動作捕捉技術的類型特征分析

譚欣

摘要：本文首先梳理了動作捕捉技術的現狀，分析四種類型的動作捕捉技術，并探索每一類型的捕捉技術的優劣勢。綜合比較幾種主要方案的特點，有助于為業界在選擇動作捕捉技術方面提供一個更優化的選擇。

關鍵詞：動作捕捉技術;傳感器;技術類型

動作捕捉是一種特殊的效果技術，在近10年漸漸的開花結果，它被的簡稱是“mocap”（motion capture）。記錄生物個體的真實的細節的運動，實時向虛擬平臺軟件傳送數據，并將其應用于三維模型的技術。使用此技術可以為虛擬的角色提供逼真的，具有生物細膩特征的動作?；?動作捕捉技術的出色適用性，它現在廣泛的應用在電影、娛樂、電子游戲、體育、醫療保健甚至軍事領域。隨著美國好萊塢的科幻電影和現實的電子游戲在世界范圍內流行，以“阿凡達”和“最終幻想”等形成文化現象的電影和游戲為媒介，動作捕捉等電影和動畫的特殊效果和廣泛應用于計算機游戲的技術越來越切身。但是，它是從哪里產生的呢？這種乍一看很巧妙，細微的技術是在多么短的時間內在整個社會的各種水平上被傳承下來的呢？這些都是需要我們探索的地方。

一、動作捕捉技術的概況

為了能夠更好的理解動作捕捉技術伴隨著技術的發展給現代世界帶來了多么大的影像，需要我們了解的一點還包括動作捕捉技術的起源。一般來說動作捕捉的起源被認為是1915年的時候，費舍爾Fleischer（Fleischer）發明的“影像描摹”（rotoscope），這個技術是在動畫制作中產生的技術之一。 藝術家通過細致的描繪，使用向他們播放的真人視頻剪輯中的各幀的靜止畫面，模擬虛擬世界中動畫人物的真實表演。 這個過程本身就是枯燥無味的。 但是，對于這些動畫制作者們來說，感到幸運的，也是值得紀念的是1983年MIT（麻省理工大學）開發的一組牽線木偶的圖形。 該系統使用被稱為“Op-Eye”的傳統光學動作捕捉系統，通過依賴一系列發光二極管制作動作來生成動畫腳本。 從本質上來講，創造出來的這一套牽線木偶被用作最初的“動作捕捉服裝”的組套。 它有一個數量有限的感應球，這些感應球可以根據指定的人體結構中重要的骨骼點進行位置的確定。這種技術的誕生，迅速地為動作捕捉在其后的快速發展奠定了基礎，提供了追蹤后續各種動作捕捉的方向，引領了包括今天的動作捕捉技術在內的其后的動作捕捉技術的熱潮。

現在，一提到動作捕捉，就會想起在黑色緊身衣上，在人的全身的關鍵部位配置白色感應球的畫面。實際上，動作捕捉技術這套系統是基于早期的光學跟蹤系統而來的，它最新的發展其實也是上文所提到的牽線木偶系統的遺產。盡管如此，該規格與最新的無感應點動作掃描技術相比來說也是稍顯老舊的。微軟在游戲主機xbox360上使用的技術“kinect”，完全可以不通過傳感器點的作用，就能掃描捕捉到對象所有的細膩動作。

二、 動作捕捉技術的類型與特點

在新媒體時代，伴隨著科技技術的發展，現在主流的動作捕捉技術主要有五類，即分為光學式、機械式、電磁式、聲學式和視頻捕捉式，下文將分別對這五類動作捕捉技術進行探索，分析每一類技術的特點，為業界提供不同類型動作捕捉技術更細致的認識。

（一）光學式動作捕捉

在當前廣泛使用的方法中，光學式動作捕捉技術主要是通過光點（Marker）監視和跟蹤來完成的。它的運行原理主要是依賴于不同的攝像機在固定空間中的位置，只要捕捉到對象特定光點（Marker），并對其進行追蹤，就能執行對象動作捕捉。

