第8章 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)

1、第第8章章 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)8.1 8.1 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的發(fā)展運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的發(fā)展8.2 8.2 運(yùn)動(dòng)捕捉方式運(yùn)動(dòng)捕捉方式8.3 8.3 運(yùn)動(dòng)捕捉空間運(yùn)動(dòng)捕捉空間8 8.4 .4 運(yùn)動(dòng)捕捉過程運(yùn)動(dòng)捕捉過程8 8.5 .5 捕捉結(jié)果編輯捕捉結(jié)果編輯8 8.6 .6 運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)8.1 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的發(fā)展 用于動(dòng)畫制作的用于動(dòng)畫制作的Motion capture(運(yùn)動(dòng)捕捉運(yùn)動(dòng)捕捉)技術(shù)可以追溯到技術(shù)可以追溯到20世紀(jì)世紀(jì)70年代，迪士尼公司曾年代，迪士尼公司曾試圖通過捕捉演員的動(dòng)作以改進(jìn)動(dòng)畫制作效果。試圖通過捕捉演員的動(dòng)作以改進(jìn)動(dòng)畫制作效果。當(dāng)計(jì)算機(jī)技術(shù)剛開始應(yīng)用于動(dòng)畫制

2、作時(shí)，紐約當(dāng)計(jì)算機(jī)技術(shù)剛開始應(yīng)用于動(dòng)畫制作時(shí)，紐約計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的Rebecca Allen就設(shè)就設(shè)計(jì)了一種光學(xué)裝置，將演員的表演姿勢(shì)投射在計(jì)了一種光學(xué)裝置，將演員的表演姿勢(shì)投射在計(jì)算機(jī)屏幕上，作為動(dòng)畫制作的參考。計(jì)算機(jī)屏幕上，作為動(dòng)畫制作的參考。8.1 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的發(fā)展l從從20世紀(jì)世紀(jì)80年代開始，美國年代開始，美國Biomechanics實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)室、Simon Fraser大學(xué)、麻省理工學(xué)院等開展了計(jì)算機(jī)人體大學(xué)、麻省理工學(xué)院等開展了計(jì)算機(jī)人體運(yùn)動(dòng)捕捉的研究。此后，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)吸引了越來越多的運(yùn)動(dòng)捕捉的研究。此后，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)吸引了越來越多的研究人員和開

3、發(fā)商的目光，并從試用性研究逐步走向了實(shí)研究人員和開發(fā)商的目光，并從試用性研究逐步走向了實(shí)用化。用化。l英國英國Oxford Metrics Limited公司的光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在公司的光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在70年代服務(wù)于英國海軍，從事遙感、測(cè)控技術(shù)設(shè)備的研究年代服務(wù)于英國海軍，從事遙感、測(cè)控技術(shù)設(shè)備的研究與生產(chǎn)。與生產(chǎn)。l 20世紀(jì)世紀(jì)80年代末，年代末，OML將將Motion Capture技術(shù)應(yīng)用于影技術(shù)應(yīng)用于影視動(dòng)畫制作領(lǐng)域，并成立英國視動(dòng)畫制作領(lǐng)域，并成立英國Vicon Motion System公司。公司。l1988年，年，SGI公司開發(fā)了可捕捉人頭部運(yùn)動(dòng)和表情的系統(tǒng)。公司開發(fā)了可捕捉人

4、頭部運(yùn)動(dòng)和表情的系統(tǒng)。8.1 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的發(fā)展 隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和動(dòng)畫制隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和動(dòng)畫制作要求的提高，目前運(yùn)動(dòng)捕捉已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化作要求的提高，目前運(yùn)動(dòng)捕捉已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化階段。階段。 進(jìn)入進(jìn)入21世紀(jì)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展與視世紀(jì)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展與視頻行業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作需求的不斷增加，用戶頻行業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作需求的不斷增加，用戶對(duì)高效率的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作手段的需求變得越來對(duì)高效率的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作手段的需求變得越來越強(qiáng)烈。傳統(tǒng)意義上在三維動(dòng)畫制作軟件中人工越強(qiáng)烈。傳統(tǒng)意義上在三維動(dòng)畫制作軟件中人工調(diào)整虛擬角色動(dòng)作的工作方式已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)動(dòng)調(diào)整虛

