惯性动作捕捉技术的应用领域研究分析

惯性动作捕捉技术的应用领域研究分析
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。

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。

惯性动作捕捉系统出现之前，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。

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。

1.惯性式动作捕捉系统原理
动作捕捉系统的一般性结构主要分为三个部分：数据采集设备、数据传输设备、数据处理单元，惯性式动作捕捉系统即是将惯性传感器应用到数据采集端，数据处理单元通过惯性导航原理对采集到的数据进行处理，从而完成运动目标的姿态角度测量。

在运动物体的重要节点佩戴集成加速度计，陀螺仪和磁力计等惯性传感器设备，传感器设备捕捉目标物体的运动数据，包括身体部位的姿态、方位等信息，再将这些数据通过数据传输设备传输到数据处理设备中，经过数据修正、处理后，最终建立起三维模型，并使得三维模型随着运动物体真正、自然地运动起来。

经过处理后的动捕数据，可以应用在动画制作，步态分析，生物力学，人机工程等领域。

2.加速度计，陀螺仪和磁力计在惯性动作捕捉系统中的作用
加速计是用来检测传感器受到的加速度的大小和方向的，它通过测量组件在某个轴向的受力情况来得到结果，表现形式为轴向的加速度大小和方向（XYZ），但用来测量设备相对于地面的摆放姿势，则精确度不高，该缺陷可以通过陀螺仪得到补偿。

陀螺仪的工作原理是通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角，并计算角速度，通过夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态。

它的强项在于测量设备自身的旋转运动，但不能确定设备的方位。

而又刚好磁力计可以弥补这一缺陷，它的强项在于定位设备的方位，可以测量出当前设备与东南西北四个方向上的夹角。

在动作捕捉系统中，陀螺仪传感器用于处理旋转运动，加速计用来处理直线运动，磁力计用来处理方向。

通俗易懂地讲——陀螺仪知道“我们是否转了身”，加速计知道“我们运动多长距
离”，而磁力计则知道“我们的运动方向”。

在动作捕捉系统中三种传感器充分利用各自的特长，来跟踪目标物体的运动。

3.惯性动作捕捉技术的优势
3.1技术优势
惯性式动作捕捉系统采集到的信号量少，便于实时完成姿态跟踪任务，解算得到的姿态信息范围大、灵敏度高、动态性能好；对捕捉环境适应性高，不受光照、背景等外界环境干扰，并且克服了光学动捕系统摄像机监测区域受限的缺点；克服了VR设备常有的遮挡问题，可以准确实时地还原如下蹲、拥抱、扭打等动作。

此外，惯性式动作捕捉系统还可以实现多目标捕捉。

3.2使用便捷的优势
使用方便，设备小巧轻便，便于佩戴。

3.3成本优势
相比于光学动作捕捉成本低廉，使得其不但可以应用于影视、游戏等行业，也有利于推动VR设备更快地走进大众生活。

总的来说，惯性式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、医疗康复等领域都有着优异的表现。

3.4惯性式动作捕捉系统的劣势及解决
一般情况下惯性式动作捕捉系统采用MEMS三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计组成的惯性测量单元（IMU， Inertial Measurement Unit）来测量传感器的运动参数。

而由IMU所测得的传感器运动参数有严重噪声干扰，MEMS 器件又存在明显的零偏和漂移，惯性式动作捕捉系统无法长时间地对人体姿态进行精确的跟踪。

只有解决了这一个问题，才能使惯性式动作捕捉系统在VR行业充分发挥作用。

3.5针对惯性捕捉技术劣势的解决方案。