概述
動作捕捉儀是為第二次世界大戰(zhàn)后，起源于物理治療、康復(fù)領(lǐng)域中，對傷殘、截肢、腦癱、帕金森癥患者運(yùn)動及行為學(xué)分析研究，誕生與斯坦福大學(xué)神經(jīng)生物力學(xué)實驗室，該實驗室至今仍是該領(lǐng)域的權(quán)威機(jī)構(gòu)。運(yùn)動捕捉技術(shù)與20世紀(jì)70年代開始應(yīng)用于動畫制作領(lǐng)域，迪斯尼公司曾試圖通過捕捉演員的動作以改進(jìn)動畫制作效果。
三維動作捕捉及分析系統(tǒng)
當(dāng)計算機(jī)技術(shù)剛開始應(yīng)用于動畫制作時，紐約計算機(jī)圖形技術(shù)實驗室的Rebecca Allen就設(shè)計了一種光學(xué)裝置，將演員的表演姿勢投射在計算機(jī)屏幕上，作為動畫制作的參考。之后從20世紀(jì)80年代開始，美國Biomechanics實驗室、Simon Fraser大學(xué)、麻省理工學(xué)院等開展了計算機(jī)人體運(yùn)動捕捉的研究。此后，運(yùn)動捕捉技術(shù)吸引了越來越多的研究人員和開發(fā)商的目光，并從試用性研究逐步走向了實用化。1988年，SGI公司開發(fā)了可捕捉人頭部運(yùn)動和表情的系統(tǒng)。隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和動畫制作要求的提高，目前在發(fā)達(dá)國家，運(yùn)動捕捉已經(jīng)進(jìn)入了實用化階段，有多家廠商相繼推出了多種商品化的運(yùn)動捕捉設(shè)備，如MotionAnalysis、Polhemus、Sega Interactive、MAC、X-ist、FilmBox等，其應(yīng)用領(lǐng)域也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了表演動畫，并成功地用于虛擬現(xiàn)實、游戲、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。
到目前為止，常用的運(yùn)動捕捉技術(shù)從原理上說可分為機(jī)械式、聲學(xué)式、電磁式和光學(xué)式。同時，不依賴于專用傳感器，而直接識別人體特征的運(yùn)動捕捉技術(shù)也將很快走向?qū)嵱谩２煌淼脑O(shè)備各有其優(yōu)缺點，一般可從以下幾個方面進(jìn)行評價：定位精度；實時性；使用方便程度；可捕捉運(yùn)動范圍大小；成本；抗干擾性；多目標(biāo)捕捉能力。
組成
從技術(shù)的角度來說，運(yùn)動捕捉的實質(zhì)就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運(yùn)動軌跡。典型的運(yùn)動捕捉設(shè)備一般由以下幾個部分組成：
a) 傳感器
所謂傳感器是固定在運(yùn)動物體特定部位的跟蹤裝置，它將向Motion capture系統(tǒng)提供運(yùn)動物體運(yùn)動的位置信息，一般會隨著捕捉的細(xì)致程度確定跟蹤器的數(shù)目。
b) 信號捕捉設(shè)備
這種設(shè)備會因Motion capture系統(tǒng)的類型不同而有所區(qū)別，它們負(fù)責(zé)位置信號的捕捉。對于機(jī)械系統(tǒng)來說是一塊捕捉電信號的線路板，對于光學(xué)Motion capture系統(tǒng)則是高分辨率紅外攝像機(jī)。
c) 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備
Motion capture系統(tǒng)，特別是需要實時效果的Motion capture系統(tǒng)需要將大量的運(yùn)動數(shù)據(jù)從信號捕捉設(shè)備快速準(zhǔn)確地傳輸?shù)接嬎銠C(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，而數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備就是用來完成此項工作的。
d) 數(shù)據(jù)處理設(shè)備
經(jīng)過Motion capture系統(tǒng)捕捉到的數(shù)據(jù)需要修正、處理后還要有三維模型向結(jié)合才能完成計算機(jī)動畫制作的工作，這就需要我們應(yīng)用數(shù)據(jù)處理軟件或硬件來完成此項工作。軟件也好硬件也罷它們都是借助計算機(jī)對數(shù)據(jù)高速的運(yùn)算能力來完成數(shù)據(jù)的處理，使三維模型真正、自然地運(yùn)動起來。
技術(shù)之一：機(jī)械式運(yùn)動捕捉
