慣性動(dòng)作捕捉，是一種新型的人體動(dòng)作捕捉技術(shù)，它用無(wú)線(xiàn)動(dòng)作姿態(tài)傳感器采集身體部位的姿態(tài)方位，利用人體運動(dòng)學(xué)原理恢復人體運動(dòng)模型，同時(shí)采用無(wú)線(xiàn)傳輸的方式將數據呈現在電腦軟件里。

慣性動(dòng)作捕捉系統出現之前，最常見(jiàn)的是光學(xué)動(dòng)捕技術(shù)。它是通過(guò)在演員身上貼marker點(diǎn)，然后用高速攝像機來(lái)捕捉marker點(diǎn)的準確位移，再將捕捉數據傳輸到電腦設備上，由此完成動(dòng)作捕捉的全過(guò)程。光學(xué)動(dòng)捕的整套設備的成本極為昂貴，架設繁瑣，易受遮擋或光干擾的影響，給后期處理工作帶來(lái)很多麻煩。對于一些遮擋嚴重的動(dòng)作來(lái)說(shuō)，光學(xué)動(dòng)捕無(wú)法準確實(shí)時(shí)還原例如下蹲、擁抱、扭打等動(dòng)作。而基于慣性傳感器系統的動(dòng)作捕捉技術(shù)的出現，大大改善了這一現狀。

 

 

和光學(xué)動(dòng)捕技術(shù)相比，慣性動(dòng)作捕捉技術(shù)有著(zhù)對捕捉環(huán)境的高適應性，它的技術(shù)優(yōu)勢、成本優(yōu)勢和使用便捷的優(yōu)勢，使得它在各行業(yè)有著(zhù)優(yōu)異的表現。在影視動(dòng)畫(huà)、體驗式互動(dòng)游戲、虛擬演播室、真人模擬演練、體育訓練、醫療康復等領(lǐng)域，慣性動(dòng)作捕捉系統都有著(zhù)明顯優(yōu)于其他設備的特點(diǎn)。

 

 

動(dòng)作捕捉系統的一般性結構主要分為三個(gè)部分：數據采集設備、數據傳輸設備、數據處理單元，慣性式動(dòng)作捕捉系統即是將慣性傳感器應用到數據采集端，數據處理單元通過(guò)慣性導航原理對采集到的數據進(jìn)行處理，從而完成運動(dòng)目標的姿態(tài)角度測量。

 

 

在運動(dòng)物體的重要節點(diǎn)佩戴集成加速度計，陀螺儀和磁力計等慣性傳感器設備，傳感器設備捕捉目標物體的運動(dòng)數據，包括身體部位的姿態(tài)、方位等信息，再將這些數據通過(guò)數據傳輸設備傳輸到數據處理設備中，經(jīng)過(guò)數據修正、處理后，最終建立起三維模型，并使得三維模型隨著(zhù)運動(dòng)物體真正、自然地運動(dòng)起來(lái)。

 

經(jīng)過(guò)處理后的動(dòng)捕數據，可以應用在動(dòng)畫(huà)制作，步態(tài)分析，生物力學(xué)，人機工程等領(lǐng)域。

 

 

加速計是用來(lái)檢測傳感器受到的加速度的大小和方向的，它通過(guò)測量組件在某個(gè)軸向的受力情況來(lái)得到結果，表現形式為軸向的加速度大小和方向（XYZ），但用來(lái)測量設備相對于地面的擺放姿勢，則精確度不高，該缺陷可以通過(guò)陀螺儀得到補償。

 

陀螺儀的工作原理是通過(guò)測量三維坐標系內陀螺轉子的垂直軸與設備之間的夾角，并計算角速度，通過(guò)夾角和角速度來(lái)判別物體在三維空間的運動(dòng)狀態(tài)。它的強項在于測量設備自身的旋轉運動(dòng)，但不能確定設備的方位。而又剛好磁力計可以彌補這一缺陷，它的強項在于定位設備的方位，可以測量出當前設備與東南西北四個(gè)方向上的夾角。

