運動捕捉技術(shù)在模型交互控制中的應(yīng)用

吳成浩

（浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江省溫州市 325016）

1 運動捕捉技術(shù)簡介

此技術(shù)主要是通過獲取和識別人與目標(biāo)物體的運動蹤跡，根據(jù)記錄的動作軌跡，轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的抽象信息，驅(qū)動虛擬模型真實、生動的交互。其系統(tǒng)主要包括傳感器、運動捕捉設(shè)備、數(shù)據(jù)通訊設(shè)備、數(shù)據(jù)處理設(shè)備四個部分，工作內(nèi)容分別為跟蹤對象運動的體表信息、獲取對象運動的數(shù)據(jù)表現(xiàn)、發(fā)送對象運動的實時數(shù)據(jù)、處理對象運動的錯誤工作。

根據(jù)運動捕捉設(shè)備的工作原理，其核心技術(shù)也大為不同，而目前應(yīng)用較為廣泛的此技術(shù)主要有以下四種：

1.1 機械式運動捕捉技術(shù)

此技術(shù)的原理主要是由機械連桿裝置和多個傳感器組裝合成。優(yōu)點是識別精度比較高，延遲較少；缺點則是由于骨架形式的連桿裝置，導(dǎo)致穿戴不便，不易靈活運動。它是由連桿裝置上的傳感器獲取位置信息，在整個記錄過程中，能夠?qū)崟r的將數(shù)據(jù)同步到計算機進(jìn)行處理，再將運動軌跡信息對接模型匹配進(jìn)行實時交互控制，不會被環(huán)境所受干擾；但由于機械骨架連接的受限性，運動空間和運動幅度都不易過大，且多用戶操作更是容易受干擾，限制了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。

1.2 電磁式運動捕捉技術(shù)

此技術(shù)是根據(jù)發(fā)射器、接收器和數(shù)據(jù)處理單元三部分組成。優(yōu)點是不受遮擋干擾，空間范圍大，操作標(biāo)定簡單快捷；缺點則不允許周圍有金屬物體，否則會導(dǎo)致磁場變形或扭曲，同時設(shè)備難以捕捉高速運動。其操作應(yīng)用主要是通過發(fā)射器發(fā)射電磁場，再由接收器接收磁力轉(zhuǎn)換信號傳入數(shù)據(jù)處理單元，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)計算處理跟蹤器的角度位置，判斷方位獲取具體位置進(jìn)行轉(zhuǎn)化軌跡信息。

1.3 聲學(xué)式運動捕捉技術(shù)

聲學(xué)式運動捕捉技術(shù)是采用聲波發(fā)射器、接收器和控制器。優(yōu)點是不受遮擋物干擾，設(shè)備裝置簡單；缺點則是容易受溫度、噪音影響信號，有較大的延遲，時效性差。其工作原理主要通過接收器與聲波發(fā)射的位置間距，計算出接收器的位置數(shù)據(jù)，傳入計算機當(dāng)中，匹配模型，呈現(xiàn)模型的交互路徑。

1.4 光學(xué)式運動捕捉技術(shù)

光學(xué)式運動捕捉技術(shù)的是根據(jù)三角測量實現(xiàn)跟蹤定位，其設(shè)備包括光學(xué)相機、跟蹤器和數(shù)據(jù)處理單位。優(yōu)點是設(shè)備攜帶輕便，運動操作自由，信息采集速率快；缺點則是價格昂貴，系統(tǒng)標(biāo)定過程比較繁瑣，受光照、反射等光感因素干擾。其工作原理是以光傳播作為數(shù)據(jù)采集依據(jù)，通過固定附著反光球等特殊材質(zhì)的標(biāo)點，同時被兩個相機攝像頭識別，就能夠基于計算機詩句的工作原理計算該點指定的三維空間位置。

