三维运动捕捉技术的研究与发展综述

三维运动捕捉技术的研究与发展综述 【摘 要】三维运动捕捉技术能够可以测量、跟踪和记录物体在三维空间中的运动轨迹，在很多研究领域都有着广泛应用。机械式、声学式、电磁式、光学式和基于视频的运动捕捉技术是现阶段研究相对深入的五类运动捕捉技术，本文主要对这五类运动捕捉技术的研究和发展情况做了系统的综述，并且分析了各自的系统组成和性能优缺点，为三维运动捕捉技术的继续研究提供一些信息上的参考，为三维运动捕捉技术的应用研究提供一些依据。

【关键词】三维运动捕捉；机械式；声学式；电磁式；光学式；基于视频 三维运动捕捉技术的产生可以追溯到20世纪70年代[1]，最初是由心理学家Johansson[2]在对人体运动的视觉感知研究中提出来的。20世纪80年代以来，以Calvert、Carol、Robertson以及Walters和Tardif为代表的教授和学者，先后对于三维运动捕捉技术进行了深入研究，推动了该技术的发展，使得该技术日趋成熟。近些年来，三维运动捕捉技术大研究更加完善和深入，市场上也涌现出多种三维运动捕捉系统，运动捕捉技术已经被应用到影视动画制作、体育训练、人机工程学研究等多个领域之中。 捉按照不同的分类方法，运动捕捉（motion capture）主要有以下种类：从应用角度来划分，可分为表情捕捉和身体捕捉两种；从实时性来划分，可分为实时捕捉系统和非实时捕捉系统两种；从工作原理来对其进行划分，同时也是最常用的划分方式，其类型主要有机械式运动捕捉、声学式运动捕捉、电磁式运动捕捉、光学式运动捕捉和基于视频的运动捕捉五种。 1.机械式运动捕捉 1983年卡尔弗特教授使用分压计作为角度传感器进行人体分析。1983年拉涅尔发明了机械式的数据手套。1985年VPL研究中心开发了虚拟现实的技术，其中机械式运动捕捉为主要技术核心，目前英国Animazoo公司研发的Animazoo Gypsy6动作捕捉系统是正在使用并且相对完善的机械式运动捕捉系统。机械式运动捕捉主要依靠机械装置来跟踪和测量运动，将欲捕捉的运动物体与机械装置相连，物体运动带动机械装置运动，与此同时传感器记录下相关参数。典型的系统由多个关节和刚性连杆组成，角度传感器安装在可转动的关节中，可以测得关节运动过程中的角度。装置运动时，根据角度传感器的数据和连杆的长度，可以得出连杆上某一点在空间的运动轨迹。刚性连杆也可以换成长度可变的伸缩杆，用位移传感器测量其长度的变化。机械式运动捕捉的优点 成本低，装置定标简单，因其与传统的物理测量相似所以其测量数据精度比较高。可以很容易地做到实时数据捕捉。缺点主要是由于机械设备有尺寸以及重量等问题，使用起来非常不方便。机械结构对表演者的动作阻碍、限制很大，很多激烈的动作都无法完成。 2.声学式运动捕捉 常用的声学式运动捕捉装置由发送器、接收器和处理单元组成。发送器是固定的超声波发生器；接收器一般由呈三角形排列的3个超声探头组成。将多个发送器固定在人身体的各个部位，发送器持续发出超声波，每个接收器通过测量、计算声波从发送器到接收器的时间，3个构成三角形的接收器就可以确定发送器的位置和方向。由于声波的速度与温度有关，还必须有测温装置，并在算法中作出相应的补偿。Logitcch、SAC等公司都生产超声波动作捕捉设备。 这类装置成本较低，但对运动的捕捉有较大的延时和滞后，精度差，捕捉时要求声源和接收器之间不能有大的物体遮挡，在表演场地附近不能有金属物品，否则会造成电磁场畸变。 3.电磁式运动捕捉 1970年Bill Polhemus开发出电磁式运动捕捉装置。1988年电磁式运动捕捉系统（单通道）进入市场。1994年第一套快速多通道的电磁式捕捉系统研发成功。电磁式运动捕捉系统一般由三个部分组成，即发射源、接收传感器和数据处理单元。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（通常有10～20个）安置在表演者身体的关键位置，传感器通过电缆与数据处理单元相连。表演者在电磁场内表演时，接收传感器也随着运动，并将接收到的信号通过电缆传送给处理单元，根据这些信号可以解算出每个传感器的空间位置和方向。 它的优点首先在于记录的是六维信息，即不仅能得到空间位置，还能得到方向信息，这一点对某些特殊的应用场合很有价值。其次是速度快，实时性好，技术较成熟，成本相对低廉。但是同样受到捕捉精度低、可捕捉动作少等局限。 4.光学式运动捕捉 光学式运动捕捉系统是目前世界上使用最为广泛、技术最完善的动作捕捉系统，它通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。