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正在进行安全检测...
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发布时间:2024-01-07 15:32:42 来源:
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动作捕捉系统
动作捕捉是实时地准确测量、记录物体在真实三维空间中的运动轨迹或姿态,并在虚拟
三维空间中重建运动物体每一时刻运动状态的高新技术。
动作捕捉最典型的应用是对人物的
动作捕捉,可以将人物肢体动作或面部表情动态进行三维数字化解算,得到三维动作数据,
用来在
CG
制作等领域中逼真地模仿、重现真人的各种复杂动作和表情,从本质上提升
CG
动作效果;更重要的是让
CG
动作制作效率提高数百倍,大大节省了人力成本和制作周期,
制作者可以将更多精力投入在
CG
创意和细节刻画等方面,大幅提升产品的整体制作水平。
动作捕捉系统是指用来实现动作捕捉的专业技术设备。
系统组成
不同的动作捕捉系统依照的原理不同,系统组成也不尽相同。总体来讲,动作捕捉系统
通常由硬件和软件两大部分构成。
硬件一般包含信号发射与接收传感器、
信号传输设备以及
数据处理设备等;
软件一般包含系统设置、
空间定位定标、
运动捕捉以及数据处理等功能模
块。
信号发射传感器通常位于运动物体的关键部位,
例如人体的关节处,
持续发出的信号由
定位传感器接收后,
通过传输设备进入数据处理工作站,
在软件中进行运动解算得到连贯的
三维运动数据,
包括运动目标的三维空间坐标、
人体关节的
6
自由度运动参数等,
并生成三
维骨骼动作数据,可用于驱动骨骼动画,这就是动作捕捉系统普遍的工作流程。
系统分类及简介
动作捕捉系统种类较多,
一般地按照技术原理可分为:
机械式、
声
学式、电磁式、惯性传感器式、光学式等五大类
,其中光学式根据
目标特征类型不同又可分为标记点式光学和无标记点式光学两类。近
期市场上出现所谓的热能式动作捕捉系统,本质上属于无标记点式光
学动作捕捉范畴,
只是光学成像传感器主要工作在近红外或红外波段。
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
机械式系统
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[1]
和运动轨迹。
X-1st
是这类产品的代表,其优点是成本低,精度高,采样频率高,但最大的
缺点是动作表演不方便,
连杆式结构和传感器线缆对表演者动作约束和限制很大,
特别是连
贯的运动受到阻碍,难以实现真实的动态还原。
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声
学
式
系
统
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阵列组成。
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。这类产品的典型生产厂家有
Logitech
、
SAC
等,其最大优点是成本低,但缺点是精度较差,实时性不高,受噪声和多次
反射等因素影响较大。
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。
Polhemus
和
Ascension
公司是这类产品生产商的代表,其最大特点是使用简单、
鲁棒性和实时性好,
缺点是对金属物体敏感,
金属物引起的电磁场畸
变对精度影响大,采样率较低,不利于快速动作的捕捉,线缆式的传
感器连接同样对动作表演形成束缚和障碍,不利于复杂动作的表演。
惯性传感器式动作捕捉系统由姿态传感器、信号接收器和数据处
理系统组成。
姿态传感器固定于人体各主要肢体部位,
通过蓝牙等无
线传输方式将姿态信号传送至数据处理系统,
进行运动解算。
其中姿
态传感器集成了惯性传感器、重力传感器、加速度计、磁感应计、微
陀螺仪等元素,
得到各部分肢体的姿态信息,
再结合骨骼的长度信息
和骨骼层级连接关系,
计算出关节点的空间位置信息。
代表性的产品
有
Xsens
、
3D
Suit
等,
这类产品主要的优点是便携性强,
操作简单,
表演空间几乎不受限制,
便于进行户外使用,
但由于技术原理的局限,
缺点也比较明显,
一方面传感器本身不能进行空间绝对定位,
通过各
部分肢体姿态信息进行积分运算得到的空间位置信息造成不同程度
的积分漂移,
空间定位不准确;
另一方面原理本身基于单脚支撑和地
面约束假设,系统无法进行双脚离地的运动定位解算;此外,
传感器
的自身重量以及线缆连接也会对动作表演形成一定的约束,
并且设备成本随捕捉对象数量的
增加成倍增长,有些传感器还会受周围环境铁磁体影响精度。
光学式动作捕捉系统基于计算机视觉原理
[2][3]
电磁式系统
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惯性式系统
,由多个高速相机从不同角度对目标特征
点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。
理论上对于空间中的任意一个点,
只要它能同时为
两部相机所见,
就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。
这类系统采集传感器通常都是光学相机,
不
同的是目标传感器类型不一,
一种是在物体上不额外添加标记,
基于二维图像特征或三维形
状特征提取的关节信息作为探测目标,
这类系统可统称为无标记点式光学动作捕捉系统,
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>
另
本文来源:
https://www.2haoxitong.net/k/doc/d75943e04bfe04a1b0717fd5360cba1aa8118c73.html
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