各運動捕捉設(shè)備優(yōu)缺點比較如表1 所示。

2 運動捕捉技術(shù)在模型交互控制中的應(yīng)用設(shè)計

應(yīng)用三維模型交互的運動捕捉設(shè)備中，光學(xué)式運動捕捉技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛，它的輕便易攜，采集速度快等優(yōu)勢決定了多個領(lǐng)域的使用范疇，為模型的交互控制提供了最大化的幫助。這里通過講述OptiTrack 光學(xué)捕捉設(shè)備進(jìn)行應(yīng)用介紹，同時根據(jù)OptiTrack 設(shè)備捕捉運動數(shù)據(jù)構(gòu)建模型的交互控制。

2.1 OptiTrack設(shè)備搭建

OptiTrack 光學(xué)運動捕捉設(shè)備是由NaturalPoint 公司研制而成，可以將被測人員的運動進(jìn)行準(zhǔn)確捕捉，且允許多人交互。其設(shè)備的主要部件為FPGA 處理芯片智能相機，分辨率分別有30 萬、130 萬、170 萬和410 萬四種像素級別（如圖1），能夠?qū)崟r捕捉高速運動的各類動作和肢體變化，通過運動軌跡驅(qū)動模型交互運動，實現(xiàn)自然、逼真的運動規(guī)律模擬。

OptiTrack 硬件設(shè)備組成如圖2 所示。

四個相機可構(gòu)成運動捕捉區(qū)域，同時被測者穿上反光性材料的數(shù)據(jù)衣，每個關(guān)節(jié)部分貼設(shè)標(biāo)記點。當(dāng)光照發(fā)射到標(biāo)記點則就會發(fā)生反射，致使每個相機的拍攝圖像中就可確定標(biāo)記點的位置和方位，然后計算出目標(biāo)對象的運動參數(shù)來驅(qū)動相應(yīng)的模型進(jìn)行交互運動，實現(xiàn)模型逼真的模擬的實時變化。

圖1：OptiTrack 光學(xué)運動捕捉設(shè)備相機比較

圖2：OptiTrack 硬件設(shè)備組成

2.2 相機調(diào)節(jié)和參數(shù)設(shè)置

借助于運動捕捉軟件Motive 進(jìn)行相機參數(shù)的調(diào)整與標(biāo)定，可以快速的確定其相機的位置，從而實現(xiàn)標(biāo)記點與模型骨架的對應(yīng)匹配，借助于數(shù)據(jù)的采集、編輯和輸出數(shù)據(jù)的工作，可以為模型交互控制提供準(zhǔn)確的信息。

要想捕捉到指定的運動區(qū)域，可將OptiTrack 相機的對位和旋轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，朝向需捕捉的區(qū)域范圍。我們可以將每臺相機固定在三維云臺上，通過旋轉(zhuǎn)三維平臺調(diào)節(jié)相機卡位，通過手柄的形式控制攝像機方向。

相機角度固定后，同時還要設(shè)置好Motive軟件的幀數(shù)采集數(shù)量、曝光時間的長短、闕值濾的調(diào)整和光感亮度的設(shè)置，以免捕捉過程中受其他因素干擾，造成捕捉信息不完整，以確保每個相機都能識別到標(biāo)記點，完成運動捕捉的軌跡信息。

表1：各運動捕捉設(shè)備比對

2.3 相機參數(shù)計算

在標(biāo)記過程中，可使用一根帶有三個標(biāo)記點的T 型標(biāo)定棒作為識別捕獲物件，將標(biāo)定棒置于捕捉區(qū)域，盡可能在每個區(qū)域位置揮舞識別，讓系統(tǒng)軟件Motive 記錄下T 型標(biāo)定棒標(biāo)記點的運動軌跡，最后分析標(biāo)定棒上標(biāo)記點間的距離和標(biāo)記點運動產(chǎn)生的運動數(shù)據(jù)等參數(shù)，從而計算相機內(nèi)部的參數(shù)。

定義世界坐標(biāo)系：

在實際捕捉過程中，為了最大程度的消除誤差，一方面盡多的識別運動點的軌跡，保證數(shù)據(jù)的最大化收集，另一方面就是采用更多的攝像機來定位驗算，保證所有標(biāo)記點的三維坐標(biāo)。而三維標(biāo)記點則可以通過以下方式來調(diào)整：

