动作捕捉的发展及应用

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这类装置成本较低，但对运动的捕捉有较大延迟和滞后，实时性 较差，精度一般不很高，声源和接收器间不能有大的遮挡物体，受噪 声和多次反射等干扰较大。由于空气中声波的速度与气压、湿度、温 度有关，所以还必须在算法中做出相应的补偿。
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三、电磁式运动捕捉 电磁式运动捕捉系统是比较常用的运动捕捉设备。一般由发射源、
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2001年北京国际电视周十八日至二十二日在中国建筑文化中心举 办，从德国引进的机械式运动捕捉系统数主要应用于影视制作、互联 网络、电脑游戏等领域，图为十九日模特正在进行实时运动表演。
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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，装置上任何一点的运动 轨迹都可以求出，刚性连杆也可以换成长度可变的伸缩杆，用位移 传感器测量其长度的变化。
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（通常有10～20个）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,通过电缆或无线方式与数据 处理单元相连。
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表演者在电磁场内表演时，接收传感器将接收到的信号通过电缆传 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。 目前这类系统的采样速率一般为每秒15～120次（依赖于模型和传感器 的数量），为了消除抖动和干扰，采样速率一般在15Hz以下。对于一些 高速运动，如拳击、篮球比赛等，该采样速度还不能满足要求。
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机械式有一个很大的缺陷，就是依靠电位计的系统不能测量空间 的位移。在大多数情况下，加入电磁式的感应器可以解决这个问题， 但是作为电磁式的系统同样也有一些问题，比如说对附近的金属的感 应，主要是跟感应源相近的材料。
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机械式捕捉优点：
捕捉范围非常大。 成本低，便宜。 精确度相对较高。 可以做到实时数据测量。 数据的捕捉相对简单。 感应器不会闭塞。 可以对多个演员进行同时捕捉。
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如果在表演者的脸部表情关键点贴上Marker，则可以实现表情捕 捉，如图所示。目前大部分表情捕捉都采用光学式。
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有些光学运动捕捉系统不依靠Marker作为识别标志，例如根据目标的侧影来 提取其运动信息，或者利用有网格的背景简化处理过程等。目前研究人员正在研 究不依靠Marker，而应用图像识别、分析技术，由视觉系统直接识别表演者身体 关键部位并测量其运动轨迹的技术，估计将很快投入实用。
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机械式捕捉缺点： 硬件笨重、使用起来非常不方便。 系统样本速率很低。 系统对人体骨骼有制约。 较难用于连续动作的实时捕捉。
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二：声学式运动捕捉 常用的声学式运动捕捉装置由发送器、接收器和处理单元组成。
发送器是一个固定的超声波发生器，接收器一般由呈三角形排列的三 个超声探头组成。通过测量声波从发送器到接收器的时间或者相位差， 来计算并确定接收器的位置和方向。
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早期的一种机械式运动捕捉装置是用带角度传感器的关节和连杆构成 一个"可调姿态的数字模型"，其形状可以模拟人体，也可以模拟其他动物 或物体。使用者可根据剧情的需要调整模型的姿态，然后锁定。角度传感 器测量并记录关节的转动角度，依据这些角度和模型的机械尺寸，可计算 出模型的姿态，并将这些姿态数据传给动画软件，使其中的角色模型也做 出一样的姿态。这是一种较早出现的运动捕捉装置，但直到现在仍有一定 的市场。国外给这种装置起了个很形象的名字："猴子"。
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电磁式运动捕捉的优点首先在于它记录的是六维信息，即不仅能得 到空间位置，还能得到方向信息，这一点对某些特殊的应用场合很有价 值。其次是速度快，实时性好，表演者表演时，动画系统中的角色模型 可以同时反应，便于排演、调整和修改。装置的定标比较简单，技术较 成熟，成本相对低廉。
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它的缺点在于Biblioteka Baidu环境要求严格，在表演场地附近不能有金属物品， 否则会造成电磁场畸变，影响精度。系统的允许表演范围比光学式要小， 特别是电缆对表演者的活动限制比较大，对于比较剧烈的运动和表演则 不适用。
第一章 动作捕捉的发展及应用
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1.1动作捕捉技术介绍
动作捕捉技术已经进入了实用化阶段，其应用领域也远远超出了动 画制作，并在虚拟现实、游戏、人体工程学研究、模拟训练、生物力学 研究等许多领域有广阔的应用前景。
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军事领域
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1.2动作捕捉系统的类型介绍
到目前为止，常用的动作捕捉技术从原理上说可分为机械式、声学式、 电磁式和光学式。不同原理的设备各有其优缺点，其中光学式动作捕捉技 术目前是最为先进的，一般可从以下几个方面进行评价：
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四、光学式运动捕捉 光学式运动捕捉通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动
捕捉的任务。目前常见的光学式运动捕捉大多基于计算机视觉原理。 从理论上说，对于空间中的一个点，只要它能同时为两部相机所见， 则根据同一时刻两部相机所拍摄的图像和相机参数，可以确定这一时 刻该点在空间中的位置。当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像 序列中就可以得到该点的运动轨迹。
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典型的光学式运动捕捉系统通常使用6～8个相机环绕表演场地排列， 这些相机的视野重叠区域就是表演者的动作范围。为了便于处理，通常要 求表演者穿上单色的服装，在身体的关键部位，如关节、髋部、肘、腕等 位置贴上一些特制的标志或发光点，称为"Marker"，视觉系统将识别和 处理这些标志。系统定标后，相机连续拍摄表演者的动作，并将图像序列 保存下来，然后再进行分析和处理，识别其中的标志点，并计算其在每一 瞬间的空间位置，进而得到其运动轨迹。为了得到准确的运动轨迹，相机 应有较高的拍摄速率，一般要达到每秒60帧以上。
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定位精度； 实时性； 使用方便程度； 可捕捉运动范围大小； 成本； 抗干扰性； 多目标捕捉能力。
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1.3动作捕捉系统的分类比较
一：机械式运动捕捉 （Electromechanical Suits） 机械式运动捕捉依靠机械装置来跟踪和测量运动轨迹。装置是放置
在人体主要关节处的电位计或者类似量角仪的仪器构成的一套设备，它 是由人体的运动来驱动的。