人体姿态捕捉方法综述

人体姿态捕捉方法综述

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（大连理工大学软件学院，辽宁大连116600）

摘要：人体姿态捕捉技术在人机交互和虚拟现实等领域的重要性日益突出，为了满足人们对于高精确度、高效率的动作捕捉技术的需求，科学家从各个方面进行了创新性的尝试。文章介绍了动作捕捉技术发展历史，并给出了其概念和基本组成；并阐述了目前国内外发展现状；其次详细地对主流方案进行优缺点分析；然后结合现实，给出了常见应用领域；最后对动作捕捉技术面临难题进行总结并介绍了发展趋势。

关键词：动作捕捉；虚拟技术；人机交互；算法

Overview of Human gesture capture

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（Dalian university of technology College of Software，Liaoning Dalian 116600）Abstract：The human body gesture capture technology in human-computer interaction and virtual reality and other areas of importance is day by day prominent, in order to meet people for high accuracy, high efficiency of motion capture technology needs, scientists from all aspects of innovative attempt. This paper introduces the motion capture technology development history, and gives the concept and basic composition; And expounds the current situation of the development at home and abroad; Secondly detail schemes to mainstream advantages and disadvantages analysis; And then combining with reality, gives the common application fields; Finally, the motion capture technology difficulties was summarized and introduced the development trend.

Key words: Motion capture ；Virtual technology；Human-computer interaction；Algorithm

0.引言

动作捕捉(Motion Capture)，也称为Motion Tracking（动作追踪）或简称mocap，用于记录物体移动的过程并将其模拟到数字模型中。近年来，随着计算机数据采集和传感器技术的迅速发展，动作捕捉技术在游戏、娱乐、体育、军事、运动分析，舞蹈采集，虚拟现实等技术中得到了越来越深入的应用。

简单动作捕捉概念的先驱一般认为是美籍波兰人马克思费舍尔(Max Fleischer)1915 年发明的Rotoscope技术。该技术将实际拍摄出的动作影像作为动画描绘的底样，动画师以此为基础逐帧描绘出所需的动作。20 世纪70 年代，基于仪器的运动捕捉技术开始应用于动画制作领域，美国迪斯尼公司试图通过捕捉演员的动作以改进动画效果，纽约计算机图形技术实验室设计了一种光学装置，采用了类似Rotoscope技术的实现原理，将演员表演的动作姿势投影至屏幕，为后续的动画制作提供了有益的参考[1]。

20 世纪80 年代，通过电脑实现的针对人体运动捕捉的研究开始出现。美国Biomechanics 实验室、MIT等高校先后对此进行了研究。此后，运动捕捉技术逐渐被越来越多的研究人员和开发者所接受，并从试用研究逐步走向了现实中。进入20 世纪90 年代后，随着计算机软硬件技术的发展和人们对动画制作要求的提高，运动捕捉已经进入了实用阶段，有多家厂商相继推出了多种商品化的运动捕捉设备，如Motion-Analysis、Sega Interactive、Polhemus 、FilmBox、MAC等，其应用已远远超出了演示领域，并成功地用于考古、医学研究、虚拟现实、人体工程学研究、模拟训练、游戏等许多方面[2]。

动作捕捉技术本身是一门很复杂的技术，涉及测量、物理定位、空间定位等多种计算方法，以及数据与计算机之间的互通和处理。一般来讲，技术本身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[3]。

1.动作捕捉的基本概念及基本组成

1.1.动作捕捉的概念

1999年，A Menach将动作捕捉定义为“在一定空间范围内通过对特殊标记点的跟踪来记录捕捉对象运动信息，然后将其换算为可使用数学方式进行表达的运动的过程”。换一种说法就是，一个通过在时域上跟踪一些关键点的运动来记录生物运动，然后将其转换成可用的数学表达并合成一个单独的3D运动的过程。[4]从功能的角度说，动作捕捉技术是一种用来记录人体动作，并将其转换为数字模式的技术。从技术的角度来说, 运动捕捉的实质就是要测量、记录物体在三维空间中的运动轨迹。

在动作捕捉技术运用最普及的电影动画领域，其技术使用过程如下：首先它实时地检测、记录表演者的肢体在三维空间的运动轨迹, 捕获表演者的动作(包括方向信息), 然后转化为数字化的“抽象运动”, 以便动画软件将它“赋予”模型, 使模型做出和表演者一样的动作, 并生成最终的动画序列. 实际上, 运动捕捉的对象不仅仅是表演者的动作, 还可以包括物体的运动, 表演者的表情,以及相机、灯光的运动等[5].

此外, 运动捕捉技术在虚拟现实、三维游戏、人体生物工程学等许多方面都有重要的应用.

1.2.基本组成

动作捕捉技术主要是通过对物体在三维空间中的运动进行记录，通过其速度、位置等参数获取相关的物理信息，进而进行运动轨迹的模拟。不同公司的动作捕捉设备有相