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动作捕捉技术（动作捕捉技术原理）

发布时间：2023-04-24 10:36:49 稿源：创意岭阅读： 125

大家好！今天让创意岭的小编来大家介绍下关于动作捕捉技术的问题，以下是小编对此问题的归纳整理，让我们一起来看看吧。

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本文目录:

动作捕捉 Motion Capture (Mocap)
动作捕捉的介绍
什么是动作捕捉
动作捕捉技术是什么原理
动作捕捉是什么？

动作捕捉技术（动作捕捉技术原理）

动作捕捉 Motion Capture (Mocap)

动作捕捉技术是一种记录并处理人或其他物体在三维空间中的动作的技术。动作捕捉技术的历史可以追溯到20世纪初，当时一些科学家和艺术家开始使用摄影机来记录人或动物的运动。随着计算机图形学和传感器技术的发展，动作捕捉技术逐渐成为电影、游戏、虚拟现实等领域中创造逼真角色和场景的重要手段。动作捕捉技术的原理主要是利用外部设备来对人体结构或其他物体的位移进行数据记录和姿态还原，这些设备可以分为光学、惯性、机械等不同类型，它们各有优缺点和适用范围。动作捕捉技术的应用非常广泛，除了娱乐领域外，还可以用于医疗、教育、军事、运动等方面，例如分析人体姿势、诊断疾病、模拟训练、提高运动表现等。动作捕捉技术的发展趋势是向更高精度、更低成本、更易操作和更多样化方向发展，例如利用深度学习等人工智能方法来优化数据处理和生成效果，或者利用智能手机等移动设备来实现便携式和低成本的动作捕捉。

动作捕捉的介绍

动作捕捉字面意思可以直观地理解为通过各种技术手段记录被观察对象（人或物，或是动物）的动作，并做有效的处理。从专业角度来看，动作捕捉是一项能够实时地准确测量、记录运动物体在实际三维空间中的各类运动轨迹和姿态，并在虚拟三维空间中重构这个物体每个时刻运动状态的高新技术。

既然是一项技术，那么总是有各类不同方式实现这项技术的。动作捕捉技术现阶段可以分为以下几种：光学式，惯性式，机械式，声学式，电磁式。

光学式动作捕捉，顾名思义，是通过光学原理来完场物体的捕捉和定位的。是通过光学镜头捕捉固定在人体或是物体上面的marker的位置信息来完成动作姿态捕捉。光学式动作捕捉依靠一整套精密而复杂的光学摄像头来实现，它通过计算机视觉原理，由多个高速摄像机从不同角度对目标特征点进行跟踪来完成全身的动作的捕捉。光学动作捕捉可分为被动式和主动式两种。这个分类是从marker来区别的。主动式是指marker是主动发光甚至可以自带ID编码的，这样镜头在视野中可以通过marker自身发光来观测它，并记录捕捉到其的运动轨迹。而被动式光学动作捕捉是通过镜头本身自带的灯板发出特定波长的红外光，照射到marker上，marker是通过特殊反光处理，可以反射镜头灯板发出的红外光，这样镜头就能在视野里捕捉记录该marker的运动轨迹。

惯性动作捕捉则是采用惯性导航传感器AHRS(航姿参考系统)、IMU(惯性测量单元)测量被捕捉者或物体的运动加速度、方位、倾斜角等特性。惯性动作捕捉需要各类无线控件，电池组，传感器等一些配件。类似一个整装衣服穿在身上，通过各个部位的传感器来捕捉人体或物体的数据。

目前主流的动作捕捉技术是惯性动作捕捉与光学动作捕捉。光学动作捕捉中，由于主动式marker需要供电，在固定marker时需要的配件和线路会影响使用，所以现在主流使用的光学动作捕捉几乎为被动式光学动捕。与被动式光学动作捕捉亚毫米级的精度相比，惯性动作捕捉的误差随着时间而累积，精度上不如被动式光学动作捕捉；在使用环境上，由于惯性动作捕捉的传感器长时间暴露在磁场中可能会造成传感器磁化，所以在使用时要远离磁场（包括但不限于电脑、键盘、电视等）。在自动化控制、运动分析、步态分析、虚拟现实、人机工效、影视动画等领域，被动式光学动作捕捉往往更具优势。考虑到惯性动作捕捉相对被动式光学动作捕捉具有的价格优势，在一些对精度要求不那么高的领域（如部分电影电视中的人群的动作捕捉），往往会选用惯性动作捕捉。