5、擬角色動(dòng)作的工作方式已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作過程中的最大瓶頸，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在影視畫制作過程中的最大瓶頸，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在影視動(dòng)畫中的應(yīng)用成為解決這一問題的最佳手段。動(dòng)畫中的應(yīng)用成為解決這一問題的最佳手段。8.1 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的發(fā)展有多家廠商相繼推出了多種商品化的運(yùn)有多家廠商相繼推出了多種商品化的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備，如動(dòng)捕捉設(shè)備，如Vicon、Polhemus、Sega Interactive、MAC、X-Ist、FilmBox、Motion Analysis等，其應(yīng)用領(lǐng)等，其應(yīng)用領(lǐng)域也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了表演動(dòng)畫，并成功地用于域也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了表演動(dòng)畫，并成功地用于虛擬現(xiàn)實(shí)、游戲、人體工程學(xué)研究、模擬虛擬現(xiàn)實(shí)、游戲、

6、人體工程學(xué)研究、模擬訓(xùn)練、生物力學(xué)研究等許多方面。訓(xùn)練、生物力學(xué)研究等許多方面。8.2 運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)捕捉方式常見的運(yùn)動(dòng)捕捉方式可以分為以下幾種：常見的運(yùn)動(dòng)捕捉方式可以分為以下幾種：1. 機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉2. 聲學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉聲學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉 3. 電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉 4. 光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉 1 1機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉組成與原理組成與原理 機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉依靠機(jī)械裝置跟蹤和測(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度，可以得出桿件末端點(diǎn)在空間

7、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度可變的伸縮桿，用位移傳感器測(cè)量其長度的變化。組成與原理組成與原理早期的一種機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉裝置是用帶角度傳感器的關(guān)節(jié)和連桿構(gòu)成一個(gè)可調(diào)姿態(tài)的數(shù)字模型，其形狀可以模擬人體，也可以模擬其他動(dòng)物或物體。使用者可根據(jù)劇情的需要調(diào)整模型的姿態(tài)，然后鎖定。角度傳感器測(cè)量并記錄關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，依據(jù)這些角度和模型的機(jī)械尺寸，可計(jì)算出模型的姿態(tài)，并將這些姿態(tài)數(shù)據(jù)傳給動(dòng)畫軟件，使其中的角色模型也做出一樣的姿態(tài)。這是一種較早出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)捕捉裝置，但直到現(xiàn)在仍有一定的市場(chǎng)。1 1機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉應(yīng)用形式應(yīng)用形式機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉

8、的一種應(yīng)用形式是將欲捕機(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)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。機(jī)械裝置，從而被傳感器實(shí)時(shí)記錄下來。X-Ist的的FullBodyTracker是一種頗具代表性的機(jī)械是一種頗具代表性的機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉產(chǎn)品。式運(yùn)動(dòng)捕捉產(chǎn)品。1 1機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉特點(diǎn)：特點(diǎn)：這種方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低，精度高，可以這種方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低，精度高，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。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，主要是使用起來非常不但其缺點(diǎn)也非常明顯，主要是使用起

9、來非常不方便，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。且較難用于連續(xù)動(dòng)作的實(shí)時(shí)捕捉，需要操大。且較難用于連續(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)整設(shè)備的姿勢(shì)，作者不斷根據(jù)劇情要求調(diào)整設(shè)備的姿勢(shì)，主要主要用于靜態(tài)造型捕捉和關(guān)鍵幀的確定。用于靜態(tài)造型捕捉和關(guān)鍵幀的確定。1 1機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉2.聲學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉組成與原理：組成與原理：常用的聲學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉裝置由發(fā)送器、接收常用的聲學(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)超聲發(fā)生器，接

10、收器一般由呈三角形排列的三個(gè)超聲探頭組成。通過測(cè)量聲波從發(fā)送器到接收器的時(shí)探頭組成。通過測(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。置和方向。Logitech、SAC等公司都生產(chǎn)超聲等公司都生產(chǎn)超聲波運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備。波運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：這類裝置成本較低，但對(duì)運(yùn)動(dòng)的捕捉有較大延這類裝置成本較低，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，受噪聲和多次和接收器間不能有大的遮擋物體，受噪聲和多次反射干擾較大。小于空氣中聲波的

