据，提供全身数据影像 ●自动骨骼和标记任务: 曾经需要数小时的过程现在降低到数分钟。使用简单易用的骨骼向导来自
动匹配骨骼和标记任务。 ●高效能数据处理工具：批量处理捕捉数据，简便高效。 ●灵活的数据导出:导出多种格式，如BVH，C3D，FBX等，并且可以与MotionBuilder等三维动画软 件实时连接。 ●多人捕捉：优秀的多人捕捉效果。
脸部表情捕捉：精准的脸部表情捕捉效果，可以捕捉丰富细腻的脸部表情。 部分案例 新疆艺术学院: 中大科技园
惯性动作捕捉技术的应用领域研究分析 作为一门新兴的动作捕捉技术，惯性动捕的出现，打破了光学动捕占据市场绝对主导的行业格局，被视为动作捕捉界的新生力量。基于惯性传感器系统的动作捕捉技术是一项融合了传感器技术、无线传输、人体动力学、计算机图形学等多种学科的综合性技术，技术门槛要求很高。虽然惯性动作捕捉技术出现的时间并不长，但随着它在各行业中的使用，其卓越的性能很快就显示出来了。 惯性动作捕捉，是一种新型的人体动作捕捉技术，它用无线动作姿态传感器采集身体部位的姿态方位，利用人体运动学原理恢复人体运动模型，同时采用无线传输的方式将数据呈现在电脑软件里。 惯性动作捕捉系统出现之前，最常见的是光学动捕技术。它是通过在演员身上贴marker点，然后用高速摄像机来捕捉marker点的准确位移，再将捕捉数据传输到电脑设备上，由此完成动作捕捉的全过程。光学动捕的整套设备的成本极为昂贵，架设繁琐，易受遮挡或光干扰的影响，给后期处理工作带来很多麻烦。对于一些遮挡严重的动作来说，光学动捕无法准确实时还
原例如下蹲、拥抱、扭打等动作。而基于惯性传感器系统的动作捕捉技术的出现，大大改善了这一现状。 和光学动捕技术相比，惯性动作捕捉技术有着对捕捉环境的高适应性，它的技术优势、成本优势和使用便捷的优势，使得它在各行业有着优异的表现。在影视动画、体验式互动游戏、虚拟演播室、真人模拟演练、体育训练、医疗康复等领域，惯性动作捕捉系统都有着明显优于其他设备的特点。 1.惯性式动作捕捉系统原理 动作捕捉系统的一般性结构主要分为三个部分：数据采集设备、数据传输设备、数据处理单元，惯性式动作捕捉系统即是将惯性传感器应用到数据采集端，数据处理单元通过惯性导航原理对采集到的数据进行处理，从而完成运动目标的姿态角度测量。 在运动物体的重要节点佩戴集成加速度计，陀螺仪和磁力计等惯性传感器设备，传感器设备捕捉目标物体的运动数据，包括身体部位的姿态、方位等信息，再将这些数据通过数据传输设备传输到数据处理设备中，经过数据修正、处理后，最终建立起三维模型，并使得三维模型随着运动物体真正、自然地运动起来。
动作捕捉系统与技术调研报告 1.第1章引言 几个世纪以来，人们一直对人类运动的复杂性感兴趣。300多年前，Borelli发表了令人惊讶的详细描述涉及动物运动的各种活动，但受可用技术的限制[1]。19世纪末，Muybridge推进了运动分析领域，他使用新兴的摄影技术来记录动物运动模式[2]。。大约在同一时间，Marey开发了先进的技术创造称为计时拍摄的运动模式的时间序列照片记录。Marey的分析也让他明白，他的运动学数据只能告诉部分故事，并且他开发了牵引发电机（现在称为称重传感器）和动力平台（现在称为力板）。随着现代力板的发展，其在20世纪取得了进步[3]。 与此同时，电影摄影技术的理解与发展，让人们了解如何最好地使用它来研究人类运动[4]。另外，使用多个摄像机的三维分析成为可能随着发展同步方法。最终，大卫开发了视频技术便利的数据收集和分析[5]。这是不久之后创建的计算机接口的电荷耦合器件，其可以检测放置在其上的标记体[6]，以及最终发出位置数据信号的发光二极管[7]。随着动力学和运动学分析能力的提高，它变得很明显身体位置数据和所产生的地面反作用力（GRF）的组合，对于完全理解人类活动的生物力学至关重要[8]。虽然复杂和繁琐，当数据收集时，这些变量的合并是可能的正确执行[9]。也许最重要的发展之一是创造的直接线性变换方法将视频记录转换为计算机化数据[10]。 自进入21世纪以来，随着计算机技术的发展与三维制作软件性能的提高,动作捕捉技术已经做为一种强大的制作手段被充分地运用到影视、广告和游戏制作等相关行业中。传统的全人工调整关键帧的制作方法已逐渐被高速度、高质量、极具真实性的动作捕捉技术配合人工调整关键帧的制作方法取代了。 2.第2章系统组成 动作捕捉系统通常由硬件和软件两大部分构成。硬件一般包含信号发射与接收传感器、信号传输设备以及数据处理设备等；软件一般包含系统设置、空间定位定标、运动捕捉以及数据处理等功能模块。信号发射传感器通常位于运动物体的关键部位，例如人体的关节处，持续发出的信号由定位传感器接收后，通过传输设备进入数据处理工作站，在软件中进行运动解算得到连贯的三维运动数据，包括运动目标的三维空间坐标、人体关节的6自由度运动参数等，并生成三维骨骼动作数据，可用于驱动骨骼动画，这就是动作捕捉系统普遍的工作流程。 