三維動作捕捉技術與應用
一、簡介
三維動作捕捉也叫做三維動作追蹤、三維運動追蹤，是一種用於準確測量運動物體在三維空間運動狀況的技術。它基於計算機圖形學原理，通過排布在空間中的數個視頻捕捉設備將帶有跟蹤設備的運動物體的運動狀況以圖像的形式記錄下來，然後使計算機對該圖像數據進行處理，得到不同時間計量單位上物體的不同點的空間坐標（x,y,z）。運動捕捉（Motion Capture或Mocap）在電影製作和遊戲中，更多指的是匹配移動。當涉及到臉部、手或捕捉細微表情時，常常又被稱作表演捕捉。動作捕捉系統主要應用於軍事、娛樂、體育、醫療領域，還可用於計算機視覺驗證和機器人技術。在電影製作和視頻遊戲開發中，該技術可記錄演員的動作，並將數字角色模型製作成2D或3D電腦動畫。
上世紀七、八十年代，三維動作捕捉開始是作為生物力學研究中的攝影圖像分析工具，隨著技術的日漸成熟，該技術開始拓展到教育、訓練、運動、電腦動畫、電視、電影、視頻遊戲等領域。使用者在各個關節處配備有標記點（Marker），通過標記點間位置和角度的變化來識別動作。目前，動作捕捉系統有機械連結、磁傳感器、光傳感器、聲傳感器和慣性傳感器。每種技術各有優點，但不論何種技術，用戶都會受到某些限制。
l 機械式
是比較古老的跟蹤方式，使用連杆裝置組成。是價格比較便宜、精確度較高和響應時間短的系統。它可以測量物體整個身體運動，沒有延遲，而且不受聲、光、電磁波等外界幹擾。另外，它能夠與力反饋裝置組合在一起。缺點是比較笨重，不靈活，而且有慣性。由於機械連接的限制，其工作空間也受到一定的限制，而且工作空間中還有一塊中心地帶是不能進入的，俗稱機械系統死角，使機械設備不能進入。
l 電磁式
利用磁場的強度進行位置和方位跟蹤。一般包括發射器、接收器、接口和計算機。優點是不存在遮擋問題，接收器與發射器之間允許有其他物體，也就允許用戶走動。相對於其他運動捕捉設備，它的價格較低、精度適中、採樣率高（可達120次/秒）、工作範圍大（可達60m2），允許多個磁跟蹤器跟蹤整個身體運動，並且增加了跟蹤運動的範圍。缺點是易受電子設備、鐵磁場材料的幹擾，可能導致磁場變形引起誤差。測量距離加大時誤差增加，時間延遲交大（33ms），有小的抖動。
l 光學式
使用光學感知來確定對象的實時位置和方向。基於三角測量。光學式設備主要包括感光設備（接收器）、光源（發射器）以及用於信號處理的控制器。感光設備多種多樣，例如普通攝像機、光敏二極體等。光源可以是環境光，也可以是結構光。為了防止可見光的幹擾，通常採用紅外線、雷射等作為光源。由於光的傳播速度很快，因此光學式設備最顯著的優點是速度快、具有較高的更新率和較低的延遲，較適合實時性強的場合，在小範圍內工作效果好，其缺點是價格昂貴。
l 慣性式
通過盲推得出被跟蹤物體的位置，也就是說完全通過運動系統內部的推算。優點是不存在發射源、不怕遮擋、沒有外界幹擾，有無限大的工作空間。缺點是快速積累誤差。
Motion Analysis（美國魔神公司）是全球最大的以光學運動捕捉系統為基礎的高性能電腦生產商，專業為用戶提供3D光學動作捕捉系統。該系統可進行最精確的運動捕捉，六自由度測量，微動測量，三維平臺運動測量。Raptor系列已突破了技術難關，成為了全球唯一可在室內、室外及日光直射條件下使用的系統。其實時功能可使用戶在同一時間觀察到目標的細微動作。強大的功能、簡單的安裝、方便的操作和精準的測量使得 Motion Analysis公司數字捕捉鏡頭成為動作捕捉的標準配置。系統精度高達0.1mm，並且無線、不放光、不發熱、無輻射、耐壓、耐磨、中/英文操作界面。成熟的Motion Analysis數字影像捕捉分析系統已經為全球近千用戶提供了完善的解決方案，涉及運動分析、動畫製作和工業測量與控制等廣泛領域。