11、速度與氣壓、反射干擾較大。小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)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。的補(bǔ)償。2.聲學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉3. 電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉組成與原理：組成與原理： 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)。接收傳感器布的電磁場(chǎng)。接收傳感器(通常有通常有1020個(gè)個(gè))安置安置在表演者身體的關(guān)鍵位置，隨著表演者的動(dòng)作在在表演者身體

12、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)，通過電纜或無線方式與數(shù)據(jù)處理電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，通過電纜或無線方式與數(shù)據(jù)處理單元相連。單元相連。組成與原理：組成與原理：表演者在電磁場(chǎng)內(nèi)表演時(shí)，接收傳感器將接表演者在電磁場(chǎng)內(nèi)表演時(shí)，接收傳感器將接收到的信號(hào)通過電纜傳送給處理單元，根據(jù)這些收到的信號(hào)通過電纜傳送給處理單元，根據(jù)這些信號(hào)可以解算出每個(gè)傳感器的空間位置和方向。信號(hào)可以解算出每個(gè)傳感器的空間位置和方向。目前這類系統(tǒng)的采樣速率一般為每秒目前這類系統(tǒng)的采樣速率一般為每秒15120次次(依賴于模型和傳感器的數(shù)量依賴于模型和傳感器的數(shù)量)，為了消除抖動(dòng)和，為了消除抖動(dòng)和干擾，采樣速率一般在干擾，采樣速率一

13、般在15Hz以下。對(duì)于一些高以下。對(duì)于一些高速運(yùn)動(dòng)，如拳擊、籃球比賽等，該采樣速度還不速運(yùn)動(dòng)，如拳擊、籃球比賽等，該采樣速度還不能滿足要求。能滿足要求。3. 電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉的優(yōu)點(diǎn)首先在于它記錄的是電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉的優(yōu)點(diǎn)首先在于它記錄的是六維信息，即不僅能得到空間位置，還能得到方六維信息，即不僅能得到空間位置，還能得到方向信息，這一點(diǎn)對(duì)某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合很有價(jià)值。向信息，這一點(diǎn)對(duì)某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合很有價(jià)值。其次是速度快，實(shí)時(shí)性好，表演者表演時(shí)，動(dòng)畫其次是速度快，實(shí)時(shí)性好，表演者表演時(shí)，動(dòng)畫系統(tǒng)中的角色模型可以同時(shí)反應(yīng)，便于排演、調(diào)系統(tǒng)中的角色模型可以同時(shí)反應(yīng)，便于排演、調(diào)

14、整和修改。裝置的定標(biāo)比較簡單，技術(shù)較成熟，整和修改。裝置的定標(biāo)比較簡單，技術(shù)較成熟，成本相對(duì)低廉。成本相對(duì)低廉。3. 電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：它的缺點(diǎn)在于對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格，在表它的缺點(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)允許的表演電磁場(chǎng)畸變，影響精度。系統(tǒng)允許的表演范圍比光學(xué)式要小，特別是電纜對(duì)表演者范圍比光學(xué)式要小，特別是電纜對(duì)表演者的活動(dòng)限制比較大，的活動(dòng)限制比較大， 對(duì)于比較劇烈的運(yùn)動(dòng)對(duì)于比較劇烈的運(yùn)動(dòng)和表演則不適用。和表演則不適用。3. 電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉4. 光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉組成與原理：組成與原理： 光學(xué)

15、式運(yùn)動(dòng)捕捉通過對(duì)目標(biāo)上特定光點(diǎn)的監(jiān)視光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉通過對(duì)目標(biāo)上特定光點(diǎn)的監(jiān)視和跟蹤完成運(yùn)動(dòng)捕捉的任務(wù)。目前常見的光學(xué)式和跟蹤完成運(yùn)動(dòng)捕捉的任務(wù)。目前常見的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉大多基于計(jì)算機(jī)視覺原理。從理論上說，運(yùn)動(dòng)捕捉大多基于計(jì)算機(jī)視覺原理。從理論上說，對(duì)于空間中的對(duì)于空間中的個(gè)點(diǎn)，只要它能同時(shí)為兩部相機(jī)個(gè)點(diǎn)，只要它能同時(shí)為兩部相機(jī)所見，則根據(jù)同所見，則根據(jù)同時(shí)刻兩部相機(jī)所拍攝的圖像和時(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