3.第3章系统分类与介绍 运动捕捉技术有很多种，但从从原理上说可分为机械式、声学式、电磁式、惯性传感器式和光学式。不同原理的设备各有其优缺点，一般可从以下几个方面进行评价：定位精度；实时性；使用方便程度；可捕捉运动范围大小；抗干扰性；多目标捕捉能力；以及与相应领域专业分析软件连接程度。 3.1机械式运动捕捉 机械式运动捕捉的一种应用形式是将欲捕捉的运动物体与机械结构相连，物体运动带动机械装置，从而被传感器实时记录下来。机械式运动捕捉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，在可转动的关节中装有角度传感器，可以测得关节转动角度的变化情况。装置运动时，根据角度传感器所测得的角度变化和连杆的长度，可以得出杆件末端点在空间
动作捕捉技术服务收费标准参考 动作捕捉技术服务主要内容包括：动作现场捕捉、动作捕捉数据后处理以及动作捕捉数据动画绑定三部分，各部分内容有独立的收费方式和标准。其中现场捕捉和数据后处理两项为技术服务的必要环节，动画绑定为可选环节，客户可以选择自行动画绑定（客户可以方便地在绑定过程中根据自身需要进行动作的调整和修改），也可以选择技术服务方代理动画绑定并导出标准骨骼动作文件（客户可以直接在其他三维制作软件中导入动作驱动角色动画）。 收费标准参考如下： 说明： 1. 现场捕捉时间按照从演员更换动作捕捉专用服装开始，直到采集动作全部完成为止计算； 2. 数据处理收费与动作复杂程度相关，对于常规行为动作（没有过于快速或遮挡频繁的动作），归为简单动作，如坐、立、行走、跑步、举高、太极拳及常规肢体表演等；复杂动作指动作剧烈或遮挡频繁的行为动作，如舞蹈、街舞、武术、翻滚、抱身、多人交互动作等； 3. 若为多人交互动作，该动作数据处理收费按照动作中的人数倍增； 4. 数据处理最终为客户提供的是TRC 格式文件，即与三维动作制作软件Motion Builder 的标准数据接口；若客户选择自行在Motion Builder 中进行动画绑定，技术服务以交付客户TRC 文件为完成标志；若客户选择服务提供方代理动画绑定，技术服务以交付客户BVH 骨骼动作文件为完成标志，此项需要另行收费。 5. 动画绑定次数是指在Motion Builder 中与虚拟演员模型匹配标记点的处理次数。同一个 演员标记点位相同的不同动作文件，只需要进行绑定一次；不同演员或同一演员的标记点位每一次发生较大改变时，都需要重新进行绑定。例如，演员A 和演员B 每人各一次 动作需要动画绑定两次；演员在没有改变身上标记点位的情况下，捕捉了5段动作，只服务项目 收费方式 收费标准 备注 现场捕捉 按捕捉时长 800‐1000元/小时单人动作800元/小时； 双人以上动作1000元/小时 数据处理 按有效数据时长及 多人动作中的人数 300‐500元/分钟×人数 简单动作300元/分钟； 复杂动作500元/分钟 动画绑定 按绑定次数 200元/次 每绑定一次数据200元
基于惯性传感器系统的动作捕捉技术 作为一门新兴的动作捕捉技术，惯性动捕的出现，打破了光学动捕占据市场绝对主导的行业格局，被视为动作捕捉界的新生力量。基于惯性传感器系统的动作捕捉技术是一项融合了传感器技术、无线传输、人体动力学、计算机图形学等多种学科的综合性技术，技术门槛要求很高。虽然惯性动作捕捉技术出现的时间并不长，但随着它在各行业中的使用，其卓越的性能很快就显示出来了。 惯性动作捕捉，是一种新型的人体动作捕捉技术，它用无线动作姿态传感器采集身体部位的姿态方位，利用人体运动学原理恢复人体运动模型，同时采用无线传输的方式将数据呈现在电脑软件里。 惯性动作捕捉系统出现之前，最常见的是光学动捕技术。它是通过在演员身上贴marker 点，然后用高速摄像机来捕捉marker点的准确位移，再将捕捉数据传输到电脑设备上，由此完成动作捕捉的全过程。光学动捕的整套设备的成本极为昂贵，架设繁琐，易受遮挡或光干扰的影响，给后期处理工作带来很多麻烦。对于一些遮挡严重的动作来说，光学动捕无法准确实时还原例如下蹲、拥抱、扭打等动作。而基于惯性传感器系统的动作捕捉技术的出现，大大改善了这一现状。 和光学动捕技术相比，惯性动作捕捉技术有着对捕捉环境的高适应性，它的技术优势、成本优势和使用便捷的优势，使得它在各行业有着优异的表现。在影视动画、体验式互动游戏、虚拟演播室、真人模拟演练、体育训练、医疗康复等领域，惯性动作捕捉系统都有着明显优于其他设备的特点。 惯性式动作捕捉系统原理 动作捕捉系统的一般性结构主要分为三个部分：数据采集设备、数据传输设备、数据处理单元，惯性式动作捕捉系统即是将惯性传感器应用到数据采集端，数据处理单元通过惯性导航原理对采集到的数据进行处理，从而完成运动目标的姿态角度测量。