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运动捕捉的五种类型
点击次数:1047 发布时间:2015-07-13
   运动捕捉系统是一种用于准确测量运动物体在三维空间运动状况的高技术设备。它基于计算机图形学(传感器) 原理,通过排布在空间中的数个视频捕捉(传感器)设备将运动物体(跟踪器)的运动状况以图象的形式记录下来,然后使用计算机对该图象数据进行处理,得到不同时间计量单位上不同物体(跟踪器)的空间坐标(X,Y,Z)。该技术在众多的领域中都有十分广泛的应用。

  到目前为止,常用的运动捕捉技术从原理上说可分为机械式、物理惯性传感器式、电磁式、光学式和声学式。同时,不依赖于专用传感器,而直接识别人体特征的运动捕捉技术也走向应用。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;成本;抗干扰性;多目标捕捉能力。

  1.机械式运动捕捉

  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。角度传感器测量并记录关节的转动角度,依据这些角度和模型的机械尺寸,可计算出模型的姿态,并将这些姿态数据传给动画软件,使其中的角色模型也做出一样的姿态。

  机械式运动捕捉优点是成本低,精度也较高,可以做到实时测量,还可容许多个角色同时表演。但其缺点也非常明显,主要是使用起来非常不方便,机械结构对表演者的动作阻碍和限制很大。

  2.物理惯性传感器运动捕捉

  物理惯性传感器运动捕捉采用多个惯性传感器,可以对人体主要骨骼部位的运动进行实时测量。系统可根据反向运动学原理测算出人体关节的位置,并将数据施加到相应的骨骼上。由于惯性传感器主要依赖无处不在的地球重力和磁场,所以这类运动捕捉在任何地点都可以正常使用,无需事先作任何准备工作。是未来动作捕捉的趋势之一。

  3.电磁式运动捕捉

  电磁式运动捕捉系统是目前比较常用的运动捕捉设备。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(通常有10~20个)安置在表演者身体的关键位置,随着表演者的动作在电磁场中运动,通过电缆或无线方式与数据处理单元相连。电磁式运动捕捉的优点首先在于它记录的是六维信息,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,表演者表演时,动画系统中的角色模型可以同时反应,便于排演、调整和修改。装置的定标比较简单,技术较成熟,鲁棒性好,成本相对低廉。它的缺点在于对环境要求严格,在表演场地附近不能有金属物品,否则会造成电磁场畸变,影响精度。

  4.光学式运动捕捉

  光学式运动捕捉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。

  光学式运动捕捉的优点是表演者活动范围大,无电缆、机械装置的限制,表演者可以自由地表演,使用很方便。其采样速率较高,可以满足多数高速运动测量的需要。Marker的价格便宜,便于扩充。

  这种方法的缺点是系统价格昂贵,虽然它可以捕捉实时运动,但后处理(包括Marker的识别、跟踪、空间坐标的计算)的工作量较大,对于表演场地的光照、反射情况有一定的要求,装置定标也较为烦琐。特别是当运动复杂时,不同部位的Marker有可能发生混淆、遮挡,产生错误结果,这时需要人工干预后处理过程。

  5.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。发送器是一个固定的超声波发生器,接收器一般由呈三角形排列的三个超声探头组成。通过测量声波从发送器到接收器的时间或者相位差,系统可以计算并确定接收器的位置和方向。这类装置成本较低,但对运动的捕捉有较大延迟和滞后,实时性较差,精度一般不很高,声源和接收器间不能有大的遮挡物体,受噪声和多次反射等干扰较大。由于空气中声波的速度与气压、湿度、温度有关,所以还必须在算法中做出相应的补偿。

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