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                動作捕捉技術

                By 1905電影網2014 . 07 . 24 動作捕捉動作捕捉技術

                動作捕捉技術

                動作捕捉是指記錄並處理人或其他物體動作的技術。它廣泛應用於軍事,娛樂,體育,醫療應用,電腦視覺以及機器人技術等諸多領域。在電影制作和電子遊戲開發領域,它通常是記錄人類演員的動作,並將其轉換為數位模型的動作,並生成二維或三維的電腦動畫。

                1.簡介

                  動作捕捉(motion capture,簡稱Mocap)是指記錄並處理人或其他物體動作的技術。它廣泛應用於軍事,娛樂,體育,醫療應用,電腦視覺以及機器人技術等諸多領域。在電影制作和電子遊戲開發領域,它通常是記錄人類演員的動作,並將其轉換為數位模型的動作,並生成二維或三維的電腦動畫。當它捕捉面部或手指的細微動作時,它通常被稱為效能捕捉(performance capture)。在許多領域,動作捕捉有時也被稱為運動跟蹤(motion tracking),但在澳门皇冠和遊戲開發領域,運動跟蹤通常是指匹配移動(match moving)。


                《猩球崛起2:黎明之戰》(Dawn of the Planet of the Apes)工作照《猩球崛起2:黎明之戰》(Dawn of the Planet of the Apes)工作照


                  動作捕捉技術涉及尺寸測量、物理空間裏物體的定位及方位測定等方面可以由計算機直接理解處理的數據。在運動物體的關鍵部位設置跟蹤器,由Motion capture系統捕捉跟蹤器位置,再經過計算機處理後得到三維空間坐標的數據。


                2.分類

                  從應用角度來看,表演動畫系統主要有表情捕捉和身體運動捕捉█兩類;從實時性來看,可分為實時捕捉系統和非實時捕捉系統兩種。

                  到目前為止,常用的運動捕捉技術從原理上說可分為機械式、聲學式、電磁式和光學式。同時,不依賴於專用傳感器,而直接識別人體特征的運動捕捉技術也將很快走向實用。不同原理的設備各有其優缺點,一般可從以下幾個方面進行評價:定位精度;實時性;使用方便程度;可捕捉運動範圍大小;成本;抗幹擾性;多目標捕捉能力。


                3.歷史

                  用於▓動畫制作的運動捕捉技術的出現可以追溯到 20 世紀 70 年代,迪斯尼公司曾試圖通過捕捉演員的動作以改進動畫制作效果。當計算機技術剛開始應用於動畫制作時,紐約計算機圖形技術實驗室的 Rebecca Allen 就設計了一種光學裝置,將演員的表演姿勢投射在計算機屏幕上,作為動畫制作的參考。之後從 20 世紀 80 年代開始,美國 Biomechanics 實驗室、 Simon Fraser 大學、麻省理工學院等開展了計算機人體運動捕捉的研究。此後,運動捕捉技術吸引了越來越多的研究人員和開發商的目光,並從試用性研究逐步走向了實用化。 1988 年, SGI 公司開發了可捕捉人頭部運動和表情的系統。隨著計算機軟硬件技術的飛速發展和動畫制作要求的提高,目前在發達國家,運動捕捉已經進入了實用化階段,有多家廠商相繼推出了多種商品化的運動捕捉設備,如 MotionAnalysis 、 Polhemus 、 Sega Interactive 、 MAC 、 X-Ist 、 FilmBox 等,其應用領域也遠遠超出了表演動畫,並成功地用於虛擬現實、遊戲、人體工程學研究、模擬訓練、生物力學研究等許多方面。


                4.捕捉技術設備

                  從技術的角度來說,運動捕捉的實質就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運動軌跡。典型的運動捕捉設備一般由以下幾個部分組成:

                  · 傳感器。所謂傳感器是固定在運動物體特定部位的跟蹤裝置,它將向 Motion capture 系統提供運動物體運動的位置信息,一般會隨著捕捉的細致程度確定跟蹤器的數目。

                  · 信號捕捉設備。這種設備會因 Motion capture 系統的類型不同而有所區別,它們負責位置信號的捕捉。對於機械系統來說是一塊捕捉電信號的線路板,對於光學 Motion capture 系統則是高分辨率紅外攝像機。