16、跡。序列中就可以得到該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。組成與原理：組成與原理： 典型的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)通常使用典型的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)通常使用68個(gè)相機(jī)環(huán)繞個(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)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，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)，稱為些特制的標(biāo)志或發(fā)光點(diǎn)，稱為“Marker”，視覺系統(tǒng)將識(shí)，視覺系統(tǒng)將識(shí)別和處理這些標(biāo)志。系統(tǒng)定標(biāo)后，相機(jī)連續(xù)拍攝表演者的

17、別和處理這些標(biāo)志。系統(tǒng)定標(biāo)后，相機(jī)連續(xù)拍攝表演者的動(dòng)作，并將圖像序列保存起來，然后再進(jìn)行分析和處理，動(dòng)作，并將圖像序列保存起來，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)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)到每秒較高的拍攝速率，一般要達(dá)到每秒60幀以上。幀以上。4. 光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉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1所示：目前大部分表情捕捉都采用光學(xué)式。4. 光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉展望：展望：有些光學(xué)

18、運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)不依靠Marker作為識(shí)別標(biāo)志，例如可根據(jù)目標(biāo)的側(cè)影來提取其運(yùn)動(dòng)信息，或者利用有網(wǎng)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(yīng)用圖像識(shí)別、分析技術(shù)，由視覺系統(tǒng)直接識(shí)別表演者身體關(guān)鍵部位并測(cè)量具運(yùn)動(dòng)軌跡的技術(shù)，估計(jì)將很快投入實(shí)用。4. 光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉特點(diǎn)：特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉的優(yōu)點(diǎn)是表演者活光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉的優(yōu)點(diǎn)是表演者活動(dòng)范圍大，無電纜、機(jī)械裝置的限制，表動(dòng)范圍大，無電纜、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)量樣速率較高，可以滿足多數(shù)高速運(yùn)動(dòng)測(cè)量的需要。的需要。

19、Marker的價(jià)格便宜，便于擴(kuò)充。的價(jià)格便宜，便于擴(kuò)充。4. 光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉特點(diǎn)：特點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：這種方法的缺點(diǎn)是系統(tǒng)價(jià)格昂貴，雖然它這種方法的缺點(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)，但后處理可以捕捉實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，但后處理(包括包括Marker的識(shí)的識(shí)別、跟蹤、空間坐標(biāo)的計(jì)算的工作量較大，對(duì)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，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)，裝置定標(biāo)也較為煩瑣。特別是當(dāng)運(yùn)動(dòng)復(fù)雜時(shí)，不同部位的不同部位的Marker有可能發(fā)生混淆、遮擋，產(chǎn)有可能發(fā)生混淆、遮擋，產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)果，這時(shí)需要人工后

20、期數(shù)據(jù)處理。生錯(cuò)誤結(jié)果，這時(shí)需要人工后期數(shù)據(jù)處理。4. 光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉8.3 運(yùn)動(dòng)捕捉空間本節(jié)將以天津工業(yè)大學(xué)亞瑟?jiǎng)赢嫳竟?jié)將以天津工業(yè)大學(xué)亞瑟?jiǎng)赢嫻ぷ魇覟槔榻B運(yùn)動(dòng)捕捉實(shí)驗(yàn)空間工作室為例，介紹運(yùn)動(dòng)捕捉實(shí)驗(yàn)空間的構(gòu)成。該工作室的構(gòu)成。該工作室 采用英國采用英國Vicon的光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，配備的光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，配備16個(gè)鏡頭，個(gè)鏡頭，設(shè)備構(gòu)成如下圖所示。設(shè)備構(gòu)成如下圖所示。 圖圖 運(yùn)動(dòng)捕捉的設(shè)備構(gòu)成運(yùn)動(dòng)捕捉的設(shè)備構(gòu)成運(yùn)動(dòng)捕捉面積為200平米，層高8米，如圖3所示8.3 運(yùn)動(dòng)捕捉空間8.3 運(yùn)動(dòng)捕捉空間其中8個(gè)鏡頭可以拆卸下來，固定在三腳架上用于捕捉角色面部表情的動(dòng)畫，如圖所示。8.3 運(yùn)動(dòng)捕

