干貨|帶你了解動作捕捉新技術——三維運動捕捉系統(tǒng)
01. 什么是三維動作捕捉系統(tǒng)？
動作捕捉系統(tǒng)就不用給大家介紹了，這里直接說說三維動作捕捉系統(tǒng)，三維動作捕捉系統(tǒng)是在三維空間中全面記錄物體運動的設備，根據(jù)原理不同分為機械式運動捕捉、聲學式運動捕捉、電磁式運動捕捉、光學式運動捕捉和慣性式運動捕捉。當前市面上主流的三維動作捕捉設備主要是后兩種技術。
△Qualisys光學運動捕捉攝像頭
02. 光學式運動捕捉
常見的光學式運動捕捉大多基于計算機視覺原理，它又可以分為基于Marker點和非Marker點的動作捕捉。
基于Marker點的動作捕捉需要在目標物體的關鍵位置貼上反光點，俗稱Marker點，利用高速紅外攝像機捕捉目標物體上反光點的運動軌跡，從而反映目標物體在空間中的運動情況。從理論上說，對于空間中的一個點，只要它能同時為兩部相機所見，則根據(jù)同一時刻兩部相機所拍攝的圖像和相機參數(shù)，可以確定這一時刻該點在空間中的位置。
例如，對于人體進行運動捕捉時，經(jīng)常需要在人體的各個關節(jié)和骨性標志處貼上反光球，通過紅外高速攝像機拍攝反光點的運動軌跡，隨后進行分析和處理，還原人體在空間的運動，對人體姿態(tài)進行自動識別。
近些年來，隨著計算機科學的發(fā)展，另一種非Marker點的技術正在迅速發(fā)展，該方法主要利用圖像識別和分析技術，直接對計算機拍攝的圖像進行分析。該技術是受到環(huán)境干擾厲害的一種，光線、背景、遮擋等變量都可能對捕捉效果產生較大的影響。
03. 慣性式運動捕捉
另外一種較為常見的動作捕捉系統(tǒng)是基于慣性傳感器（Inertial Measurement Unit, IMU）的動作捕捉，實際上就是將芯片集成封裝成小的模塊綁定在身體的各個環(huán)節(jié)，通過芯片記錄的人體環(huán)節(jié)的空間運動，后期通過計算機進行算法分析從而轉化為人體的運動數(shù)據(jù)。由于慣性捕捉主要是在環(huán)節(jié)點固定慣性傳感器（IMU），通過傳感器的運動進行計算位置變化，因此慣性捕捉不容易受到外界環(huán)境的影響。但是從效果來進行對照的話，慣性捕捉的精度不如光學捕捉的效果。
04. 三維動作捕捉系統(tǒng)的應用
三維動作捕捉系統(tǒng)應用廣泛，除了前文提到的在影視動畫以及游戲方面的應用外，還應用于虛擬現(xiàn)實、人機功效、康復醫(yī)學、船舶姿態(tài)檢測等等，且隨著科技的不斷發(fā)展，未來必定還有更多的可拓展的發(fā)展方向。
△三維捕捉應用案例
在軍事、體育、醫(yī)療等領域，它主要用來記錄人體在不同運動情況下的動作信息，為軍事裝備設計、運動技術分析、損傷預防和術后康復等提供科學指導。
在工業(yè)領域，它也應用于船舶、無人機等姿態(tài)追蹤，通過反映真實情況下的運動學參數(shù)，幫助設計者調整設計方案。
05. 如何選擇三維動作捕捉系統(tǒng)？
一般來說，三維動作捕捉系統(tǒng)的選擇主要考慮以下兩個方面：
根據(jù)捕捉場景
光學式和慣性式動作捕捉適用于不同的動作捕捉場景。光學式動作捕捉設備的捕捉的范圍受攝像頭數(shù)量的限制，易受環(huán)境影響。由于需要捕捉場景中的標記點，標記點的遮蓋和環(huán)境中的反光體（玻璃、鏡面）都會干擾攝像頭數(shù)據(jù)的采集。因此，光學式動作捕捉適用于運動范圍固定且環(huán)境中無噪點的區(qū)域。相比光學式動作捕捉系統(tǒng)，慣性式動作捕捉對于大范圍的運動更加方面易行，且不受光線、環(huán)境等因素的影響，適用于環(huán)境復雜且運動區(qū)域較大的數(shù)據(jù)采集。
根據(jù)精度需求
現(xiàn)有市面上的光學式動作捕捉的設備已經(jīng)可以達到毫米級別的精度，而慣性式動作捕捉的精度與光學式目前仍存在差距。通�？茖W研究中的動作捕捉都會優(yōu)先選取動作光學式動作設備。同樣，電影中的面部表情等的拍攝，通常使用光學捕捉來完成，如果是簡單的關節(jié)或者動作捕捉，北京歐雷建議則通常采用慣性捕捉方案。
06. 三維動作捕捉系統(tǒng)介紹——Qualisys Arqus A5
產 地：瑞典Qualisys
型 號：Arqus A5
簡 介：
瑞典Qualisys公司是全球第一家研制運動捕捉系統(tǒng)的專業(yè)廠家，已在全球擁有數(shù)千個用戶，可捕捉與分析物體運動軌跡，能提供在室內、外環(huán)境中使用的技術支持。Qualisys三維運動采集與分析系統(tǒng)由數(shù)臺數(shù)字運動捕捉攝像機、分析軟件、獲取單元、校準設備、標記球和設備固定裝置組成，可與測力臺、肌電等外設進行同步測試。
Qualisys三維運動采集與分析系統(tǒng)可選擇超高速紅外攝像機，拍攝速度可達10000Hz，能捕捉高速運動物體的軌跡，并進行相關技術參數(shù)分析。軟件包含QTM數(shù)據(jù)管理軟件，支持Visual 3D軟件分析功能，支持MatLab、LabView、Simulink、Unity、MotionBuilder、Unreal實時輸出，可以提供：數(shù)據(jù)輸出、模型建立、運動軌跡、步態(tài)分析及結果報告打印。該系統(tǒng)在人體運動科學研究、人機工程、康復醫(yī)療、影視動畫、體育教育和運動訓練等多個領域得到廣泛應用。
系統(tǒng)配置 | |
名稱 | 數(shù)量 |
紅外動作捕捉鏡頭Arqus A5 | 8臺 |
棍狀定標校準器 | 1套 |
鏡頭電源 | 1套 |
數(shù)據(jù)/電源線纜 | 1套 |
Marker球 | 100個 |
動作捕捉服（M\L） | 2套 |
QTM專業(yè)采集分析軟件 | 1套 |
Motion Builder軟件數(shù)據(jù)插件 | 1套 |
與Unity、Unreal、Maya、iClone等軟件數(shù)據(jù)插件 免費從GitHub開放資源下載https://github.com/qualisys | |
更多產品功能使用詳情，可點擊查看Qualisys Arqus A5，或者歡迎直接咨詢北京歐雷！
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