簡(jiǎn)介
運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是一種用于準(zhǔn)確測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體在三維空間運(yùn)動(dòng)狀況的高技術(shù)設(shè)備.它基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理，通過(guò)排布在空間中的數(shù)個(gè)視頻捕捉設(shè)備將運(yùn)動(dòng)物體（跟蹤器)的運(yùn)動(dòng)狀況以圖像的形式記錄下來(lái)，然后使用計(jì)算機(jī)對(duì)該圖象數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同時(shí)間計(jì)量單位上不同物體（跟蹤器）的空間坐標(biāo)（X,Y,Z)。

動(dòng)作捕捉設(shè)備
動(dòng)作捕捉設(shè)備一般由以下幾個(gè)部分組成:
a) 傳感器。所謂傳感器是固定在運(yùn)動(dòng)物體特定部位的跟蹤裝置，它將向Motion capture系統(tǒng)提供運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)的位置信息，一般會(huì)隨著捕捉的細(xì)致程度確定跟蹤器的數(shù)目。
b) 信號(hào)捕捉設(shè)備。這種設(shè)備會(huì)因Motion capture系統(tǒng)的類型不同而有所區(qū)別，它們負(fù)責(zé)位置信號(hào)的捕捉。對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一塊捕捉電信號(hào)的線路板，對(duì)于光學(xué)Motion capture系統(tǒng)則是高分辨率紅外攝像機(jī)。
c) 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。Motion capture系統(tǒng)，特別是需要實(shí)時(shí)效果的Motion capture系統(tǒng)需要將大量的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)從信號(hào)捕捉設(shè)備快速準(zhǔn)確地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，而數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備就是用來(lái)完成此項(xiàng)工作的。
d) 數(shù)據(jù)處理設(shè)備。經(jīng)過(guò)Motion capture系統(tǒng)捕捉到的數(shù)據(jù)需要修正、處理后還要有三維模型相結(jié)合才能完成相應(yīng)的工作，這就需要我們應(yīng)用數(shù)據(jù)處理軟件或硬件來(lái)完成此項(xiàng)工作。

技術(shù)分類
技術(shù)之一：機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉
機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉依靠機(jī)械裝置來(lái)跟蹤和測(cè)量運(yùn)動(dòng)軌跡。典型的系統(tǒng)由多個(gè)關(guān)節(jié)和剛性連桿組成，在可轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)中裝有角度傳感器，可以測(cè)得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化情況。裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)角度傳感器所測(cè)得的角度變化和連桿的長(zhǎng)度，可以得出桿件末端點(diǎn)在空間中的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。實(shí)際上，裝置上任何一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡都可以求出，剛性連桿也可以換成長(zhǎng)度可變的伸縮桿，用位移傳感器測(cè)量其長(zhǎng)度的變化。

機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉的一種應(yīng)用形式是將欲捕捉的運(yùn)動(dòng)物體與機(jī)械結(jié)構(gòu)相連，物體運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械裝置，從而被傳感器實(shí)時(shí)記錄下來(lái)。X-ist的FullBodyTracker是一種頗具代表性的機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉產(chǎn)品。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低，精度也較高，可以做到實(shí)時(shí)測(cè)量，還可容許多個(gè)角色同時(shí)表演。但其缺點(diǎn)也非常明顯，主要是使用起來(lái)非常不方便，機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)表演者的動(dòng)作阻礙和限制很大。而"猴子"較難用于連續(xù)動(dòng)作的實(shí)時(shí)捕捉，需要操作者不斷根據(jù)劇情要求調(diào)整"猴子"的姿勢(shì)，很麻煩，主要用于靜態(tài)造型捕捉和關(guān)鍵幀的確定。

技術(shù)之二：聲學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉
常用的聲學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉裝置由發(fā)送器、接收器和處理單元組成。發(fā)送器是一個(gè)固定的超聲波發(fā)生器，接收器一般由呈三角形排列的三個(gè)超聲探頭組成。通過(guò)測(cè)量聲波從發(fā)送器到接收器的時(shí)間或者相位差，系統(tǒng)可以計(jì)算并確定接收器的位置和方向。Logitech、SAC等公司都生產(chǎn)超聲波運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備。

這類裝置成本較低，但對(duì)運(yùn)動(dòng)的捕捉有較大延遲和滯后，實(shí)時(shí)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干擾較大。由于空氣中聲波的速度與氣壓、濕度、溫度有關(guān)，所以還必須在算法中做出相應(yīng)的補(bǔ)償。