什么是动作捕捉

关于动作捕捉

什么是动作捕捉？动作捕捉技术的历史可以追溯到20世纪初，当时⼀些科学家和艺术家开始使⽤摄影机来记录⼈或动物的运动。例如，法国科学家⻢雷（Étienne-Jules Marey）和美国发明家迈布⾥奇（Eadweard Muybridge）分别⽤摄影机拍摄了⻦类⻜⾏和⻢匹奔跑的连续画⾯，并将其转化为运动图像。这些早期的实验为后来的电影制作和计算机图形学奠定了基础。随着计算机图形学和传感器技术的发展，动作捕捉技术逐渐成为电影、游戏、虚拟现实等领域中创造逼真⾓⾊和场景的重要⼿段。动作捕捉技术最初主要⽤于军事训练和航空仿真等⽅⾯，后来逐渐被引⼊娱乐产业。 1985年⽇本公司纳⽊⼯业NAMCO）开发了第⼀个商业化的光学动作捕捉系统VICON ，它可以通过附在演员⾝上的反光标记来追踪他们在三维空间中的位置，并将其转换为数字模型。

动作捕捉生成虚拟人物

动作捕捉技术在电影领域中得到了⼴泛应⽤，尤其是在创造奇幻或科幻题材的⾓⾊时具有很⼤优势.例如：

1999年美国电影《⿊客帝国》（The Matrix）使⽤了⼀种称为⼦弹时间（bullet time）的特效，它可以通过多台摄像机同时拍摄同⼀个场景，然后在计算机中合成出⼀种仿佛时间停⽌或缓慢流动的效果。这种特效需要⽤到动作捕捉技术来记录演员的运动，并将其与CGI背景和物体相结合。

2001年美国电影《魔戒》（The Lord of the Rings）系列中的咕噜（Gollum）⾓⾊是由英国演员安迪·瑟⾦斯（Andy Serkis）通过动作捕捉技术来表演的。他不仅负责了咕噜的⾝体动作，还负责了他的⾯部表情和声⾳。这是第⼀次将动作捕捉技术⽤于表演捕捉（performance capture），也是第⼀次将动作捕捉技术⽤于创造⼀个完全由 CGI⽣成的⾓⾊。

2009年美国导演詹姆斯·卡梅隆（James Cameron）执导了⼀部名为《阿凡达》（Avatar）的科幻电影，它是当时最昂贵和最卖座的电影之⼀。这部电影使⽤了先进的光学动作捕捉系统，可以在任何光照条件下⼯作，并且可以实时显⽰数字模型在虚拟环境中的运动。这部电影也使⽤了表演捕捉技术来创造出外星⼈纳美族（Na'vi）和其他⽣物。

动作捕捉技术的原理

动作捕捉技术的原理主要是利⽤外部设备来对⼈体结构或其他物体的位移进⾏数据记录和姿态还原，这些设备可以分为光学、惯性、机械等不同类型，它们各有优缺点和适⽤范围。

光学动作捕捉设备

光学动作捕捉系统是最常⽤的⼀种动作捕捉设备，它主要由多台摄像机和附在演员⾝上的反光标记或发光⼆极管（LED）组成。摄像机可以从不同⾓度拍摄演员的运动，并通过计算机软件来识别和跟踪标记在三维空间中的位置。这种系统可以提供⾼精度和⾼帧率的数据，但也有⼀些缺点，例如需要⼤量的摄像机和标记，需要专业的⼯作⼈员和设备调整，以及容易受到环境光线和遮挡等因素的影响。

惯性动作捕捉系统是另⼀种常⽤的动作捕捉设备，它主要由附在演员⾝上的传感器组成。传感器可以测量演员⾝体各部分的加速度、⾓速度和磁场等物理量，并通过⽆线信号发送给计算机软件来计算出三维空间中的位置和姿态。这种系统可以在任何环境下⼯作，不受光线和遮挡等因素的影响，⽽且⽐较便携和低成本。但是，这种系统也有⼀些缺点，例如需要对传感器进⾏校准和同步，以及容易受到重⼒、温度、磁场等因素的⼲扰。