 

 

在動(dòng)作捕捉系統中，陀螺儀傳感器用于處理旋轉運動(dòng)，加速計用來(lái)處理直線(xiàn)運動(dòng)，磁力計用來(lái)處理方向。通俗易懂地講——陀螺儀知道“我們是否轉了身”，加速計知道“我們運動(dòng)多長(cháng)距離”，而磁力計則知道“我們的運動(dòng)方向”。

 

在動(dòng)作捕捉系統中三種傳感器充分利用各自的特長(cháng)，來(lái)跟蹤目標物體的運動(dòng)。

 

慣性式動(dòng)作捕捉系統采集到的信號量少，便于實(shí)時(shí)完成姿態(tài)跟蹤任務(wù)，解算得到的姿態(tài)信息范圍大、靈敏度高、動(dòng)態(tài)性能好；對捕捉環(huán)境適應性高，不受光照、背景等外界環(huán)境干擾，并且克服了光學(xué)動(dòng)捕系統攝像機監測區域受限的缺點(diǎn)；克服了VR設備常有的遮擋問(wèn)題，可以準確實(shí)時(shí)地還原如下蹲、擁抱、扭打等動(dòng)作。此外，慣性式動(dòng)作捕捉系統還可以實(shí)現多目標捕捉。

 

 

使用方便，設備小巧輕便，便于佩戴。

 

 

 

相比于光學(xué)動(dòng)作捕捉成本低廉，使得其不但可以應用于影視、游戲等行業(yè)，也有利于推動(dòng)VR設備更快地走進(jìn)大眾生活。

 

總的來(lái)說(shuō)，慣性式動(dòng)作捕捉技術(shù)有著(zhù)對捕捉環(huán)境的高適應性，它的技術(shù)優(yōu)勢、成本優(yōu)勢和使用便捷的優(yōu)勢，使得它在影視動(dòng)畫(huà)、體驗式互動(dòng)游戲、虛擬演播室、真人模擬演練、體育訓練、醫療康復等領(lǐng)域都有著(zhù)優(yōu)異的表現。

 

 

一般情況下慣性式動(dòng)作捕捉系統采用MEMS三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁力計組成的慣性測量單元（IMU，Inertial Measurement Unit）來(lái)測量傳感器的運動(dòng)參數。而由IMU所測得的傳感器運動(dòng)參數有嚴重噪聲干擾，MEMS 器件又存在明顯的零偏和漂移，慣性式動(dòng)作捕捉系統無(wú)法長(cháng)時(shí)間地對人體姿態(tài)進(jìn)行精確的跟蹤。只有解決了這一個(gè)問(wèn)題，才能使慣性式動(dòng)作捕捉系統在VR行業(yè)充分發(fā)揮作用。

 

 

首先對IMU所測得的傳感器運動(dòng)數據做預處理，濾掉原始慣性數據中摻雜的噪聲干擾；

 

然后不斷地進(jìn)行標定和校準，即不斷地對各慣性器件進(jìn)行相應的補償以解決MEMS器件的零偏和漂移，提高其數據的精確度和可靠程度；

 

接下來(lái)在進(jìn)行姿態(tài)解算，并利用姿態(tài)參考系統驗證姿態(tài)角度數據的精確度，最終實(shí)現整個(gè)慣性式動(dòng)作捕捉。

 

此外，與之不同的是，國內的G-Wearables則采用IK+室內定位技術(shù)做主動(dòng)作捕捉算法，使用慣性式動(dòng)作捕捉做輔助算法。這套方案中利用室內定位技術(shù)對慣性式動(dòng)作捕捉技術(shù)做實(shí)時(shí)校準，避免了不斷校準的麻煩。

 

 

 

