惯性动作捕捉技术应用的领域以及技术介绍

惯性动作捕捉技术的应用领域

作为一门新兴的动作捕捉技术，惯性动捕的出现，打破了光学动捕占据市场绝对主导的行业格局，被视为动作捕捉界的新生力量。基于惯性传感器系统的动作捕捉技术是一项融合了传感器技术、无线传输、人体动力学、计算机图形学等多种学科的综合性技术，技术门槛要求很高。虽然惯性动作捕捉技术出现的时间并不长，但随着它在各行业中的使用，其卓越的性能很快就显示出来了。

所谓惯性动作捕捉，是一种新型的人体动作捕捉技术，它用无线动作姿态传感器采集身体部位的姿态方位，利用人体运动学原理恢复人体运动模型，同时采用无线传输的方式将数据呈现在电脑软件里。目前全球仅有两家公司在这一技术上具有自己的核心技术优势。即荷兰的Xsens和中国的诺亦腾（Noitom）。然而能实现腾空跳跃，真正的“动”捕，只有后者才可做得到。

在诺亦腾的惯性动作捕捉系统“腾挪Perception”出现之前，最常见的是光学动捕技术。它是通过在演员身上贴marker点，然后用高速摄像机来捕捉marker点的准确位移，再将捕捉数据传输到电脑设备上，由此完成动作捕捉的全过程。光学动捕的整套设备的成本极为昂贵，架设繁琐，易受遮挡或光干扰的影响，给后期处理工作带来很多麻烦。对于一些遮挡严重的动作来说，光学动捕无法准确实时还原例如下蹲、拥抱、扭打等动作。而基于惯性传感器系统的动作捕捉技术的出现，大大改善了这一现状。

通常来说，一套光学动作捕捉的设备需要一卡车才能装得下，而一套惯性动捕设备用一个手提箱就能装得下，相比来说，方便很多。概括而言，其优势在于使用方便、不怕遮挡、无光照影响、室内室外均可使用等，这样一来，我们就能完全摆脱环境、天气的限制，真正实现全天候、无限制的动作捕捉。但惯性动捕也有自身的缺陷。它一直为人所诟病的是它的位移，因为没有办法得到一个精准的位移，就会导致脚步的滑移明显、角色整体的位移偏离。另外，对于一般的惯性动捕设备而言，很难实现上台阶、双脚同时离地的腾空跳跃等一些特殊动作的捕捉。

总的来说，和光学动捕技术相比，惯性动作捕捉技术有着对捕捉环境的高适应性，它的技术优势、成本优势和使用便捷的优势，使得它在各行业有着优异的表现。在影视动画、体验式互动游戏、虚拟演播室、真人模拟演练、体育训练、医疗康复等领域，惯性动作捕捉系统都有着明显优于其他设备的特点。归纳概括起来，可以从以下几大方面

来看：

一、影视制作、动漫制作、游戏制作

就影视制作而言，惯性动捕设备的加入，不但大大提高了拍摄效率，而且降低了后期处理的难度和成本。我们知道，光学动捕设备无法兼顾实时性与还原性，甚至一些特殊动作也无法实时还原，同时还会受空间的限制。与之相比，惯性传感器动作捕捉系统就大为不同。惯性动捕不但可识别的场景更多，而且管理起来也更加智能。利用全无线传感器来完成电影拍摄过程中的动作捕捉，丝毫不影响演员的穿戴，而且能够保证演员脚步真实平稳地移动，使运动还原自然流畅，甚至一些大动态动作也能顺利捕捉。作为目前市面上性能卓越、易用精准的动作捕捉系统，基于惯性传感器系统的动作捕捉设备一经上市就颇受青睐。例如，好莱坞著名特效公司TNG Visual Effects 就代理了惯性动捕的领军企业诺亦腾公司的这一技术。

在动漫制作、游戏制作方面，现在很多游戏制作中角色的动作设置，例如武打游戏里的劈砍等动作，都是通过动作捕捉来获取的。正是因为惯性动捕有着良好的实时性和各种技术优势，所以这项技术在动漫、游戏中得以广泛的应用，它使动画画面更加逼真、自然，游戏角色的行动更为自然细腻，对动画品质的提升大有裨益。