                《丁丁歷險記》(The Adventures of Tintin: The Secret of the Unicorn )工作照《丁丁歷險記》(The Adventures of Tintin: The Secret of the Unicorn )工作照


                  · 數據傳輸設備。 Motion capture 系統,特別是需要實時效果的 Motion capture 系統需要將大量的運動數據從信號捕捉設備快速準確地傳輸到計算機系統進行處理,而數據傳輸設備就是用來完成此項工作的。

                  · 數據處理設備。經過 Motion capture 系統捕捉到的數據需要修正、處理後還要有三維模型向結合才能完成計算機動畫制作的工作,這就需要我們應用數據處理軟件或硬件來完成此項工作。軟件也好硬件也罷它們都是借助計算機對數據高速的運算能力來完成數據的處理,使三維模型真正、自然地運動起來。


                5.捕捉技術分類

                機械式

                  機械式運動捕捉依靠機械裝置來跟蹤和測量運動軌跡。典型的系統由多個關節和剛性連桿組成,在可轉動的關節中裝有角度傳感器,可以測得關節轉動角度的變化情況。裝置運動時,根據角度傳感器所測得的角度變化和連桿的長度,可以得出桿件末端點在空間中的位置和運動軌跡。實際上,裝置上任何一點的運動軌跡都可以求出,剛性連桿也可以換成長度可變的伸縮桿,用位移傳感器測量█其長度的變化。


                  早期的一種機械式運動捕捉裝置是用帶角度傳感器的關節和連桿構成一個 " 可調姿態的數字模型 " ,其形狀可以模擬人體,也可以模擬其他動物或物體。使用者可根據劇情的需要調整模型的姿態,然後鎖定。角度傳感器測量並記錄關節的轉動角度,依據這些角度和模型的機械尺寸,可計算出模型的姿態,並將這些姿態數據傳給動畫軟件,使其中的角色模型也做出一樣的姿態。這是一種較早出現的運動捕捉裝置▓,但直到現在仍有█一定的市場。國外給這種裝置起了個很形象的名字: " 猴子 " 。


                  機械式運動捕捉的一種應用形式是將欲捕捉的運動物體與機械結構相連,物體運動帶動機械裝置,從而被傳感器實時記錄下來。 X-Ist 的 FullBodyTracker 是一種頗具代表性的機械式運動捕捉產品。

                  這種方法的優點是成本低,精度也較高,可以做到實時測量,還可容許多個角色同時表演。但其缺點也非常明顯,主要是使用起來非常不方便,機械結構對表演者的動作阻礙和限制很大。而 " 猴子 " 較難用於連續動作的實時捕捉,需要操作者不斷根據劇情要求調整 " 猴子 " 的姿勢,很麻煩,主要用於靜態造型捕捉和關鍵幀的確定。


                聲學式

                  常用的聲學式運動捕捉裝置由發送器、接收器和處理單元組成。發送器是一個固定的超聲波發生器,接收器一般由呈三角形排列的三個超聲探頭組成。通過測量聲波從發送器到接收器的時間或者相位差,系統可以計算並確定接收器的位置和方向。 Logitech 、 SAC 等公司都生產超聲波運動捕捉設備。

                  這類裝置成本較低,但對運動的捕捉有較大延遲和滯後,實時性較差,精度一般不很高,聲源和接收器間不能有大的遮擋物體,受噪聲和多次反射等幹擾較大。由於空氣中聲波的速度與氣壓、濕度、溫度有關,所以還必須在算法中做出相應的補償。


                電磁式

                  電磁式運動捕捉系統是目前比較常用的運動捕捉設備。一般由發射源、接收傳感器和數據處理單元組成。發射源在空間產生█按一定時空規律分布的電磁場;接收傳感器(通常有 10 ~ 20 個)安置在表演者身體的關鍵位置,隨著表演者的動作在電磁場中運動 , 通過電纜或無線方式與數據處理單元相連。