目前常见的光学式运动捕捉大多基于计算机视觉原理。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。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。 典型的光学式运动捕捉系统通常使用6～8个相机环绕运动场地，这些相机视野的重叠区域就是被测试者的动作范围。此外还要在被测试者身体的关键部位，如关节、髋部、肘、腕等位置贴上一些特制的标志点，称为“Marker”，视觉系统将识别和处理这些标志。根据Marker的工作原理，又可以分为被动发光式运动捕捉系统和主动发光式运动捕捉系统。 被动发光式运动捕捉系统所使用的Marker一些特制的小球，在它的表面涂了一层反光能力很强的物质，在摄像机的捕捉状态下，它会显得格外的明亮，使摄像机很容易捕捉到它的运动轨迹，由美国NaturalPoint公司在2010年SIGGRAPH展会上推出的OptiTrack运动捕捉系统就是典型的被动发光式运动捕捉系统。因为被动发光式运动捕捉系统的Marker自身不具备发光的能力只能依靠反射光才能让相机捕捉到，所以被测试者一般要穿着黑色服装，并且不能佩戴反光能力强的物品，否则相机将无法正确识别出Marker的具体位置。 主动式的运动捕捉系统所采用的Marker是本身可以发光的二极管，它无须辅助发光设施，但是需要能源供给。由加拿大NDI公司研发的Optotrak三维运动测量系统就是主动发光式运动捕捉系统。 光学式运动捕捉的优点是精度高，系统功能强健，与相关生物力学产品配合使用度高，被测试者活动范围大，无电缆、机械装置的限制，使用方便。采样速率较高，可以满足多数科研应用或体育运动测量的需要。Marker数量可根据实际需求购置增添，便系统扩充。但是系统价格比较昂贵，数据后处理（运动学和动力学参数的计算）没有集成在系统中，数据处理起来时间相对长些。 5.基于视频的运动捕捉 视频运动捕捉是在光学式运动捕捉技术上发展的，它采用了普通的摄像机代替专业的摄像机，采用人体特征识别算法代替黏贴在人身体上的Marker，其对于运动对象和运动环境几乎没有任何限制，成本也较低，但是人体特征识别算法非常复杂，2007年沈阳工业大学的于明桌运用颜色识别的算法来识别人体，但是在色彩复杂的环境中依然不能很好的对人体的运动进行捕捉，因此给予视频的运动捕捉技术实现难度相对较大，目前仍在研究的阶段。 6.结束语 运动捕捉技术经过近四十年的发展，已在许多研究领域得到了应用。本文对运动捕捉技术及其常用的五种系统的组成和特点进行了概括介绍。从已有的研究情况来看，使用最多的是光学式运动捕捉设备，以Vicon 和Motion Analysis两家公司的产品居多，随着基于视频的运动捕捉技术的发展，相信今后会出现更多先进的不需要标记点的捕捉设备，而且这类设备更适合用于各种应用研究，这将是未来的发展趋势。 三维运动捕捉技术涉及的研究领域非常广，其中包括体育训练、教育、人体姿态分析、人机工程学等领域。在测量人数上面可以将目前的单人测量推广到多人测量，借在人机工程学方面，可将应用扩展到汽车、飞机、轨道车辆的驾驶室和其他设备操作空间的人机分析及驾乘人员的姿态研究。利用运动捕捉设备进行各种军用、民用和工业用产品的可用性研究、用户研究、虚拟动态匹配研究也是今后可进一步探讨的方向。 参考文献： [1]STURMAN DJ. A brief history of motion capture for computer character animation [C]//Proc of ACM Annual Conference on Computer Graphics. 1994：33-61. [2]JOHANSSON G. Visual perception of biological motion and model for analysis [J]. Preception Psychophysics， 1973，14（2）：21-211 [3]黄海峤. 从三维人体扫描生成服装样板[J]. 纺织学报， 2010. 31（9）. [4]黄波士，陈福民. 人体运动捕捉及运动控制的研究[J]. 计算机工程与应用，2005，41（7）：60-63. [5]李清光. 基于图像序列的三维人体扫描仪[J]. 华中科技大学学报（自然科学版）， 2008. 36（5）. [6]李豪杰，林守勋，张勇东. 基于视频的人体运动捕获综述[J].计算机辅助设计与图形学学报，2006，18（11）：1645-1651.