三維運動捕捉技術在高校中的應用

摘要 回顧三維運動捕捉技術的歷史和原理，同時結合三維運動捕捉技術的要求，提供建立合理、經濟的三維運動捕捉實驗室的基本構成。

關鍵詞 三維運動捕捉技術；高校；實驗室

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：B 文章編號：1671-489X(2011)18-0116-03

Application of 3-dimensional Motion Capture Technology in Universities//Guo Wei

Abstract This article reviews the history and principle of 3-dimensional motion capture technology， and provides a basic configure of 3-dimensional motion capture technology laboratory with a reasonable and economical way.

Key words 3-dimensional motion capture technology; universities; laboratory

Author’s address Department of Educational Science and Technology of Sichuan University of Arts and Science， Dazhou， Sichuan， China 635000

1 引言

三維運動捕捉技術在影視制作、游戲、虛擬主持人、醫學、體育等多方面都有廣泛的應用，如Motion Analysis（魔神）和Vicon（維康）等運動捕捉系統。雖然三維運動捕捉技術在我國也已形成多家企業和公司的主打產品，但這些產品對實際的高校應用還存在技術、資金以及應用方面的諸多問題。因此，結合三維運動捕捉技術的發展和高校相關專業對該技術需求進行專門探討，探討關于組建合理的高校三維運動捕捉實驗室的相關問題。

2 三維運動捕捉技術

2.1 三維運動捕捉的歷史

運動捕捉技術的出現可以追溯到20世紀初。早在1915年，弗雷斯格發明一種動畫家用來逐格追蹤真實運動的動畫技術——Rotoscope。當時的技術只是動畫家逐格描繪已經拍攝好的電影膠片，可以說是運動捕捉的源頭。1937年，迪斯尼公司也試圖通過這種方法來進行動畫創作，但直到20世紀70年代以后，隨著計算機技術的迅速發展，才使得運動捕捉逐漸脫離原始的手工描繪[1]。目前常用的運動捕捉技術主要有機械式、聲學式、電磁式和光學式，其中以光學式最為常見[2]。

2.2 光學運動捕捉原理和過程

光學運動捕捉的工作原理是通過光點的監視和跟蹤完成的。從理論上講，對于空間中的任意一點，只要是能同時被兩臺相機同時記錄下相應的圖像和參數，那么就可以確定該點的空間位置[3]。當相機的拍攝速率足夠高時，可以從圖像序列中得到該點的運動軌跡。為了得到準確的運動軌跡，要求相機有較高的拍攝速率，一般要求達到每秒60幀以上。

一個典型的光學式運動捕捉系統通常使用6～8個相機環繞表演場地排列，這些相機的視野重疊區域就是表演者的動作范圍。基本步驟是首先進行相機的校準設置，然后在穿上單色表演服裝的表演者身上按照捕捉要求貼好光點即Marker，相機將識別和處理這些標志，并且進行圖像的采集。其次，當采集的圖像經過計算機系統進行處理后在虛擬的三維空間中對這些Marker進行匹配跟蹤，最后經過計算機后期處理，三維空間中的運動軌跡就完整地被捕捉下來。如果這些運動軌跡賦予由3DS MAX、MAYA等三維動畫制作軟件制作的動畫角色，那么就可以實現很多現實生活中無法實現的場景。如果在表演者的臉部表情關鍵點貼上Marker，則可以實現表情捕捉，而這正是很多動畫師們夢寐以求的效果。

3 三維運動捕捉系統的實驗室建設

三維運動捕捉技術在商業和娛樂上的很多應用已經越來越普及，在一些大型電影和電視節目的攝制過程中大量地運用了三維運動捕捉，實現很多令人無法想象和憧憬的鏡頭效果。但光學式三維運動捕捉系統一個非常大的遺憾就是價格昂貴，只有一些比較有實力的公司和單位才能配齊這個系統。如果要在一般高校影視動漫專業配備三維運動捕捉系統，就必須在實驗室建設和捕捉系統配置上認真研究。

3.1 運動捕捉設備

國外的運動捕捉設備，例如美國的魔神公司生產的運動捕捉設備，包括Hawk標準型系統、Eagle標準型系統、Raptor-H室內/室外型系統等動作捕捉及分析系統毫無疑問是動作捕捉行業的領導者，為全球近千用戶提供卓越性能的光學動作捕捉及分析系統，遍及動畫制作、運動分析、工業測量與控制等各個領域[4]。國內的運動捕捉系統也有其特色，例如東方新銳reg;DVMC-8820三維運動捕捉系統，它是大連東銳軟件有限公司自主研發成功的中國唯一擁有完全自主知識產權的實用光學式運動捕捉產品。系統采用多臺近紅外線高感度攝像機及相關設備，利用獨自研發的“S/D三維空間標定算法”，實現高精度實時三維運動數據的采集，支持實時在線或者離線的運動捕捉、分析[5]。國內外的這些運動捕捉設備無疑為建立高校合理的運動捕捉實驗室提供了很好的軟硬件支持。