機(jī)械式運(yùn)動捕捉依靠機(jī)械裝置來跟蹤和測量運(yùn)動軌跡。典型的系統(tǒng)由多個關(guān)節(jié)和剛性連桿組成，在可轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)中裝有角度傳感器，可以測得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度的變化情況。裝置運(yùn)動時，根據(jù)角度傳感器所測得的角度變化和連桿的長度，可以得出桿件末端點在空間中的位置和運(yùn)動軌跡。實際上，裝置上任何一點的運(yùn)動軌跡都可以求出，剛性連桿也可以換成長度可變的伸縮桿，用位移傳感器測量其長度的變化。
機(jī)械式運(yùn)動捕捉的一種應(yīng)用形式是將欲捕捉的運(yùn)動物體與機(jī)械結(jié)構(gòu)相連，物體運(yùn)動帶動機(jī)械裝置，從而被傳感器實時記錄下來。X-ist的FullBodyTracker是一種頗具代表性的機(jī)械式運(yùn)動捕捉產(chǎn)品。
這種方法的優(yōu)點是成本低，精度也較高，可以做到實時測量，還可容許多個角色同時表演。但其缺點也非常明顯，主要是使用起來非常不方便，機(jī)械結(jié)構(gòu)對表演者的動作阻礙和限制很大。而"猴子"較難用于連續(xù)動作的實時捕捉，需要操作者不斷根據(jù)劇情要求調(diào)整"猴子"的姿勢，很麻煩，主要用于靜態(tài)造型捕捉和關(guān)鍵幀的確定。
技術(shù)之二：聲學(xué)式運(yùn)動捕捉
常用的聲學(xué)式運(yùn)動捕捉裝置由發(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超聲探頭組成。通過測量聲波從發(fā)送器到接收器的時間或者相位差，系統(tǒng)可以計算并確定接收器的位置和方向。Logitech、SAC等公司都生產(chǎn)超聲波運(yùn)動捕捉設(shè)備。
這類裝置成本較低，但對運(yùn)動的捕捉有較大延遲和滯后，實時性較差，精度一般不很高，聲源和接收器間不能有大的遮擋物體，受噪聲和多次反射等干擾較大。由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)的補(bǔ)償。
技術(shù)之三：電磁式運(yùn)動捕捉
電磁式運(yùn)動捕捉系統(tǒng)是目前比較常用的運(yùn)動捕捉設(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)生按一定時空規(guī)律分布的電磁場；接收傳感器（通常有10～20個）安置在表演者身體的關(guān)鍵位置，隨著表演者的動作在電磁場中運(yùn)動,通過電纜或無線方式與數(shù)據(jù)處理單元相連。
它的缺點在于對環(huán)境要求嚴(yán)格，在表演場地附近不能有金屬物品，否則會造成電磁場畸變，影響精度。系統(tǒng)的允許表演范圍比光學(xué)式要小，特別是電纜對表演者的活動限制比較大，對于比較劇烈的運(yùn)動和表演則不適用。
技術(shù)之四：光學(xué)式運(yùn)動捕捉
光學(xué)式運(yùn)動捕捉通過對目標(biāo)上特定光點的監(jiān)視和跟蹤來完成運(yùn)動捕捉的任務(wù)。目前常見的光學(xué)式運(yùn)動捕捉大多基于計算機(jī)視覺原理。從理論上說，對于空間中的一個點，只要它能同時為兩部相機(jī)所見，則根據(jù)同一時刻兩部相機(jī)所拍攝的圖像和相機(jī)參數(shù)，可以確定這一時刻該點在空間中的位置。當(dāng)相機(jī)以足夠高的速率連續(xù)拍攝時，從圖像序列中就可以得到該點的運(yùn)動軌跡。 MotionAnalysis公司是該領(lǐng)域的佼佼者。
典型的光學(xué)式運(yùn)動捕捉系統(tǒng)通常使用6～8個相機(jī)環(huán)繞表演場地排列，這些相機(jī)的視野重疊區(qū)域就是表演者的動作范圍。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、腕等位置貼上一些特制的標(biāo)志或發(fā)光點，稱為"Marker"，視覺系統(tǒng)將識別和處理這些標(biāo)志，如圖4所示。系統(tǒng)定標(biāo)后，相機(jī)連續(xù)拍攝表演者的動作，并將圖像序列保存下來，然后再進(jìn)行分析和處理，識別其中的標(biāo)志點，并計算其在每一瞬間的空間位置，進(jìn)而得到其運(yùn)動軌跡。為了得到準(zhǔn)確的運(yùn)動軌跡，相機(jī)應(yīng)有較高的拍攝速率，一般要達(dá)到每秒60幀以上。
如果在表演者的臉部表情關(guān)鍵點貼上Marker，則可以實現(xiàn)表情捕捉，如圖5所示。目前大部分表情捕捉都采用光學(xué)式。
有些光學(xué)運(yùn)動捕捉系統(tǒng)不依靠Marker作為識別標(biāo)志，例如根據(jù)目標(biāo)的側(cè)影來提取其運(yùn)動信息，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)用圖像識別、分析技術(shù)，由視覺系統(tǒng)直接識別表演者身體關(guān)鍵部位并測量其運(yùn)動軌跡的技術(shù)，估計將很快投入實用。