21、捉空間 為了便于演員的特技表演，亞瑟?jiǎng)赢嫻ぷ魇疫€專門配備了影視特為了便于演員的特技表演，亞瑟?jiǎng)赢嫻ぷ魇疫€專門配備了影視特技吊掛系統(tǒng)，如圖技吊掛系統(tǒng)，如圖5所示，以及海綿墊、彈床、道具配件等。所示，以及海綿墊、彈床、道具配件等。8.3 運(yùn)動(dòng)捕捉空間在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)捕捉之前首先要對(duì)捕捉場(chǎng)地進(jìn)行空間校準(zhǔn)，打開運(yùn)動(dòng)捕捉控制系統(tǒng)軟件 ViconlQ，系統(tǒng)掃描到16個(gè)捕捉鏡頭，確認(rèn)每個(gè)鏡頭都處于良好的工作狀態(tài)。分別對(duì)每個(gè)鏡頭的拍攝角度、焦距、光圈進(jìn)行調(diào)整。再在系統(tǒng)軟件ViconlQ中通過調(diào)整參數(shù)設(shè)置項(xiàng)目，保證在每個(gè)攝像頭中都能清晰拍攝到Marker點(diǎn)。在系統(tǒng)軟件ViconlQ的Calibrate Cameras

22、(校準(zhǔn)鏡頭)項(xiàng)目中選擇校準(zhǔn)棒的型號(hào)，單擊StartWandWave(開始揮動(dòng)校準(zhǔn)棒)按鈕，在運(yùn)動(dòng)捕捉空間中不斷揮舞校準(zhǔn)棒，掃描出捕捉場(chǎng)的范圍。8.3 運(yùn)動(dòng)捕捉空間在捕捉場(chǎng)中放置水平校準(zhǔn)儀，在在捕捉場(chǎng)中放置水平校準(zhǔn)儀，在Set Volume Origin And Axes(設(shè)置捕捉區(qū)方設(shè)置捕捉區(qū)方向和軸向向和軸向)項(xiàng)目中單擊項(xiàng)目中單擊RackL-Frme按鈕，按鈕，等等5秒鐘左右再單擊右邊的秒鐘左右再單擊右邊的setorigin按鈕按鈕場(chǎng)地校正完畢，這時(shí)就可以在三維虛擬空?qǐng)龅匦Ｕ戤叄@時(shí)就可以在三維虛擬空間中確定地面位置、坐標(biāo)原點(diǎn)位置、坐標(biāo)間中確定地面位置、坐標(biāo)原點(diǎn)位置、坐標(biāo)軸向，所有的鏡頭都

23、指向中心捕捉區(qū)，如軸向，所有的鏡頭都指向中心捕捉區(qū)，如圖圖6所示。所示。圖圖6 對(duì)捕捉場(chǎng)進(jìn)行水平方位校準(zhǔn)對(duì)捕捉場(chǎng)進(jìn)行水平方位校準(zhǔn)8.4 運(yùn)動(dòng)捕捉過程 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)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，通過排布在空間中的數(shù)個(gè)視頻算機(jī)圖形學(xué)原理，通過排布在空間中的數(shù)個(gè)視頻捕捉設(shè)備將運(yùn)動(dòng)物體捕捉設(shè)備將運(yùn)動(dòng)物體(跟蹤器跟蹤器)的運(yùn)動(dòng)狀況以圖像的運(yùn)動(dòng)狀況以圖像的形式記錄下來，然后使用計(jì)算機(jī)對(duì)該圖像數(shù)據(jù)的形式記錄下來，然后使用計(jì)算機(jī)對(duì)該圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到在不同時(shí)間計(jì)量單位上不同物體