IK是Inverse Kinematics的縮寫(xiě)，即反向運動(dòng)學(xué)。在人體分層結構中，關(guān)節和骨骼實(shí)際構成了運動(dòng)鏈，比如肩關(guān)節、肘關(guān)節、腕關(guān)節及其子骨骼就是一條運動(dòng)鏈，是整個(gè)人體運動(dòng)鏈上的一條分支，身體即是利用運動(dòng)鏈對運動(dòng)進(jìn)行控制。運動(dòng)分為正向運動(dòng)和反向運動(dòng)。已知鏈上各個(gè)關(guān)節旋轉角，求各關(guān)節的位置信息和末端效應器(end effector)的位置信息，這是正向運動(dòng)學(xué)的問(wèn)題；而己知末端效應器的位置信息，反求其祖先關(guān)節的旋轉角和位置，這是就是反向運動(dòng)學(xué)。

 

反向運動(dòng)學(xué)根據決定運動(dòng)的幾個(gè)主關(guān)節最終角度確定整個(gè)骨架的運動(dòng)，通常用于環(huán)節物體，由不同運動(dòng)約束的關(guān)節連接成環(huán)節構成的分級結構骨架。分級結構骨架由許多采用分級方式組的環(huán)節鏈構成，包括分級結構關(guān)節或鏈，運動(dòng)約束和效應器，由效應器帶動(dòng)所有部分同時(shí)運動(dòng)。但必須遵循特定的等級關(guān)系，以便在變換時(shí)阻止各個(gè)部件向不同方向散開(kāi)。如：投球動(dòng)作，只規定出球的起始位置、終了位置和路徑，手臂等即跟隨關(guān)節的轉動(dòng)可按反向運動(dòng)學(xué)自動(dòng)算出。反向運動(dòng)學(xué)方法在一定程度上減輕了正向運動(dòng)學(xué)方法的繁瑣工作，是生成逼真關(guān)節運動(dòng)的最好方法之一。

 

 

如果己知末端效應器的位置信息，反求其祖先關(guān)節的旋轉角和位置，這是就是反向運動(dòng)學(xué)。也就是我們通過(guò)室內定位技術(shù)，獲取末端效應器的位置信息，然后利用IK算法推算出祖先關(guān)節的旋轉角和位置，從而知道運動(dòng)者的運動(dòng)信息，再利用運動(dòng)信息實(shí)現實(shí)時(shí)動(dòng)作跟蹤顯示。

 

 

利用激光定位技術(shù)通過(guò)墻上的激光發(fā)射器掃描佩戴者佩戴的機身上的位置追蹤傳感器（即IK算法中的末端效應器），從而獲得位置和方向信息。具體來(lái)說(shuō)，該室內定位技術(shù)是靠激光和光敏傳感器來(lái)確定運動(dòng)物體的位置。若干個(gè)激光發(fā)射器會(huì )被安置在對角，形成一個(gè)矩形區域，這個(gè)區域可以根據實(shí)際空間大小進(jìn)行調整。每個(gè)激光發(fā)射器內設計有兩個(gè)掃描模塊，分別在水平和垂直方向輪流對定位空間發(fā)射橫豎激光掃描定位空間。運動(dòng)者身上有光敏傳感器，通過(guò)光敏傳感器接收到激光的時(shí)間計算出光敏傳感器的準確位置。

 

通過(guò)激光室內定位技術(shù)獲取傳感器的精確位置后，即可利用IK算法反向推算出祖先關(guān)節的旋轉角和位置，從而知道運動(dòng)者的運動(dòng)信息。但是由于激光定位過(guò)程中可能存在遮擋問(wèn)題，比如下蹲、擁抱、扭打等動(dòng)作。于是應用慣性傳感器做補充跟蹤，即當出現遮擋情況時(shí)，IK+室內定位相結合的動(dòng)作捕捉技術(shù)無(wú)法完全準確的實(shí)現，這個(gè)時(shí)候利用慣性式動(dòng)作捕捉技術(shù)做補充。反過(guò)來(lái)可以利用室內定位技術(shù)對慣性式動(dòng)作捕捉技術(shù)做實(shí)時(shí)校準，不需要另行校準，從而解決遮擋問(wèn)題的同時(shí)，也避免了慣性式動(dòng)作捕捉無(wú)法長(cháng)時(shí)間精確工作的弊端。