技術(shù)之三：電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉
電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是目前比較常用的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備。一般由發(fā)射源、接收傳感器和數(shù)據(jù)處理單元組成。發(fā)射源在空間產(chǎn)生按一定時(shí)空規(guī)律分布的電磁場(chǎng)；接收傳感器（通常有10～20個(gè)）安置在表演者身體的關(guān)鍵位置，隨著表演者的動(dòng)作在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),通過(guò)電纜或無(wú)線方式與數(shù)據(jù)處理單元相連。

它的缺點(diǎn)在于對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格，在表演場(chǎng)地附近不能有金屬物品，否則會(huì)造成電磁場(chǎng)畸變，影響精度。系統(tǒng)的允許表演范圍比光學(xué)式要小，特別是電纜對(duì)表演者的活動(dòng)限制比較大，對(duì)于比較劇烈的運(yùn)動(dòng)和表演則不適用。

技術(shù)之四：光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉
光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉通過(guò)對(duì)目標(biāo)上特定光點(diǎn)的監(jiān)視和跟蹤來(lái)完成運(yùn)動(dòng)捕捉的任務(wù)。目前常見(jiàn)的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉大多基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理。從理論上說(shuō)，對(duì)于空間中的一個(gè)點(diǎn)，只要它能同時(shí)為兩部相機(jī)所見(jiàn)，則根據(jù)同一時(shí)刻兩部相機(jī)所拍攝的圖像和相機(jī)參數(shù)，可以確定這一時(shí)刻該點(diǎn)在空間中的位置。當(dāng)相機(jī)以足夠高的速率連續(xù)拍攝時(shí)，從圖像序列中就可以得到該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。 MotionAnalysis公司是該領(lǐng)域的佼佼者。

典型的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)通常使用6～8個(gè)相機(jī)環(huán)繞表演場(chǎng)地排列，這些相機(jī)的視野重疊區(qū)域就是表演者的動(dòng)作范圍。為了便于處理，通常要求表演者穿上單色的服裝，在身體的關(guān)鍵部位，如關(guān)節(jié)、髖部、肘、腕等位置貼上一些特制的標(biāo)志或發(fā)光點(diǎn)，稱為"Marker"，視覺(jué)系統(tǒng)將識(shí)別和處理這些標(biāo)志，如圖4所示。系統(tǒng)定標(biāo)后，相機(jī)連續(xù)拍攝表演者的動(dòng)作，并將圖像序列保存下來(lái)，然后再進(jìn)行分析和處理，識(shí)別其中的標(biāo)志點(diǎn)，并計(jì)算其在每一瞬間的空間位置，進(jìn)而得到其運(yùn)動(dòng)軌跡。為了得到準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)軌跡，相機(jī)應(yīng)有較高的拍攝速率，一般要達(dá)到每秒60幀以上。

如果在表演者的臉部表情關(guān)鍵點(diǎn)貼上Marker，則可以實(shí)現(xiàn)表情捕捉，如圖5所示。目前大部分表情捕捉都采用光學(xué)式。

有些光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)不依靠Marker作為識(shí)別標(biāo)志，例如根據(jù)目標(biāo)的側(cè)影來(lái)提取其運(yùn)動(dòng)信息，或者利用有網(wǎng)格的背景簡(jiǎn)化處理過(guò)程等。目前研究人員正在研究不依靠Marker，而應(yīng)用圖像識(shí)別、分析技術(shù)，由視覺(jué)系統(tǒng)直接識(shí)別表演者身體關(guān)鍵部位并測(cè)量其運(yùn)動(dòng)軌跡的技術(shù)，估計(jì)將很快投入實(shí)用。

光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉的優(yōu)點(diǎn)是表演者活動(dòng)范圍大，無(wú)電纜、機(jī)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(shù)高速運(yùn)動(dòng)測(cè)量的需要。Marker的價(jià)格便宜，便于擴(kuò)充。

這種方法的缺點(diǎn)是系統(tǒng)價(jià)格昂貴，雖然它可以捕捉實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，但后處理（包括Marker的識(shí)別、跟蹤、空間坐標(biāo)的計(jì)算）的工作量較大，對(duì)于表演場(chǎng)地的光照、反射情況有一定的要求，裝置定標(biāo)也較為煩瑣。特別是當(dāng)運(yùn)動(dòng)復(fù)雜時(shí)，不同部位的Marker有可能發(fā)生混淆、遮擋，產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)果，這時(shí)需要人工干預(yù)后處理過(guò)程。

主要代表品牌
Motion、IS-1200、ReActor2、Vicon Organic、A.R.T.等等。