二、虚拟现实交互体验、游戏互动

真人与虚拟角色的实时互动，是动作捕捉技术的一大应用。例如虚拟演播室、电影实时预演、真人与虚拟游戏角色互动等。

虚拟演播室现在已经很成熟了，在很多电视台的栏目中都可以看到类似的场景，基本操作方式就是先让主持人在绿色的幕布下进行拍摄，再实时地用抠背机把人物扣下来附着到虚拟的场景当中。一般的惯性动捕由于虚拟角色位移的原因，没办法实现主持人与虚拟角色的交互，但随着技术的进步，优秀的惯性动作捕捉设备已经能够做到这一点，不但动捕位移误差极小，而且可以做到来回运动数十米或者随意运动持续十分钟，完全能够满足虚拟演播室内主持人与虚拟角色的互动。

关于这一技术的应用，最新的例证是关于2014年世界杯节目的。CCTV5的“我爱世界杯”和CNTV的“超级世界杯”两档节目都用到了诺亦腾的惯性动捕技术。在这两档节目的演播厅内，设置了拟真度极高的虚拟球员，在播出的节目中，虚拟球员和现场嘉宾及主持人进行了很好的实时互动，其演播方式令观众耳目一新。

从更前沿的视角出发，动作捕捉技术真正能够产生革命性价值的领域将会诞生在虚拟现实游戏上。例如，利用惯性传感器实现的动作捕捉和头戴式显示设备结合，可以使

游戏从客厅或固定场景向更自由的场景延伸，动作的精度也能产生质的提升。目前，众多游戏界的领军企业都愿意尝试使用惯性传感器动作捕捉设备，而据业内预测，超过70个游戏可能会采用这一设备进行体验。这就预示着惯性动捕技术在未来动捕界会迎来广阔市场前景。

三、多人模拟仿真演练

惯性动作捕捉系统能够为军队训练和消防演练提供虚拟仿真环境、野外演习、角色扮演训练等。虚拟军事环境仿真可以使大批教员和学员在不进入真实野战环境中即可完成训练，这样就能极大地节省人力物力及其他方面的消耗。目前，惯性动作捕捉技术已经被应用于世界领先的军事模拟训练系统开发中，并且起到了很好的仿真演练效果。

四、体育训练及运动分析

在动作分析和运动医学研究领域，研究者需要对大量的运动数据进行分析，比如速度、加速度、角速度等。这些数据不但非常庞大，而且经常会被较大的视角、较远的距离、人为理解的偏差等因素影响。惯性传感器动作捕捉系统在原理上彻底解决了上述问题，它可以精确捕捉运动人体的动作细节，为运动员和教练分析运动情况提供依据。在这方面不乏成功的案例出现。例如针对高尔夫运动者的姿势矫正产品MySwing。使用这款产品时，用户把产品夹在球杆上，便可捕捉到挥杆节奏、速度，杆头轨迹、角度等数据，这些数据可以帮助锻炼者改进姿势，提高球技。

另外，利用惯性动捕可以计算出打篮球时的运球次数、传球次数、投篮次数、篮板球数量等；也可计算出打台球时的击球次数、进球概率等，使体育教学与训练进入数字化时代，大幅提高训练水平。同时它使远程教学成为可能，尤其适合具有要求特殊的运动，如帆船、攀岩等。总的来说，利用惯性动作捕捉设备获取的这种实时且准确的分析、评估数据，在提高运动成绩、预防损伤、状态恢复等方面都有很大的帮助。

五、医疗健康虚拟体验

惯性动作捕捉技术还可以应用到医疗诊断、姿态矫正、复健辅助、运动学和动力学仿真评估等方面，不但效果显著，而且为医疗机构提供了高效、低成本的解决方案。例如，对于骨病患者或行动不便者，惯性动作捕捉系统可提供全身、半身以及个别部位的测量及报告，医生对传感器传输的数据加以分析，可以为患者提供迅速简洁的解决方案。

目前，国内的一些医疗实验室已经开始尝试用惯性动捕开发来帮助癫痫病人进行诊断和康复训练。医生判断病人病情时，传统的做法是靠目测病人的步态和体征来下结论，而动作捕捉的设备则更加精准和智能，它借助数字化的精密测量方式更加客观地进行数