机械动作捕捉系统是⼀种较早出现的动作捕捉设备，它主要由连接在演员⾝上的杆件、关节和电位器组成。电位器可以测量杆件和关节之间的相对⾓度，并通过有线信号发送给计算机软件来计算出三维空间中的位置和姿态。这种系统可以提供稳定且不受⼲扰的数据，但也有⼀些缺点，例如需要穿戴笨重和复杂的设备，限制了演员的⾃由度和舒适度，以及容易受到电缆和接触点等因素的磨损。

动作捕捉技术的应⽤

动作捕捉技术的应⽤⾮常⼴泛，除了娱乐领域外，还可以⽤于医疗、教育、军事、运动等⽅⾯，例如分析⼈体姿势、诊断疾病、模拟训练、提⾼运动表现等。以下是⼀些具体的例⼦：

在医疗领域，动作捕捉技术可以⽤于评估和治疗各种神经肌⾁系统⽅⾯的疾病或障碍，例如帕⾦森⽒症（Parkinson's disease）、中⻛（stroke）、脑性⿇痹（cerebral palsy）等。通过对患者进⾏动作分析，可以诊断出他们的运动功能⽔平，并制定合适的康复计划或⼲预措施。

在教育领域，动作捕捉技术可以⽤于增强学习者的参与度和兴趣，例如通过虚拟现实（VR）或增强现实（AR）技术来创建沉浸式的学习环境，让学习者可以互动地探索和体验各种知识和场景。例如，学习者可以通过动作捕捉设备来模拟历史⼈物或⽂化⾓⾊的⾏为和表情，或者通过动作捕捉设备来操作虚拟的科学仪器或⼯程设备。

在军事领域，动作捕捉技术可以⽤于模拟和训练各种战⽃或救援场景，例如通过 VR或AR技术来创建逼真的战场环境，让⼠兵可以在安全的条件下进⾏战术演练或应急演习。例如，⼠兵可以通过动作捕捉设备来模拟使⽤各种武器或装备，或者通过动作捕捉设备来与虚拟的敌⼈或友军进⾏交流和协作。

在运动领域，动作捕捉技术可以⽤于分析和优化运动员的技术和表现，例如通过对运动员进⾏动作测量和反馈，可以帮助他们改善姿势、平衡、⼒量、速度等⽅⾯。例如，运动员可以通过动作捕捉设备来模拟各种运动场景或对⼿，或者通过动作捕捉设备来接收专业的指导和建议。

动作捕捉技术的未来

动作捕捉技术是⼀个不断发展和创新的领域，随着科学技术的进步和社会需求的变化，它将会有更多的可能性和应⽤。以下是⼀些可能的未来趋势：

动作捕捉技术将会更加普及和便利，例如通过使⽤智能⼿机或可穿戴设备等⽇常⽣活中常⻅的设备来进⾏动作捕捉，⽽不需要专业的摄像机或传感器。这样可以让更多的⼈可以随时随地地使⽤动作捕捉技术来进⾏娱乐、学习、健康等⽅⾯的活动。

动作捕捉技术将会更加精准和⾃然，例如通过使⽤深度摄像机或⼈⼯智能等先进的技术来提⾼动作数据的质量和准确度，以及通过使⽤虚拟现实或增强现实等沉浸式的技术来提⾼动作表现的真实度和流畅度。这样可以让动作捕捉技术更好地反映⼈体结构和运动规律，以及更好地适应不同的环境和场景。

动作捕捉技术将会更加多元和创新，例如通过使⽤不同的传感器或材料来进⾏动作捕捉，例如使⽤声⾳、温度、压⼒等⾮视觉的信号来测量动作，或者使⽤柔性、可变形、可⽣物降解等新型的材料来制作动作捕捉设备。这样可以让动作捕捉技术更好地适应不同的⼈体特征和需求，以及更好地保护环境和资源。

动作捕捉技术将会更加互动和社交，例如通过使⽤云计算、物联⽹、区块链等⽹络技术来实现动作数据的共享和交换，或者通过使⽤社交媒体、游戏平台、在线教育等应⽤平台来实现动作表现的展⽰和交流。这样可以让动作捕捉技术更好地连接不同的⼈和组织，以及更好地促进知识和⽂化的传播和发展。