二、應用
1 運動分析
△ 步態分析
步態分析是三維動作捕捉在臨床醫學上的主要應用。Motion Analysis數字影像捕捉分析系統在步態分析上的應用體現了技術發展的最高水平。病人走動時，系統可以實時地進行數據採集、分析並以三維動畫的形式進行展示。同時，Motion Analysis系統還可與測力臺、表面肌電等輸出模擬信號的設備同步。結合OrthoTrak、SIMM等軟體，可同時對受試者的步態、肌肉長度、表面肌電、受力等數據進行分析。
配備有多塊測力臺和紅外運動捕捉攝像頭的步態實驗室
三維動作捕捉設備採集的信息
△ 人機功效
人因工程學（又稱工效學、人機工程學、人類工效學、人體工學、人因學）是一門重要的工程技術學科，為管理科學中工業工程專業的一個分支，是研究人和機器、環境的相互作用及其合理結合，使設計的機器和環境系統適合人的生理及心理等特點，達到在生產中提高效率、安全、健康和舒適目的的一門科學。捕獲人類最真實的運動與感覺數據是人機功效的研究與應用中的關鍵，也是開展此類研究必備的基礎設備。動作捕捉設備廣泛應用在人機工程領域，比如汽車設計、機械設計、工作環境及流程。
辦公室人體工學 汽車人體工學設計模板
打字時合理的腕關節、手部和前臂位置圖
△ 運動分析和運動醫學
三維動作捕捉能夠給用戶在許多方面（如提高運動成績、預防損傷、狀態恢復、運動裝備/康復治療裝備等）提供準確的分析和評估。基於該設備提供的準確數據，教練、隊員、隊醫、康復師能更加有效地制定訓練計劃、治療方法和康復原則。
運動分析測評中的標記點位置
運動醫學中的應用
△ 理療康復
Motion Analysis系統可提供一個沒有任何約束和限制的動作採集環境。無論在脊柱紊亂還是功能評定方面，Motion Analysis系統都可為用戶提供迅速、簡潔的解決方案。
動作捕捉在康復中的應用
△ 產品設計及研發
通過三維動作捕捉提供的精確分析、實時的動作反饋，結合運動生物力學、工程力學、工程學設計、材料力學、結構力學等原理對產品進行設計及研發。
△ 醫療機器人
醫療機器人技術是集醫學、生物力學、機械學、機械力學、材料學、計算機圖形學、計算機視覺、數學分析、機器人等諸多學科為一體的新型交叉研究領域，具有重要的研究價值，在軍用和民用上有著廣泛的應用前景，是目前機器人領域的一個研究熱點。醫療機器人主要用於傷病員的手術、救援、轉運和康復。動作捕捉系統可應用於患者身體姿勢精確定位，醫療用交互式虛擬實境仿真，運動學和動力學仿真評估。
腹腔鏡手術機器人
2 動畫製作
三維動作捕捉作為三維動畫主流製作工具，在國外已得到業內的認可和應用，其工作原理是把真實人的動作完全附加到一個三維模型或者角色動畫上。通常藉助該技術，動畫師們模擬真實感較強的動畫角色，並與實拍中演員的大小比例相匹配，然後藉助運動捕捉系統來捕捉表演中演員的每一個細微動作和表情變化，並真實地還原在角色動畫上。
運動捕捉比傳統3D模型的電腦動畫技術更具有優勢，主要體現在以下方面：
(1)更快速,甚至可以獲得實時結果。這在娛樂業中，可以降低基於關鍵幀的動畫成本。Hand Over技術即是一個這樣的例子。
(2)對於程度相同的工作，與傳統技術相比，三維動作捕捉涉及到的工作量不會隨動作的複雜性、時長而變化。這使得許多不同類型、風格的表演可以實現。當賦予每個角色不同的性格時，技術上已經不受限制，而演員的表演天分成為唯一的影響因素。
(3)和傳統的動畫技術相比，運動捕捉技術在給定時間裡產生的動畫數據量極大。對於成本效益和按時完成製作來說非常有利。
缺點：
(1)需要特定的硬體、軟體程序才能獲取並處理數據。
(2)軟體、設備和人員的成本對於小成本製作來說過於昂貴。
(3)捕獲系統對操作空間有特殊的需求，這取決於相機的視角或磁場畸變。
