人体动作捕捉技术综述

本文综述了动作捕捉技术,重点介绍了光学式和惯性式捕捉的原理和特点。光学式捕捉具有高精度、大范围但成本高昂,而惯性式捕捉成本低、便携但需解决数据准确性问题。两种技术各有优势,常在影视、动画等领域应用。

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人体动作捕捉技术综述

摘  要:本文综述了目前动作捕捉领域几大主流解决方案,并重点挑选出目前在专业领域应用最广泛的光学式捕捉以及惯性式捕捉进行了原理的阐述和分析。

 

关键词:动作捕捉;传感器;加速度

 

1 引言

近几年来,在促进影视特效和动画制作发展的同时,运动捕捉技术的稳定性、操作效率、应用弹性以及降低系统成本等得到了迅速提高。如今的运动捕捉技术可以迅速记录人体的动作,进行延时分析或多次回放,通过被捕捉的信息,简单的可以生成某一时刻人体的空间位置,复杂的则可以计算出任何面部或躯干肌肉的细微变形,然后很直观的将人体的真实动作匹配到我们所设计的动作角色上去。

1915年动画师MaxFleischer发明的“动态影像描绘(Rotoscoping)”技术被认为是动作捕捉的先驱,该技术主要原理是将实际拍摄出的动作影像作为动画描绘的底样,然后动画师以此为基础逐帧描绘出所需的动作。第一部使用动态影像描摹的长片动画是迪斯尼1937年的《白雪公主与七个小矮人》。从1970年开始,随着计算机的发展,动画师开始使用计算机来制作动画人物。在纽约大学计算机图形实验室,艾伦博士使用一面半镀银的镜子将一段真实演员跳舞的录像带添加到计算机的屏幕上,利用它来对计算机制作的动画模型进行定位,使计算机制作出的舞蹈少女生成和真人相仿的动作姿势,计算机把这些姿态作为关键帧,然后计算生成一段平滑的动作[[1]][[2]]。

随后逐渐衍生出了其它的动作捕捉技术。1999年AMenach将动作捕捉定义为“在一定空间范围内通过对特殊标记点的跟踪来记录捕捉对象运动信息,然后将其转换为可使用数学方式进行表达的运动的过程”[[3]]。

2 动作捕捉技术原理

从技术的角度来说,运动捕捉的实质就是要测量,跟踪,记录物体在三维空间中的运动轨迹.典型的运动捕捉设备一般由以下几个部分组成:

传感器:传感器是固定在运动物体特定部位的跟踪装置,它将向系统提供运动物体运动的位置信息,会随着捕捉的细致程度确定跟踪器的数目。

信号捕捉:将运动数据从信号捕捉设备快速准确地传送到计算机系统。它们负责位置信号的捕捉。

数据传输:将大量的运动数据从信号捕捉设备快速准确地传输到计算机系统进行处理。

数据处理:经过系统捕捉到的数据需要修正,处理后还要有三维模型结合才能完成。

3 动作捕捉技术的分类及其优缺点

目前主流的动作捕捉技术可分为机械式、声学式、电磁式、光学式以及惯性导航式5类,每项技术也有各自的特长与应用方向,一般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。实际上,装置上任何一点的

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