动作捕捉技术（动作捕捉技术原理）

动作捕捉技术是什么原理

截止到今天，常见的动作捕捉技术从原理上说可分为以下五种：光学式，惯性式，机械式，声学式，电磁式。

人机工效

1）光学式动作捕捉，顾名思义，是通过光学原理来完场物体的捕捉和定位的。是通过光学镜头捕捉固定在人体或是物体上面的marker的位置信息来完成动作姿态捕捉。光学式动作捕捉依靠一整套精密而复杂的光学摄像头来实现，它通过计算机视觉原理，由多个高速摄像机从不同角度对目标特征点进行跟踪来完成全身的动作的捕捉。光学动作捕捉可分为被动式和主动式两种。这个分类是从marker来区别的。主动式是指marker是主动发光甚至可以自带ID编码的，这样镜头在视野中可以通过marker自身发光来观测它，并记录捕捉到其的运动轨迹。而被动式光学动作捕捉是通过镜头本身自带的灯板发出特定波长的红外光，照射到marker上，marker是通过特殊反光处理，可以反射镜头灯板发出的红外光，这样镜头就能在视野里捕捉记录该marker的运动轨迹。

2）惯性动作捕捉则是采用惯性导航传感器AHRS(航姿参考系统)、IMU(惯性测量单元)测量被捕捉者或物体的运动加速度、方位、倾斜角等特性。惯性动作捕捉需要各类无线控件，电池组，传感器等一些配件。类似一个整装衣服穿在身上，通过各个部位的传感器来捕捉人体或物体的数据。

3）机械式动作捕捉系统依靠机械装置来跟踪和测量运动轨迹。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。

4）声学式动作捕捉系统一般由发送装置、接收系统和处理系统组成。发送装置一般是指超声波发生器，接收系统一般由三个以上的超声探头组成。通过测量声波从一个发送装置到传感器的时间或者相位差，确定到接受传感器的距离，由三个呈三角排列的接收传感器得到的距离信息解算出超声发生器到接收器的位置和方向。

5）电磁式动作捕捉系统一般由发射源、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,接收传感器将接收到的信号通过电缆或无线方式传送给处理单元，根据这些信号可以解算出每个传感器的空间位置和方向。

动作捕捉是什么？

动作捕捉技术是一种记录并处理人或其他物体在三维空间中的动作的技术，它可以广泛应用于虚拟现实、游戏、医疗、娱乐等多个领域。动作捕捉技术可以利用不同的外部设备来对人体结构的位移进行数据记录和姿态还原。动作捕捉技术可以使数字模型的动作更加真实和流畅，也可以捕捉面部或手指的细微动作，这被称为表演捕捉。

动作捕捉技术的原理主要是利用外部设备来对人体结构或其他物体的位移进行数据记录和姿态还原，这些设备可以分为光学、惯性、机械等不同类型，它们各有优缺点和适用范围。

光学动作捕捉系统是利用摄像机或其他光学设备来记录被捕捉对象上附着的标记点或特征点的位置和运动，然后通过计算机视觉算法来重建三维姿态。光学动作捕捉系统通常利用红外光和反光标识点，可以分为标定和非标定两种：标定的系统需要在被捕捉对象上贴上反光或发光的小球，非标定的系统则可以直接识别人体或物体的自然特征。光学动作捕捉系统的优点是精度高、延迟低、不受电磁干扰，缺点是成本高、设备复杂、空间受限、易受环境光影响。

惯性动作捕捉系统是利用惯性传感器（如加速度计、陀螺仪等）来测量被捕捉对象上各个部位的加速度和角速度，然后通过积分运算来计算出位置和姿态。惯性动作捕捉系统不需要外部设备或参考物，因此可以在任何环境下使用，且具有较高的灵活性和便携性。惯性动作捕捉系统的优点是成本低、设备简单、空间不受限，缺点是精度较低、延迟较高、易受累积误差和温漂影响。

机械动作捕捉系统是利用机械装置（如关节臂或外骨骼等）来连接被捕捉对象的各个关节，然后通过测量装置上的角度或长度变化来计算出位置和姿态。机械动作捕捉系统不受环境光或电磁干扰的影响，且具有较高的精度和实时性。机械动作捕捉系统的优点是成本相对低、设备相对简单、精度较高、延迟较低，缺点是空间受限、灵活性差、易受机械摩擦和磨损影响。

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