(4)最初的結果受限於：不做額外數據編輯所能執行的結果。
(5)不遵循物理定律的運動無法捕捉到的。
△ 電影藝術
電影製作者是使用Motion Analysis系統的先驅，大量特技採用Motion Analysis系統進行採集製作。全球80％的動畫、遊戲製作工作室都選用Motion Analysis系統。美國影城——好萊塢，已經建立了一個基於Motion Analysis系統並且有16鏡頭的工作室
動作捕捉設備每秒可多次採集一個或多個演員的動作。傳統技術式從多個鏡頭中採集圖像，並計算出3D位置。而運動捕捉技術只需記錄表演者的動作，至於表演者的長相、外貌並不重要。將記錄下來的動畫數據映射到3D模型上，模型便可做出跟表演者一樣的動作。該過程可以和早期逐格帖合的重覆動畫動作技術對比，比如拉爾夫·巴克希拍攝的動畫片《指環王》（1978年）、《美國金曲》（1981年）。這兩部電影先將演員的動作拍攝下來，並將其作為手繪動畫人物逐幀動作的參考指導。
運動捕捉技術在電影中可用來實現CG特效，這在某些情況下取代了賽璐璐動畫。還可以完全由電腦生成電影人物，比如Gollum, The Mummy ,King Kong, 《加勒比海盜》中的Davy Jones，《阿凡達》中的 Na'vi族, 以及 《創世紀》中的Clu。《Sinbad: Beyond the Veil of Mists》是第一個主要採用動作捕捉設備製作的電影，但發行量非常小。而《最終幻想》是第一個採用運動捕捉技術製作並廣泛發行的電影。《指環王：雙塔奇兵》是第一個使用實時動作捕捉系統製作的故事片。
2006年奧斯卡最佳動畫片獎的三個提名中, 其中兩部動畫片（《怪獸屋》、《快樂的大腳》）就採用了運動捕捉技術，只有迪士尼和皮克斯製作的《汽車總動員》沒有採用該技術。
《指環王》（1978年） 《Sinbad: Beyond the Veil of Mists》
《快樂的大腳》（2006年）
三維運動捕捉技術開始廣泛用來製作電影，這些電影試圖採用逼真的數字角色模型來模擬真實場景。通過該技術，湯姆漢克斯便可在《極地快車》中演繹不同類型的角色。2007年改編的傳奇故事《比奧武夫》是用數字角色製作的動畫，這些角色的外貌部分基於那些同時提供聲音和動作的表演者。詹姆斯·卡梅隆的《阿凡達》也採用這種技術，並創造了居住在潘多拉的Na'vi族。
攝影機運動也可通過動作捕捉設備採集到，演員表演時，攝影師即可現場驅動虛擬攝像機搖擺、傾斜或圍繞舞臺移動，該系統設備還可以捕捉相機、道具以及演員的表演。這使得電腦合成人物、圖像和布景與真實相機的視頻圖像一樣具有相同的角度。計算機對數據進行處理並展示演員的動作，根據場景中的物體即可得到所需的攝像機位置。從捕獲的連續鏡頭中獲取攝像機的運動數據被稱為匹配移動或相機跟蹤。
△ 電視
Motion Analysis系統用於電視製作不但可以大量節約資金和時間，而且還能增加電視片斷的真實感和藝術性。現在，該系統廣泛應用於單人動作、多人動作以及面部表情的採集製作。包括《Laflaque》（加拿大）、《Sprookjesboom》（荷蘭）、《Café de Wereld》（荷蘭）、《Headcases》（英國）在內的系列電視均完全採用三維運動捕捉技術製作。
△ 遊戲
視頻遊戲中常常會用三維動作捕捉將運動員、武術家和其他遊戲角色製作成動畫。自1995年發行的視頻遊戲《高地人：最後的麥克勞德家族》以來，這種應用就已實現了。
3 虛擬實境
虛擬實境和擴增實境允許用戶與數字媒體實時交互作用。這對於模擬訓練、視覺感知測試和3D環境中的漫遊來說非常有用。三維動作捕捉還可在數字木偶系統中用來驅動電腦實時生成角色。
U.S. Navy虛擬實境跳傘訓練
STS-132 虛擬實境訓練