光學式動作捕捉具有以下優點：首先，表演者，也就是需要被捕捉到動作的對象，其動作幅度大，并且沒有線纜和一些復雜的機械裝置束縛在對象上，其表演動作是自由的;其次，采樣速率很高，通常以每秒60幀，這樣的速率已經基本能夠滿足絕大多數動作捕捉的需要來。第三，相對其它方式在價格上來看，Maker較為便宜，系統擴展的成本也相對比較低。

光學動作捕捉系統也有一些缺點：首先，雖然Maker相對便宜，但整個系統的整體造價較高，一般來說完整、典型的光學 動作捕捉系統是由32臺左右的攝像機構成的，同時具有巨大又復雜的后處理設備，通常完整的光學動作捕捉系統組的價格高達數十萬或數百萬;其次，光學動作捕捉系統對環境的要求相對較高，表演對象的活動空間范圍是有限的。由于對于光學動作捕捉系統來說，其對場地的照明情況和反射情況非常敏感，并且容易導致Marker采樣錯誤，因此對場地的限制度很高。另外，由于攝像機分布的時候需要一定的空間，所以動作捕捉多限定在室內條件下進行。由于動作捕捉所需的場地不大，這一原因限制了需要制作大范圍運動的動作捕捉內容。第三，光學動作捕捉在后期制作上需要的成本較大，實時性不好。 由于在動作中各Marker容易相互混淆或遮擋，會產生錯誤的動作捕捉結果，因此需要人工介入后處理數據。

（二）機械式動作捕捉

這是指需要使用機械裝置才能完成運動信息的采集。想要運用典型的機械動作捕捉系統捕捉對象的形態，需要通過安裝在每個關節上的角度傳感器，才能完成每個時刻的關節形態的采集。

機械式動作捕捉具有以下四個優點：首先，相對于光學的動作捕捉系統來說，對外界環境的限制相對較少，不需要受到材料，布料，光條件等外在環境的限制;其次，它的捕捉精度高，對于捕捉對象的運動信息可以比較精準的還原其真實性;第三，由于數據處理量不大，而且實現捕捉的原理比較簡單，能夠滿足實時動作捕捉的需求。第四，機械式動作捕捉的模塊是獨立的，也不會像光學式動作捕捉一樣收到Marker的影像，因此，機械式動作捕捉可以同時捕捉到多個對象。但機械動作捕捉的缺點是，對捕捉對象的動作有所限制，若捕捉對象的動作太大，則不臺適合使用機械式動作捕捉。

（三）電磁式動作捕捉

它也是目前常用的解決方案。該系統主要由電磁發射源，接收傳感器和數據處理單元組成。其運作原理是，首先，電磁發射源產生一個電磁場，這個電磁場是低頻空間穩定分布的。其次，捕捉對象需要佩戴若干個接收傳感器，這個傳感器主要是用來感應對象在磁場中的運動。接受傳感器將磁場線切開，用來模擬信號的轉換，并將信號發送到數據處理單元中去，從而幫助數據處理單元根據剛剛接收到的信號推算出每個傳感器的空間方向。

電磁動作捕捉有兩大優點：一是這項技術已經相對比較成熟了，且成本較低;二是同機械式動作捕捉一樣可以進行實時捕捉。電磁式 動作捕捉的缺點：首先是對于像跑步這種高速運動時的捕捉效果來說會出現失真的情況。

（四）聲學動作捕捉

聲學動作捕捉是由超聲發生器，接收器和處理單元組成。其原理是首先由超聲波發生器不斷地向外放出超聲波，3～4個超聲波探頭構成了接收器的內部，根據超聲波到達不同探頭之前的時間差去計算對應接收器的空間位置以及其運動方向。

聲學動作捕捉系統可利用超聲的透射性解決人體遮蔽問題，且成本較低。但其缺點也較為明顯，首先是捕捉存在較大的延遲，實時性差，不及前者;其次，精度不高，捕捉存在較大的誤差;第三，接收器和發射器之間若存在大的屏蔽，則會影響聲波傳輸;第四，聲波的速度容易受到空氣溫度、濕度、氣壓等多種因素的影響。

參考文獻：

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