運動捕捉

從技術的角度來説，運動捕捉的實質就是要測量，跟蹤，記錄物體在三維空間中的運動軌跡.典型的運動捕捉設備一般由以下幾個部分組成（見圖1）：

傳感器是固定在運動物體特定部位的跟蹤裝置，它將向系統提供運動物體運動的位置信息，會隨着捕捉的細緻程度確定跟蹤器的數目.

負責捕捉，識別傳感器的信號.負責將運動數據從信號捕捉設備快速準確地傳送到計算機系統.這種設備會因系統的類型不同而有所區別，它們負責位置信號的捕捉.對於機械系統來説是一塊捕捉電信號的線路板，對於光學系統則是高分辨率紅外攝像機.

特別是需要實時效果的系統需要將大量的運動數據從信號捕捉設備快速準確地傳輸到計算機系統進行處理，而數據傳輸設備就是用來完成此項工作的.

經過系統捕捉到的數據需要修正，處理後還要有三維模型向結合才能完成計算機動畫製作的工作，這就需要我們應用數據處理軟件或硬件來完成此項工作.軟件也好硬件也罷它們都是藉助計算機對數據高速的運算能力來完成數據的處理，使三維模型真正，自然地運動起來.所以它是負責處理系統捕捉到的原始信號，計算傳感器的運動軌跡，對數據進行修正，處理，並與三維角色模型相結合.

近幾年來，在促進影視特效和動畫製作發展的同時，運動捕捉技術的穩定性、操作效率、應用彈性以及降低系統成本等得到了迅速提高。如今的運動捕捉技術可以迅速記錄人體的動作，進行延時分析或多次回放，通過被捕捉的信息，簡單的可以生成某一時刻人體的空間位置；複雜的則可以計算出任何面部或軀幹肌肉的細微變形，然後很直觀的將人體的真實動作匹配到我們所設計的動作角色上去。

運動捕捉技術主要分為四類，每項技術也有各自的特長與應用方向，同時也有需要突破的瓶頸：

1915年 弗雷斯格爾發明了“Rotoscope”技術，可以看成是運動捕捉的原始形式，也可以説是運動捕捉的先驅。不過那個時候的運動捕捉是手工“捉”出來的。

1937年迪斯尼在製作白雪公主動畫片時採用了Rotoscope技術拷貝真人動作，然後“粘貼”給動畫人物，使動畫人物看上去有和真人很相象的動作。

注：為了得到令人滿意的動畫人物運動的效果，事先用真實的演員表演動作，然後在電影膠片上添加一層薄膜後勾勒出真實演員的表情和動作姿態，這些動作姿態將被作為動畫模版，動畫師參考這些姿態繪出角色的逐幀動畫，這樣連續播放時形成一個非常逼真自然的動作，當時在二維動畫製作行業中被廣泛的應用。

在紐約大學計算機圖形實驗室，艾倫博士使用一面半鍍銀的鏡子將一段真實演員跳舞的錄像帶添加到計算機的屏幕上，利用它來對計算機制作的動畫模型進行定位，使計算機制作出的舞蹈少女生成和真人相仿的動作姿勢，計算機把這些姿態作為關鍵幀，然後計算生成一段平滑的動作。

1983年 金斯伯格和麥克斯韋教授使用Op—Eye這套光學跟蹤系統。

1984年 Motion Analysis實現通過二維跟蹤實現三維定位技術。

1985年 sun工作站用了17個小時計算出通過4個攝像機所跟蹤的8個點的三維運動軌跡（動作長3秒）。

1989年 跟蹤時長30秒，製作人物動畫。

1990年 Kleiser-Walczak公司需要製作一段音樂錄像帶，一位使用計算機制作的模型在麥克風前邊唱邊跳。

1993年 Acclaim光學運動捕捉系統可以同時進行2人的動作捕捉，跟蹤點可達100.