24、進(jìn)行處理，得到在不同時(shí)間計(jì)量單位上不同物體(跟蹤器跟蹤器)的空間坐標(biāo)的空間坐標(biāo)(X，Y，Z)。當(dāng)數(shù)據(jù)被計(jì)算。當(dāng)數(shù)據(jù)被計(jì)算機(jī)識(shí)別后，動(dòng)畫師即可以在計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的鏡頭中機(jī)識(shí)別后，動(dòng)畫師即可以在計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的鏡頭中調(diào)整、控制運(yùn)動(dòng)的物體。調(diào)整、控制運(yùn)動(dòng)的物體。8.4 運(yùn)動(dòng)捕捉過程 在捕捉之前要首先確定捕捉點(diǎn)分布的模版，基于不同的捕捉精度、數(shù)據(jù)用途、三維動(dòng)畫軟件的類型，可以選擇不同的模版，模版中捕捉點(diǎn)的分布就是要在演員身上粘貼捕捉點(diǎn)的位置，如圖7所示。8.4 運(yùn)動(dòng)捕捉過程 捕捉點(diǎn)一般分布在角色肢體的關(guān)節(jié)位置附近，捕捉點(diǎn)的作用主要體現(xiàn)在：標(biāo)定關(guān)節(jié)的位置、標(biāo)定肢體的體積、標(biāo)定肢體的前后或左右，如圖8所示.8.4

25、 運(yùn)動(dòng)捕捉過程依據(jù)模版將光學(xué)捕捉點(diǎn)粘貼在身體的相應(yīng)部位，而且捕捉對(duì)象不只限于人，可以廣泛應(yīng)用于所有運(yùn)動(dòng)物體、動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)捕捉。在正式捕捉之前，演員還要做一段預(yù)備動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)身體的每一個(gè)部分，依據(jù)預(yù)備動(dòng)作和肢體模版創(chuàng)建該演員的個(gè)性化模版文件，以后所有捕捉到的動(dòng)作都基于這套個(gè)性化模版。8.4 運(yùn)動(dòng)捕捉過程利用光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，表演者負(fù)責(zé)根據(jù)劇情做出各種動(dòng)作和表情，如圖9所示。動(dòng)作捕捉系統(tǒng)將這些動(dòng)作和表情捕捉并記錄下來，然后通過動(dòng)畫軟件，用這些動(dòng)作和表情驅(qū)動(dòng)三維角色模型，角色模型就能做出與表演者一樣的動(dòng)作和表情，并生成最終所見的動(dòng)畫序列。圖9 演員在捕捉前的T姿態(tài)8.4 運(yùn)動(dòng)捕捉過程動(dòng)作捕捉的任務(wù)是檢測(cè)

26、、記錄表演動(dòng)作捕捉的任務(wù)是檢測(cè)、記錄表演者的肢體在三維空間的運(yùn)動(dòng)軌跡，捕捉者的肢體在三維空間的運(yùn)動(dòng)軌跡，捕捉表演者的動(dòng)作，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的表演者的動(dòng)作，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的“抽象運(yùn)動(dòng)抽象運(yùn)動(dòng)”。運(yùn)動(dòng)捕捉的對(duì)象不僅僅。運(yùn)動(dòng)捕捉的對(duì)象不僅僅是表演者的動(dòng)作，還可以包括物體的運(yùn)是表演者的動(dòng)作，還可以包括物體的運(yùn)動(dòng)、表演者的表情、相機(jī)及燈光的運(yùn)動(dòng)動(dòng)、表演者的表情、相機(jī)及燈光的運(yùn)動(dòng)等。等。8.4 運(yùn)動(dòng)捕捉過程到目前為止鏡頭捕捉到的還是一些圖到目前為止鏡頭捕捉到的還是一些圖像文件，單擊像文件，單擊(重建重建)按鈕，進(jìn)行重建的參數(shù)按鈕，進(jìn)行重建的參數(shù)設(shè)置。設(shè)置。最后單擊最后單擊Run(運(yùn)行運(yùn)行)按鈕，根據(jù)

27、演員的按鈕，根據(jù)演員的個(gè)性化模版和捕捉到的圖像數(shù)據(jù)，創(chuàng)建生個(gè)性化模版和捕捉到的圖像數(shù)據(jù)，創(chuàng)建生成在三維虛擬空間中實(shí)際的角色動(dòng)作。成在三維虛擬空間中實(shí)際的角色動(dòng)作。8.4 運(yùn)動(dòng)捕捉過程如果同時(shí)捕捉多個(gè)角色的動(dòng)作，或者角色如果同時(shí)捕捉多個(gè)角色的動(dòng)作，或者角色動(dòng)作中包含摔倒、滾動(dòng)等動(dòng)作，一些捕捉點(diǎn)可動(dòng)作中包含摔倒、滾動(dòng)等動(dòng)作，一些捕捉點(diǎn)可能被遮擋，造成捕捉數(shù)據(jù)中捕捉點(diǎn)丟失等錯(cuò)誤。能被遮擋，造成捕捉數(shù)據(jù)中捕捉點(diǎn)丟失等錯(cuò)誤。優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)軟件都包含對(duì)運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)軟件都包含對(duì)運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)修復(fù)的功能，可以依據(jù)角色模版中捕捉點(diǎn)之據(jù)修復(fù)的功能，可以依據(jù)角色模版中捕捉點(diǎn)之間相對(duì)的空間位置關(guān)系，