可以使用標(biāo)定架的三個標(biāo)記點，將直角邊定義為Z 軸方向，短邊定義為X 軸方向，通過右手法則垂直兩軸的方向為Y 軸方向確定系統(tǒng)的世界坐標(biāo)系，同時回到Unity 3D 軟件中，根據(jù)左右法則定義世界坐標(biāo)系，將Motive 中的數(shù)據(jù)乘以變換矩陣，就能將兩個軟件的世界坐標(biāo)進(jìn)行對位統(tǒng)一。

標(biāo)定完成后，相機的位置和方向則不能進(jìn)行更改移動，要想更改就需要重新對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，否則輸出的運動捕捉數(shù)據(jù)將不準(zhǔn)確。同時，相機要是長期使用或未使用，也最好重新標(biāo)定，以確保數(shù)據(jù)的精度，減少誤差。

2.4 數(shù)據(jù)采集

OptiTrack 光學(xué)運動捕捉設(shè)備可實時采集有Maker 點的運動數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)傳輸口將數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型交互軟件中，實現(xiàn)實時的模型的運動控制。Motive 軟件可以通過OptiTrack 設(shè)備采集到的運動數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行儲存，最后由模型匹配識別數(shù)據(jù)，實時獲取每個標(biāo)記點的位置和方位信息。

2.5 模型交互控制

在得到所有三維坐標(biāo)軌跡數(shù)據(jù)后，我們可以通過將其與模型融合，完成最終的交互控制。

模型可以是Maya、3ds max 等三維軟件制作而成，通過運動捕捉技術(shù)得到動作數(shù)據(jù)匹配到模型骨骼，從而使模型表現(xiàn)出與運動軌跡相同的動作、姿勢和表情，完成動畫序列。

3 現(xiàn)有運用捕捉技術(shù)應(yīng)用的不足及發(fā)展方向

3.1 與其他技術(shù)相結(jié)合

運動捕捉技術(shù)的和其他相關(guān)技術(shù)相結(jié)合不僅能夠提供董卓捕捉的真實性和精準(zhǔn)性，其靈活運用也能大幅提升。例如MotionBuilder軟件可以在得到的光學(xué)式捕捉運動軌跡時，通過關(guān)鍵幀層的構(gòu)建，對模型的動作進(jìn)行再次修改調(diào)整，達(dá)到最優(yōu)的效果。同時實行無所動作修改，可將其與動畫捕捉數(shù)據(jù)相結(jié)合，調(diào)整動作表情，增加動作幅度，讓動作變得更加順暢自然。

3.2 突破技術(shù)瓶頸

運動捕捉技術(shù)作為一個新興技術(shù)，都存在著一定的技術(shù)難點，例如捕捉的精準(zhǔn)度，空間范圍限制等因素都是影響模型的操作使用。不僅如此，人員的標(biāo)點設(shè)定、識別，以及后期的數(shù)據(jù)調(diào)整等都會產(chǎn)生龐大的工作量，致使工作效率大幅度降低。因此，嘗試轉(zhuǎn)變捕捉形式將會成為運動捕捉設(shè)備進(jìn)步的重要依據(jù)，產(chǎn)出高速、精準(zhǔn)、低價的設(shè)備為運動捕捉技術(shù)提供更好的優(yōu)質(zhì)選擇。

4 總結(jié)

運動捕捉技術(shù)能夠?qū)\動事物的動作、表情進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的識別捕捉，再由計算機后期制作得到所需數(shù)據(jù)，傳遞給虛擬模型，實現(xiàn)生動、自然的形象效果。通過該技術(shù)的使用和幫助下，它在影視動畫、游戲、虛擬仿真等領(lǐng)域中已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，同時也受到了眾多觀眾的喜愛，例如游戲《使命召喚》、電影《魔獸世界》等。相信在不久的將來，運動捕捉技術(shù)的普及也將更為全面，不僅實現(xiàn)模型的交互控制，同時還能模擬出更多、更全面的運動需求，完成更多具有創(chuàng)想性的創(chuàng)作內(nèi)容，推動各領(lǐng)域的發(fā)展步伐。