1996年 Motion Analysis公司實現標誌的自動標識。

1999年 使用p Ⅱ 450的計算機，10個攝像機，實時採集70個標誌（Marker）。

通過對目標上特定光點的監視和跟蹤來完成運動捕捉的任務。從理論上説，對於空間的任意一個點，只要它能同時被兩台攝像機所見，則根據同一瞬間兩相機所拍攝的圖像和相機參數，即可以確定這一時刻該點的空間位置。當相機以足夠高的速率連續拍攝時，從圖像序列中就可以得到該點的運動軌跡。

典型的光學式運動捕捉系統通常有6～8個相機，環繞表演場地排列，這些相機的視野重疊區域就是表演者的動作範圍。為了便於處理，通常要求表演者穿上單色的服裝，在身體的關鍵部位，如關節、髖部、肘、腕等位置貼上一些特製的標誌或發光點，稱為“Marker”，視覺系統只識別和處理這些標誌。系統定標後，相機連續拍攝表演者的動作，並將圖像序列保存下來，然後再進行分析和處理，識別其中的標誌點，並計算其在每一瞬間的空間位置，進而得到其運動軌跡。為了得到準確的運動軌跡，要求相機要有較高的拍攝速率，一般要求達到每秒60幀以上。

基於類似的原理，還有多種類型的光學式運動捕捉設備，例如根據目標的側影來提取其運動信息，或者利用有網格的背景簡化處理過程。目前正在進一步研究不依靠Marker，而應用圖像識別、分析技術，由視覺系統直接識別表演者身體關鍵部位並測量其運動軌跡的技術。

光學式運動捕捉主要分成兩類：主動式運動捕捉技術和被動式運動捕捉技術。他們的工作原理都是一樣的，不同的地方就是：

被動式運動捕捉系統所使用的跟蹤器是一些特製的小球，在它的表面塗了一層反光能力很強的物質，在攝像機的捕捉狀態下，它會顯得格外的明亮，使攝像機很容易捕捉到它的運動軌跡。

但是主動式的運動捕捉系統所採用的跟蹤點是本身可以發光的二極管，它無須輔助發光設施，但是需要能源供給。被動式捕捉的攝像機在鏡頭的周圍是一些會發光的二極管，Marker正是把這些二極管所發出的光反射回到鏡頭裏，在每幀圖像中形成一個個亮點。這樣才使系統有“跡”可尋。主動式捕捉所需要的攝像機則不用本身帶有發光的功能。

光學式運動捕捉的優點是精度高，系統功能強健，與相關生物力學產品配合使用度高，表演者活動範圍大，無電纜、機械裝置的限制，使用方便。採樣速率較高，可以滿足多數科研應用或體育運動測量的需要。Marker數量可根據實際需求購置增添，便於系統擴充。

系統價格昂貴，它可以捕捉實時運動，但後處理（包括Marker的識別、跟蹤、空間座標的計算）時間相對長些，比較適合科研類相關應用。

機械式運動捕捉依靠機械裝置來跟蹤和測量運動，典型的系統由多個關節和剛性連桿組成。在可轉動的關節中裝有角度傳感器，可以測得關節轉動角度的變化。裝置運動時，根據角度傳感器的數據和連桿的長度，可以得出A點在空間的運動軌跡。實際上，裝置上任何一點的運動軌跡都可以求出。剛性連桿也可以換成長度可變的伸縮杆，用位移傳感器測量其長度的變化。

機械式運動捕捉的一種應用形式是將欲捕捉的運動物體與機械結構相連，物體運動帶動機械裝置運動，從而被傳感器記錄下來。另一種形式是用帶角度傳感器的關節和連桿構成一個“可調姿態的數字模型”，其形狀可以模擬人體，也可以模擬其它動物、物體。使用者根據劇情的需要，調整模型的姿勢，然後鎖定。關節的轉動被角度傳感器測量記錄，依據這些角度和模型的機械尺寸，計算出模性的姿態。這些姿態數據傳給動畫軟件，使其中的角色模型也做出一樣的姿勢，這是一種較早出現的運動捕捉裝置。