3.2 運動捕捉系統的配置

一般的運動捕捉系統是由傳感器、系統捕捉設備、數據傳輸設備、數據處理設備組成的[3]。傳感器是指固定在運動物體特定部位的跟蹤裝置，它把物體的運動位置信息傳遞給運動捕捉系統；系統捕捉設備是負責捕捉運動信號的裝置，光學運動捕捉系統一般是指高分辨率的紅外攝像機；數據傳輸設備負責將信號捕捉設備捕捉到的信息快速準確地傳輸到計算機的裝置；數據處理設備負責計算機系統中的數據修正和處理，一般是指數據處理軟件或硬件。

結合具體的高校實驗室配置情況，建立一套運動捕捉系統（圖1）。該系統主要以實用性為原則，捕捉系統必須用到的設備盡可能配置完整，而且各設備性能也可根據學校具體的情況進行選擇配置。

下面介紹光學運動捕捉系統的主要組成要素。

1）高分辨紅外攝像機。攝像機的功能是捕捉運動物體主要的運動數據。高分辨紅外攝像機具有紅外高感度，高圖像分辨率等功能。捕捉實驗室攝像機的多少可以根據實際情況來定，一般來說，6～8臺就可以勝任大部分的捕捉工作。

2）多路視頻控制器和專用數據電纜。多路視頻控制器用于攝像機的視頻信號的實時采集、同步處理，與運動捕捉工作站接口，專用的數據電纜具有視頻信號傳輸，同步控制信號傳輸，攝像機、LED照明供電傳輸等功能。

3）三維運動數據捕捉工作站。工作站可以根據市場行情配置稍高端的系統，一般來說，具有運算速度高和穩定性好的特點，能最大限度地支持實時運動數據采集和復雜演算處理實現就可以。

4）三維運動捕捉系統處理軟件。系統處理軟件是運動捕捉的核心之一，一般由高分辨率的紅外攝像機采集的數據信息在系統軟件進行處理的時候，需要對光學運動捕捉產生的一些數據的欠缺和記錄的誤識進行補充光點、調整遺漏等操作[2]。光學式運動捕捉系統的捕捉工作在后期的軟件里進行調節和修正是一個非常重要的工作。因此，系統處理軟件一般采用市場上性價比比較高的公司出品的軟件。

在硬件設施上，除了捕捉系統主要的攝像機、多路視頻控制器、數據捕捉工作站以外，還有光點標識球、演員服裝、三維空間標定儀、專用的數據電纜等。要建立一個相對實用的捕捉實驗室，還需要對實驗室建設的其他方面進行綜合考慮。比如，實驗室捕捉攝像機的搭建問題。攝像機的搭建可以采取高空支架的方式或者是三腳架搭建的方式來進行，高空支架成本要高于三腳架，但高空支架可以大角度來捕捉數據。三腳架捕捉的范圍雖然要相對小些，但三腳架搭建的相機其自由度更靈活一些。

3.3 可用配件

為了讓捕捉實驗室更加完善，可以選用一些其他的配件，比如說外部輔助設備和媒體、面部表情捕捉的專用設備。外部輔助設備包括演員表演用到的刀、樓梯、吊繩等，這些設備是用來模擬現實環境，讓演員更好地表演用的[3]。面部表情捕捉的專用設備是專門用來捕捉演員面部表情變化的，有了這個專業面部表情的捕捉設備后，可以更加真實地捕捉到現實生活中人們喜怒哀樂的各種表情。

4 展望和總結

盡管三維運動捕捉技術的應用范圍很廣，包括機器人遙控、遠程教育、人體生理學、生物力學、司法等，甚至是可以運用到非常有特色的民族舞蹈等非物質文化遺產的研究中，但三維運動捕捉技術到目前還沒有能在高校普及。本文的一些研究期望對高校建立特色的三維運動捕捉實驗室及其合理的運用提供一些有意義的參考。

參考文獻

[1]趙杰.動態捕捉五大技術種類以及光學式運動捕捉數據的實用技巧:上[J].電視字幕:特技與動畫，2009(03):30-32

[2]王士華，于濤，簡津暉，管倩秋.Motion Capture運動捕捉高教教程[M].北京:北京希望電子出版社，2002

[3]孫國玉.運動捕捉技術與FilmBox基礎教程[M].北京:北京廣播學院出版社，2002

[4]美國魔神運動分析技術公司[EB/OL].[2011-3-10].http://www.motionanalysis.com.cn/product/index.html

[5]東方新銳DVMC-8820三維運動捕捉/分析系統[EB/OL].[2011-3-12].http://www.dorealsoft.com/product/

?act=viewdetailthreadid=49

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