                電磁式運動捕捉系統示意圖電磁式運動捕捉系統示意圖


                  表演者在電磁場內表演時,接收傳感器將接收到的信號通過電纜傳送給處理單元,根據這些信號可以解算出每個傳感器的空間位置和方向。 Polhemus 公司和 Ascension 公司均以生產電磁式運動捕捉設備而著稱。目前這類系統的采樣速率一般為每秒 15 ~ 120 次(依賴於模型和傳感器的數量),為了消除抖動和幹擾,采樣速率一般在 15Hz 以下。對於一些高速運動,如拳擊、籃球比賽等,該采樣速度還不能滿足要求。電磁式運動捕捉的優點首先在於它記錄的是六維信息,即不僅能得到空間位置,還能得到方向信息,這一點對某些特殊的應用場合很有價值。其次是速度快,實時性好,表演者表演時,動畫系統中的角▓色模型可以同時反應,便於排演、調整和修改。裝置的定標比較簡單,技術較成熟,魯棒性好,成本相對低廉。


                  它的缺點在於對環境要求嚴格,在表演場地附近▓不能有金屬物品,否則會造成電磁場畸變,影響精度。系統的允許表演範圍比光學式要小,特別是電纜對表演者的活動限制比較大,對於比較劇烈的運動和表演則不適用。


                光學式

                  光學式運動捕捉通過對目標上特定光點的監視和跟蹤來完成運動捕捉的任務。目前常見的光學式運動捕捉大多基於計算機視覺原理。從理論上說,對於空間中的一個點,只要它能同時為兩部相機所見,則根據同一時█刻兩部相機所拍攝的圖像和相機參數,可以確定這一時刻該點在空間中的位置。當相機以足夠高的速率連續拍攝時,從圖像序列中就可以得到該點的運動軌跡。


                  市面上的光學運動捕捉產品主要分為主動式和被動式兩種標誌點,其主要性能也各具特點的:

                  采取主動Marker有系統提供Marker發光的電源和控制Marker的發光頻率,發射的紅外光源。


                  被動的Marker則需要系統提供紅外的光源,以其表面的發光材料發射紅外光源。

                  無論是被動的還是主動的Marker光源,由系統的Sensor或者Camera捕捉,數據交與系統記錄和實時跟蹤定位。


                  MotionAnalysis 公司是該領域的佼佼者。典型的光學式運動捕捉系統通常使用 6 ~ 8 個相機環繞▓表演場地排列,這些相機的視野重疊區域就是表演者的動作範圍。為了便於處理,通常要求表演者穿上單色的服裝,在身體的關鍵部位,如關節、髖部、肘、腕等位置貼上一些特制的標誌或發光點,稱為 "Marker" ,視覺系統將識別和處理這些標誌,如圖 4 所示。系統定標後,相機連續拍攝表演者█的動作,並將圖像序列保存下來,然後再進行分析和處理,識別其中的標誌點,並計算其在每一瞬間的空間位置,進而得到其運動軌跡。為了得到準確的運動軌跡,相機應有較高的拍攝速率,一般要達到每秒 60 幀以上。


                《阿凡達》(Avatar)工作照,影片采用表情捕捉技術。《阿凡達》(Avatar)工作照,影片采用表情捕捉技術。


                  如果在表演者的臉部表情關鍵點貼上Marker,則可以實現表情捕捉。目前大部分表情捕捉都采用光學式。

                  有些光學運動捕捉系統不依靠 Marker 作為識別標誌,例如根據目標的側影來提取其運動信息,或者利用有網格的背景簡化處理過程等。目前研究人員正在研究不依靠 Marker,而應用圖像識別、分析技術,由視覺系統直接識別表演者身體關鍵部位並測量其運動軌跡的技術,估計將很快投入實用。


                  光學式運動捕捉的優點是表演者活動範圍大,無電纜、機械裝置的限制,表演者可以自由地表演,使用很方便。其采樣速率較高,可以滿足多數高速運動測量的需要。 Marker的價格便宜,便於擴充。