直到現在仍有一定的市場，國外給這種裝置起了個很形象的名字：“猴子”。但“猴子”較難用於連續動作的實時捕捉，需要操作者不斷根據劇情要求，調整“猴子”的姿勢，很麻煩，主要用於靜態造型捕捉和關鍵幀的確定。

現代的機械式運動捕捉技術則不必再去調整模型的姿態，而是可以實時採集人體的運動數據，只需利用一套外骨骼系統將角度傳感器固定在表演者的身上，就可以進行人體的動作數據採集。

成本低，它的花費可能只是光學式運動捕捉的1/4，電磁式捕捉的1/2。裝置定標簡單，精度也較高。可以很容易地做到實時數據捕捉，還可以容許多個角色同時表演。

主要是由於機械設備有尺寸以及重量等問題，使用起來非常不方便。機械結構對錶演者的動作阻礙、限制很大，很多激烈的動作都無法完成。機械捕捉設備使用目的專一，例如，用於捕捉身體動作的系統，就不能同時捕捉演員使用的道具。

電磁式運動捕捉系統一般由三個部分組成（見圖2-5），即發射源、接收傳感器和數據處理單元。發射源在空間產生按一定時空規律分佈的電磁場；接收傳感器（通常有10～20個）安置在表演者身體的關鍵位置，傳感器通過電纜與數據處理單元相連。表演者在電磁場內表演時，接收傳感器也隨着運動，並將接收到的信號通過電纜傳送給處理單元，根據這些信號可以解算出每個傳感器的空間位置和方向。

首先在於它記錄的是六維信息，即不僅能得到空間位置，還能得到方向信息。其次是速度快、實時性好。使用時，隨着表演者的表演，動畫系統中的角色模型可以同時反應，便於排演、調整和修改。裝置的定標比較簡單，技術較成熟，成本相對低廉。可以完成地面滾動或跌倒等動作。

對環境要求嚴格，在表演場地附近不能有金屬物品，否則會造成電磁場畸變，影響精度。該系統允許的表演範圍比光學式要小，特別是電纜對錶演者的活動限制比較大，不適用於比較劇烈的運動、表演。這類系統的採樣速率一般為每秒15～120次（依賴於模型和傳感器的數量），為了消除抖動和干擾，採樣速率一般在15Hz以下，對於一些高速的運動，如體育運動，採樣速度不能滿足要求。

常用的聲學式運動捕捉裝置由發送器、接收器和處理單元組成。發送器是固定的超聲波發生器；接收器一般由呈三角形排列的3個超聲探頭組成。將多個發送器固定在人身體的各個部位，發送器持續發出超聲波，每個接收器通過測量、計算聲波從發送器到接收器的時間，3個構成三角形的接收器就可以確定發送器的位置和方向。由於聲波的速度與温度有關，還必須有測温裝置，並在算法中作出相應的補償。

這類裝置成本較低，但對運動的捕捉有較大的延時和滯後，精度差，還要求聲源和接收器之間不能有遮擋，且受噪聲等干擾較大，系統擴展困難。

2007年ORGANIC MOTION 公司創建的Stage 運動捕捉系統開闢了一個全新領域。它是世界上第一個不需要專門穿戴任何東西、不需要更換衣服、不需要校準反射點、不需要擔心標記點被遮蓋、不需要精心策劃的生產線流水操作，你可以隨心所欲地進行動作捕捉。他的出現在美國引起了轟動，對動畫和娛樂業的運動捕捉進行重新定義。

演員無需穿着動作捕捉服，無需標記點，只要攝像機前隨心所欲做動作，捕捉到的畫面就會由電腦實時生成圖像，圖像被合成三維數據雲後，電腦將相鄰的數據點三角化，進而形成人體的輪廓、動作。之後再用動畫軟件對被填充的三維材質做進一步處理，捕捉到的動作任何細節都不會丟失。

自由自在，不再需要緊身衣和標記點

精度相對較低

系統價格昂貴