28、修正運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，自動(dòng)間相對(duì)的空間位置關(guān)系，修正運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，自動(dòng)解算出丟失捕捉點(diǎn)的位置，如圖解算出丟失捕捉點(diǎn)的位置，如圖10所示。所示。圖圖10 捕捉點(diǎn)之間相對(duì)的空間位置關(guān)系捕捉點(diǎn)之間相對(duì)的空間位置關(guān)系。8.4 運(yùn)動(dòng)捕捉過程專業(yè)的運(yùn)動(dòng)捕捉工程師主要的任務(wù)就是專業(yè)的運(yùn)動(dòng)捕捉工程師主要的任務(wù)就是把握運(yùn)動(dòng)捕捉的每一個(gè)流程，通曉每一個(gè)流把握運(yùn)動(dòng)捕捉的每一個(gè)流程，通曉每一個(gè)流程中容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤，以及如何提前避免這程中容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤，以及如何提前避免這些錯(cuò)誤；在錯(cuò)誤發(fā)生后如何進(jìn)行處理。些錯(cuò)誤；在錯(cuò)誤發(fā)生后如何進(jìn)行處理。最后一定要切記，在運(yùn)動(dòng)捕捉過程中的最后一定要切記，在運(yùn)動(dòng)捕捉過程中的靈魂人物是導(dǎo)演和演員。靈魂

29、人物是導(dǎo)演和演員。8.5 捕捉結(jié)果編輯運(yùn)動(dòng)捕捉過程可以將演員的動(dòng)作完全解析為運(yùn)動(dòng)捕捉過程可以將演員的動(dòng)作完全解析為三維虛擬空間中的動(dòng)作，動(dòng)作看起來完全真實(shí)，三維虛擬空間中的動(dòng)作，動(dòng)作看起來完全真實(shí)，十分生動(dòng)自然。但在某些情況下，完全逼真的動(dòng)十分生動(dòng)自然。但在某些情況下，完全逼真的動(dòng)作往往抹煞了動(dòng)畫區(qū)別于實(shí)拍影視的夸張、變形作往往抹煞了動(dòng)畫區(qū)別于實(shí)拍影視的夸張、變形等特性，在動(dòng)畫中角色的動(dòng)作可以超出正常人的等特性，在動(dòng)畫中角色的動(dòng)作可以超出正常人的運(yùn)動(dòng)閾限，甚至骨骼也可以被自由的拉伸、壓縮、運(yùn)動(dòng)閾限，甚至骨骼也可以被自由的拉伸、壓縮、變形。變形。 一些軟件可以對(duì)運(yùn)動(dòng)捕捉的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新一些軟件可以

30、對(duì)運(yùn)動(dòng)捕捉的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新編輯，創(chuàng)建更具動(dòng)畫表現(xiàn)力的動(dòng)作，常見的運(yùn)編輯，創(chuàng)建更具動(dòng)畫表現(xiàn)力的動(dòng)作，常見的運(yùn) 動(dòng)數(shù)據(jù)編輯如下。動(dòng)數(shù)據(jù)編輯如下。 ，8.5 捕捉結(jié)果編輯1動(dòng)作調(diào)節(jié)動(dòng)作調(diào)節(jié) 允許對(duì)身體的一些角度進(jìn)行處理。拿捕捉一個(gè)跑步的人來說，通常擺動(dòng)的上臂與上身是平行的。如果這個(gè)動(dòng)作由一個(gè)胸部異常寬大的角色來完成，它的上臂則會(huì)陷入上身?！皠?dòng)作調(diào)節(jié)”則允許調(diào)整角色肘的運(yùn)動(dòng)，使其離開身體。全過程就像肘靠近胸一樣，逐漸的張開。2混合混合 這個(gè)功能允許在插入和組合軌跡的過程中，進(jìn)行平滑的過渡。比如，一個(gè)行走文件能通過逼真過渡被混合成一個(gè)奔跑文件。3回放回放 這個(gè)功能允許多次混合，使之成為一個(gè)長而有序的文件，