                  這種方法的缺點是系統價格昂貴,雖然它可以捕捉實時運動,但後處理(包括Marker 的識別、跟蹤、空間坐標的計算)的工作量較大,相對適合科研類相關應用。


                慣性導航式

                  通過慣性導航傳感器AHRS(航姿參考系統)、IMU(慣性測量單元)測量表演者運動加速度、方位、傾斜角等特性。不受環境幹擾影響,不怕遮擋。捕捉精確度高,采樣速度高,達到每秒1000次或更高。由於采用高集成芯片、模塊,體積小、尺寸小,重量輕,性價比高。慣導傳感器佩戴在表演者頭上,或通過17個傳感器組成數據服穿戴,通過USB線、藍牙、2.4Gzh DSSS無線等與主機相聯,分別可以跟蹤頭部、全身動作,實時顯示完整的動作。


                6.應用

                  將運動捕捉技術用於動畫制作,可極大地提高動畫制作的水平。它極大地提高了動畫制作的效率,降低了成本,而且使動畫制作過程更為直觀,效果更為生動。隨著技術的進一步成熟,表演動畫技術將會得到越來越廣泛的應用,而運動捕捉技術作為表演動畫系統不可缺少的、最關鍵的部分,必然顯示出更加重要的地位。

                  運動捕捉技術不僅是表演動畫中的關鍵環節,在其他領域也有非常廣泛的應用前景。


                  提供新的人機交互手段 表情和動作是人類情緒、願望的重要表達形式,運動捕捉技術完成了將表情和動作數字化的工作,提供了新的人機交互手段,比傳統的鍵盤、鼠標更直接方便,不僅可以實現 " 三維鼠標" 和 " 手勢識別 " ,還使操作者能以自然的動作和表情直接控制計算機,並為最終實現可以理解人類表情、動作的計算機系統和機器人提供了技術基礎。


                  虛擬現實系統為實現人與虛擬環境及系統的交互,必須確定▓參與者的頭部、手、身體等的位置與方向,準確地跟蹤測量參與者的動作,將這些動作實時檢測出來,以便將這些數據反饋給顯示和控制系統。這些工作對虛擬現實系統是必不可少的,這也正是運動捕捉技術的研究內容。


                  機器人遙控 機器人將危險環境的信息傳送給控制者,控制者根據信息做出各種動作,運動捕捉系統將動作捕捉下來,實時傳送給機器人並控制其完成同樣的動作。與傳統的遙控方式相比,這種系統可以實現更為直觀、細致、復雜、靈活而快速的動作控制,大大提高機器人應付復雜情況的能力。在當前機器人全自主控制尚未成熟的情況下,這一技術有著特別重要的意義。


                互動式遊戲越來越多的使用動作捕捉技術互動式遊戲越來越多的使用動作捕捉技術


                  互動式遊戲 可利用運動捕捉技術捕捉遊戲者的各種動作,用以驅動遊戲環境中角色的動作,給遊戲者以一種全新的參與感受,加強遊戲的真實感和互動性。

                  體育訓練運動捕捉技術可以捕捉運動員的動作,便於進行量化分析,結合人體生理學、物理學原理,研究改進的方法,使體育訓練擺脫純粹的依靠經驗的狀態,進入理論化、數字化的時代。還可以把成績差的運動員的動作捕捉下來,將其與優秀運動員的動作進行對比分析,從而幫助其訓練。


                  另外,在人體工程學研究、模擬訓練、生物力學研究等領域,運動捕捉技術同樣大有可為。

                  可以預計,隨著技術本身的發展和相關應用領域技術水平的提高,運動捕捉技術將會得到越來越廣泛的應用。


                  目前,光學式運動捕捉主要分成兩類:主動式運動捕捉技術和被動式運動捕捉技術。他們的工作原理都是一樣的,不同的地方就是:被動式運動捕捉系統所使用的跟蹤器是一些特制的小球,在它的表面塗了一層反光能力很強的物質,在攝像機的捕捉狀態下,它會顯得格外的明亮,使攝像機很容易捕捉到它的運動軌跡。


                  主動式的運動捕捉系統所采用的跟蹤點是本身可以發光的二極管,它無須輔助發光設施,但是需要能源供給。即被捕捉對象身上除了發光二極管之外,還需要一個控制儀器,作用是給二極管供電並編號。

                  被動式捕捉的攝像機在鏡頭的周圍是一些會發光的二極管,Marker正是把這些二極管所發出的光反射回到鏡頭裏,在每幀圖像中形成一個個亮點。這樣才使系統有“跡”可尋。主動式捕捉所需要的攝像機則不用本身帶有發光的功能。


