动作捕捉原理探究

新生研讨课报告

题目：动作捕捉技术原理探究

院（系）计算机科学与技术学院专业计算机类

学生杨义威

学号**********

班号1603008

指导教师杨明

日期2017. 4

动作捕捉技术

一．动作捕捉技术及背景

◆动作捕捉

动作捕捉英文Motion capture,简称Mocap。技术涉及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面可以由计算机直接理解处理的数据。在运动物体的关键部位设置跟踪器，由Motion capture系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后得到三维空间坐标的数据。当数据被计算机识别后，可以应用在动画制作，步态分析，生物力学，人机工程等领域。

2012年由詹姆斯·卡梅隆导演的电影《阿凡达》全程运用动作捕捉技术完成，实现动作捕捉技术在电影中的完美结合，具有里程碑式的意义。

[1]其他运用动作捕捉技术拍摄的著名电影角色还有《猩球崛起》中的猩猩之王凯撒，以及动画《指环王》系列中的古鲁姆，都为动作捕捉大师安迪·瑟金斯饰演[2]。2014年8月14日，由梦工厂制作的全息动作捕捉动画电影《驯龙高手2》在中国大陆上映。

除了电影之外，动作捕捉在游戏领域也应用的极为广泛，诸如《光晕：致远星》、《神鬼寓言3》、《全面战争：幕府将军2》、《狙击精英V2》等主机游戏都应用了动作捕捉技术。

◆背景

动作捕捉的起源普遍被认为是费舍尔（Fleischer）在1915年发明的影像描摹（rotoscope）。这是一个在动画片制作中产生出的一种技术。艺术家通过精细的描绘播放给他们的真人录影片段当中的每一帧静态画面来模拟出动画人物在虚拟世界中的具备真实感的表演。这个过程本身是

枯燥乏味的。但是对于这些动画师来说，幸运且具有纪念意义的是，1983年麻省理工学院（MIT）研发出了一套图形牵线木偶。这套系统使用了早期的光学动作捕捉系统，叫做“Op-Eye”，它依赖于一系列的发光二极管，通过制定动作，来生成动画脚本（Sturman,1999）。本质上，这个牵线木偶充当了第一套“动作捕捉服装”。它自带非常有限数量的感应球,这些球能粗略的定位人体结构的关键骨骼点的位置。这套技术的产生，迅速的奠定了动作捕捉在之后迅速发展的基础，为后续各种动作捕捉提供了追寻的方向，也引领了之后动作捕捉技术的风潮，包括今天的动作捕捉技术在内。

现在我们提到动作捕捉技术，最常联想到的图画是一个动作捕捉演员身穿全黑的紧身衣，全身关键位置布上了白色的感应小球。实际上，这套系统就是依赖于早期光学跟踪系统的。关于动作捕捉最新的发展实际上也可以说成是图形提线木偶系统的最终完善的遗产。即使如此，这套标准对比与最新的无感应点动作扫描技术也快速的显得过时。微软开发的应用在游戏主机xbox360上的“kinect”技术，可以不借助感应点扫描并捕捉对象的细微动作。而New York’s Organic Motion公司注册的技术通过即时测量数台不同摄像机之间画面的精确到毫秒单位的微小交错时间来测量空间动作数据

二．动作捕捉技术基本原理

动作捕捉系统是指用来实现动作捕捉的专业技术设备。不同的动作捕捉系统依照的原理不同，系统组成也不尽相同。总体来讲，动作捕捉系统通常由硬件和软件两大部分构成。硬件一般包含信号发射与接收传感器、信号传输设备以及数据处理设备等；软件一般包含系统设置、空间定位定

标、运动捕捉以及数据处理等功能模块。信号发射传感器通常位于运动物体的关键部位，例如人体的关节处，持续发出的信号由定位传感器接收后，通过传输设备进入数据处理工作站，在软件中进行运动解算得到连贯的三维运动数据，包括运动目标的三维空间坐标、人体关节的6自由度运动参数等，并生成三维骨骼动作数据，可用于驱动骨骼动画，这就是动作捕捉系统普遍的工作流程。

动作捕捉系统种类较多，一般地按照技术原理可分为：机械式、声学式、电磁式、惯性传感器式、光学式等五大类，其中光学式根据目标特征类型不同又可分为标记点式光学和无标记点式光学两类。近期市场上出现所谓的热能式动作捕捉系统，本质上属于无标记点式光学动作捕捉范畴，只是光学成像传感器主要工作在近红外或红外波段。

A.机械式

机械式动作捕捉系统依靠机械装置来

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。X-1st是这类产品的代表，其优点是成本低，精度高，采样频率高，但最大的缺点是动作表演不方便，连杆式结构和传感器线缆对表演者动作约束和限制很大，特别是连贯的运动受到阻碍，难以实现真实的动态还原。

B.声学式

声学式动作捕捉系统一般由发送装置、接收系统和处理系统组成。发送装置一般是指超声波发生器，接收系统一般由三个以上的超声探头阵列组成。通过测量声波从一个发送装置到传感器的时间或者相位差，确定到接受传感器的距离，由三个呈三角排列的接收传感器得到的距离信息解算出超声发生器到接收器的位置和方向。这类产品的典型生产厂家有Logitech、SAC等，其最大优点是成本低，但缺点是精度较差，实时性不高，受噪声和多次反射等因素影响较大。

C.电磁式

电磁式动作捕捉系统一般由发射

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,接收传感器将接收到的信号

通过电缆或无线方式传送给处理单元，根据这些信号可以解算出每个传感器的空间位置和方向。Polhemus和Ascension公司是这类产品生产商的代表，其最大特点是使用简单、鲁棒性和实时性好，缺点是对金属物体敏