31、并進(jìn)行重復(fù)播放。例如，一個(gè)單一的步伐循環(huán)能被混合并生成一個(gè)不停行走的文件。8.5 捕捉結(jié)果編輯4常量偏移常量偏移角色的旋轉(zhuǎn)、定位和定時(shí)能夠在整體和局部上用多種方法進(jìn)行改變。例如：一個(gè)角色向北走能被旋轉(zhuǎn)為向南走；一個(gè)角色可以由所給時(shí)間及指令任意調(diào)整其所在時(shí)間；若干角色可以通過對(duì)其動(dòng)作的獨(dú)立和同時(shí)的調(diào)整而相互作用；兩個(gè)角色能夠迎面走來并擺動(dòng)雙手。5瞬時(shí)偏移瞬時(shí)偏移 由于使用平滑過渡的彎曲，一個(gè)角色能夠在剎那間轉(zhuǎn)變成為一小范圍的畫面。比如，一個(gè)角色能夠躲在門底下，或者從一個(gè)很高的書架上而不是一個(gè)矮書架上拿下一本書。8.6 運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)捕捉的數(shù)據(jù)可以輸出為不同的格運(yùn)動(dòng)捕捉的數(shù)據(jù)可以輸出為不同的

32、格式，方便地被大多數(shù)三維動(dòng)畫軟件調(diào)用，式，方便地被大多數(shù)三維動(dòng)畫軟件調(diào)用，在在ViconIQViconIQ中可以將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)輸出為中可以將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)輸出為CSMCSM文件格式，該格式的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)可以被文件格式，該格式的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)可以被CharacterCharacterStudioStudio直接調(diào)用。直接調(diào)用。8.6 運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)在3DS MAX中創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)畫角色的骨骼，并編輯該骨骼的形態(tài)使其與動(dòng)畫角色相匹配。l在動(dòng)畫場(chǎng)景中合并一個(gè)小男孩動(dòng)畫角色，如圖11所示。l 對(duì)動(dòng)畫角色模型和CS骨骼進(jìn)行蒙皮編輯，如圖12所示。8.6 運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)l進(jìn)入運(yùn)動(dòng)命令面板，在運(yùn)動(dòng)捕捉展卷欄中單擊 按鈕，彈出如

33、圖13所示的“打開”對(duì)話窗口，在其中瀏覽選擇剛剛輸出的CSM文件。圖13 瀏覽選擇CSM運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)文件8.6 運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng) 在“打開”對(duì)話窗口中單擊“打開”按鈕，彈出運(yùn)動(dòng)捕捉轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)話窗口，在其中可以設(shè)置Key Reduction (關(guān)鍵幀精簡關(guān)鍵幀精簡)、Footstep Extraction(足跡提取足跡提取)和Limb Orientation(肢體方肢體方位位)等參數(shù)。 在運(yùn)動(dòng)捕捉轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)話窗口中單擊OK按鈕，開始輸入運(yùn)動(dòng)捕捉的CSM數(shù)據(jù)，如圖。 輸入結(jié)束后，拖動(dòng)時(shí)間滑塊可以觀察到小男孩被賦予了演員的動(dòng)作，如圖14所示。圖圖14 14 捕捉數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)畫角色的動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)畫角色的動(dòng)作在在BipeBipe系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)捕捉展卷欄下，為我們提供了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)捕捉展卷欄下，為我們提供了種處理原始運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)的專用工具。也可以用于加載種處理原始運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)的專用工具。也可以用于加載標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)的(.bip)(.bip)文件。運(yùn)動(dòng)捕捉展卷欄具有以下功能：文件。運(yùn)動(dòng)捕捉展卷欄具有以下功能：成批轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)捕捉文件。成批轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)捕捉文件。轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)在運(yùn)動(dòng)捕捉緩沖區(qū)中的運(yùn)動(dòng)捕捉文件。轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)在運(yùn)動(dòng)捕捉緩沖區(qū)中的運(yùn)動(dòng)捕捉文件。將一個(gè)運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)幀從存儲(chǔ)