                  這兩種設計原理各有優劣。

                  1.對場地的要求:因為被動式靠反射光,場地內如果有其他光滑的金屬表面、玻璃、水面等可以反光的介質,則會對系統幹擾,捕捉下來的數據內需要大量時間做後處理分析以去掉幹擾點。主動光學的攝像頭只針對二極管發出來的特定頻率可見光識別,不易受到幹擾,不受場地限制。


                  2.捕捉對象:對於人體動作的捕捉,主動式的優勢在於系統對各個發光點有唯一性的編號,即使光點遮蓋也不會造成誤讀或丟失(例如手臂交叉動作、跑步等),而被動式的反光點沒有編號,遮擋後系統會產生誤判。對於機械結構的捕捉,主動式因為需要在各個二極管之間布線,如果機械結構有旋轉等動作,可能會鉸斷線纜。

                  3.特殊場地:如果有水下動作捕捉,則目前了解到只有PHASESHACE的藍光主動光學動作捕捉系統可以做到。


                7.動作捕捉技術對比

                  上世紀七、八十年代,動作捕捉開始是作為生物力學研究中的攝影圖像分析工具,隨著技術的日漸成熟,該技術開始拓展到教育、訓練、運動、電腦動畫、電視、電影、視頻遊戲等領域。使用者在各個關節處配備有標記點(Marker),通過標記點間位置和角度的變化來識別動作。

                  目前,動作捕捉系統有機械鏈接、磁傳感器、光傳感器、聲傳感器和慣性傳感器。每種技術各有優點,但不論何種技術,用戶都會受到某些限制。


                《忍者神龜》Teenage Mutant Ninja Turtles)工作照《忍者神龜》Teenage Mutant Ninja Turtles)工作照


                  ● 光學式使用光學感知來確定對象的實時位置和方向。光學式設備主要包括感光設備(接收器)、光源(發射器)以及用於信號處理的控制器。感光設備多種多樣,例如普通攝像機、光敏二極管等。光源可以是環境光,也可以是結構光。為了防止可見光的幹擾,通常采用紅外線、激光等作為光源。由於光的傳█播速度很快,因此光學式設備最顯著的優點是速度快、具有較高的更新率和較低的延遲,較適合實時性強的場合,在小範圍內工作效果好。紅外被動光學式動捕工作原理:多個相機組成的捕捉空間,相機上的近紅外LED照射目標物上的反射標記點(上圖中周圍的一圈光源就是近紅外光源),相機對標記點進行紅外成像,提取標記點的二維信息,通過多個相機對同一標記點反饋的空間數據,計算出Marker點的三維位置信息,動捕█系統將完成對表演者的動作連續拍攝、圖像存儲、分析、處理,完成對運動軌跡的實時記錄。


                  ● 慣性式通過盲推得出被跟蹤物體的位置,也就是說完全通過運動系統內部的推算。優點是不存在發射源、不怕遮擋、沒有外界幹擾,有無限大的工作空間。缺點是快速積累誤差。


                  ● 機械式是比較古老的跟蹤方式,使用連桿裝置組成。是價格比較便宜、精確度較高和響應時間短的系統。它可以測量物體整個身體運動,沒有延遲,而且不受聲、光、電磁波等外界幹擾。另外,它能夠與力反饋裝置組合在一起。缺點是比較笨重,不靈活,而且有慣性。由於機械連接的限制,其工作空間也受到一定的限制,而且工作空間中還有一塊中心地帶是不能進入的,俗稱機械系統死角,使機械設備不能進入。


                  ● 電磁式利用磁場的強度進行位置和方位跟蹤。一般包括發射器、接收器、接口和計算機。優點是不存在遮擋問題,接收器與發射器之間允許有其他物體,也就允許用戶走動。相對於其他運動捕捉設備,它的價格較低、精度適中、采樣率高(可達120次/秒)、工作範圍大(可達60m),允許多個磁跟蹤器跟蹤整個身體運動,並且增加了跟蹤運動的範圍。缺點是易受電子設備、鐵磁場材料的幹擾,可能導致磁場變形引起誤差。測量距離加大時誤差增加,時間延遲交大(33ms),有小的抖動。


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