光學(xué)式運(yùn)動捕捉的優(yōu)點是表演者活動范圍大，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。其采樣速率較高，可以滿足多數(shù)高速運(yùn)動測量的需要。Marker的價格便宜，便于擴(kuò)充。
這種方法的缺點是系統(tǒng)價格昂貴，雖然它可以捕捉實時運(yùn)動，但后處理（包括Marker的識別、跟蹤、空間坐標(biāo)的計算）的工作量較大，對于表演場地的光照、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)動復(fù)雜時，不同部位的Marker有可能發(fā)生混淆、遮擋，產(chǎn)生錯誤結(jié)果，這時需要人工干預(yù)后處理過程。
運(yùn)動捕捉技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用
將運(yùn)動捕捉技術(shù)用于動畫制作，可極大地提高動畫制作的水平。它極大地提高了動畫制作的效率，降低了成本，而且使動畫制作過程更為直觀，效果更為生動。隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，表演動畫技術(shù)將會得到越來越廣泛的應(yīng)用，而運(yùn)動捕捉技術(shù)作為表演動畫系統(tǒng)不可缺少的、最關(guān)鍵的部分，必然顯示出更加重要的地位。
運(yùn)動捕捉技術(shù)不僅是表演動畫中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在其他領(lǐng)域也有非常廣泛的應(yīng)用前景。
提供新的人機(jī)交互手段 表情和動作是人類情緒、愿望的重要表達(dá)形式，運(yùn)動捕捉技術(shù)完成了將表情和動作數(shù)字化的工作，提供了新的人機(jī)交互手段，比傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標(biāo)更直接方便，不僅可以實現(xiàn)"三維鼠標(biāo)"和"手勢識別"，還使操作者能以自然的動作和表情直接控制計算機(jī)，并為最終實現(xiàn)可以理解人類表情、動作的計算機(jī)系統(tǒng)和機(jī)器人提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)
為實現(xiàn)人與虛擬環(huán)境及系統(tǒng)的交互，必須確定參與者的頭部、手、身體等的位置與方向，準(zhǔn)確地跟蹤測量參與者的動作，將這些動作實時檢測出來，以便將這些數(shù)據(jù)反饋給顯示和控制系統(tǒng)。這些工作對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是必不可少的，這也正是運(yùn)動捕捉技術(shù)的研究內(nèi)容。
機(jī)器人遙控
機(jī)器人將危險環(huán)境的信息傳送給控制者，控制者根據(jù)信息做出各種動作，運(yùn)動捕捉系統(tǒng)將動作捕捉下來，實時傳送給機(jī)器人并控制其完成同樣的動作。與傳統(tǒng)的遙控方式相比，這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)更為直觀、細(xì)致、復(fù)雜、靈活而快速的動作控制，大大提高機(jī)器人應(yīng)付復(fù)雜情況的能力。在當(dāng)前機(jī)器人全自主控制尚未成熟的情況下，這一技術(shù)有著特別重要的意義。
互動式游戲
可利用運(yùn)動捕捉技術(shù)捕捉游戲者的各種動作，用以驅(qū)動游戲環(huán)境中角色的動作，給游戲者以一種全新的參與感受，加強(qiáng)游戲的真實感和互動性。
體育訓(xùn)練
運(yùn)動捕捉技術(shù)可以捕捉運(yùn)動員的動作，便于進(jìn)行量化分析，結(jié)合人體生理學(xué)、物理學(xué)原理，研究改進(jìn)的方法，使體育訓(xùn)練擺脫純粹的依靠經(jīng)驗的狀態(tài)，進(jìn)入理論化、數(shù)字化的時代。還可以把成績差的運(yùn)動員的動作捕捉下來，將其與優(yōu)秀運(yùn)動員的動作進(jìn)行對比分析，從而幫助其訓(xùn)練。
另外，在人體工程學(xué)研究、模擬訓(xùn)練、生物力學(xué)研究等領(lǐng)域，運(yùn)動捕捉技術(shù)同樣大有可為。
可以預(yù)計，隨著技術(shù)本身的發(fā)展和相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)水平的提高，運(yùn)動捕捉技術(shù)將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。
主要代表品牌
IS-1200、ReActor2、Vicon Organic、Motion、A.R.T.等等。