 

 

就影視制作而言，慣性動(dòng)捕設備的加入，不但大大提高了拍攝效率，而且降低了后期處理的難度和成本。

 

 

我們知道，光學(xué)動(dòng)捕設備無(wú)法兼顧實(shí)時(shí)性與還原性，甚至一些特殊動(dòng)作也無(wú)法實(shí)時(shí)還原，同時(shí)還會(huì )受空間的限制。與之相比，慣性傳感器動(dòng)作捕捉系統就大為不同。慣性動(dòng)捕不但可識別的場(chǎng)景更多，而且管理起來(lái)也更加智能。利用全無(wú)線(xiàn)傳感器來(lái)完成電影拍攝過(guò)程中的動(dòng)作捕捉，絲毫不影響演員的穿戴，而且能夠保證演員腳步真實(shí)平穩地移動(dòng)，使運動(dòng)還原自然流暢，甚至一些大動(dòng)態(tài)動(dòng)作也能順利捕捉。作為目前市面上性能卓越、易用精準的動(dòng)作捕捉系統，基于慣性傳感器系統的動(dòng)作捕捉設備一經(jīng)上市就頗受青睞。

 

 

在動(dòng)漫制作、游戲制作方面，現在很多游戲制作中角色的動(dòng)作設置，例如武打游戲里的劈砍等動(dòng)作，都是通過(guò)動(dòng)作捕捉來(lái)獲取的。正是因為慣性動(dòng)捕有著(zhù)良好的實(shí)時(shí)性和各種技術(shù)優(yōu)勢，所以這項技術(shù)在動(dòng)漫、游戲中得以廣泛的應用，它使動(dòng)畫(huà)畫(huà)面更加逼真、自然，游戲角色的行動(dòng)更為自然細膩，對動(dòng)畫(huà)品質(zhì)的提升大有裨益。

 

 

真人與虛擬角色的實(shí)時(shí)互動(dòng)，是動(dòng)作捕捉技術(shù)的一大應用。例如虛擬演播室、電影實(shí)時(shí)預演、真人與虛擬游戲角色互動(dòng)等。

 

 

虛擬演播室現在已經(jīng)很成熟了，在很多電視臺的欄目中都可以看到類(lèi)似的場(chǎng)景，基本操作方式就是先讓主持人在綠色的幕布下進(jìn)行拍攝，再實(shí)時(shí)地用摳背機把人物扣下來(lái)附著(zhù)到虛擬的場(chǎng)景當中。一般的慣性動(dòng)捕由于虛擬角色位移的原因，沒(méi)辦法實(shí)現主持人與虛擬角色的交互，但隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，優(yōu)秀的慣性動(dòng)作捕捉設備已經(jīng)能夠做到這一點(diǎn)，不但動(dòng)捕位移誤差極小，而且可以做到來(lái)回運動(dòng)數十米或者隨意運動(dòng)持續十分鐘，完全能夠滿(mǎn)足虛擬演播室內主持人與虛擬角色的互動(dòng)。

 

關(guān)于這一技術(shù)的應用，最新的例證是關(guān)于2014年世界杯節目的。CCTV5的“我愛(ài)世界杯”和CNTV的“超級世界杯”兩檔節目都用到了慣性動(dòng)捕技術(shù)。在這兩檔節目的演播廳內，設置了擬真度極高的虛擬球員，在播出的節目中，虛擬球員和現場(chǎng)嘉賓及主持人進(jìn)行了很好的實(shí)時(shí)互動(dòng)，其演播方式令觀(guān)眾耳目一新。

 

 

從更前沿的視角出發(fā)，動(dòng)作捕捉技術(shù)真正能夠產(chǎn)生革命性?xún)r(jià)值的領(lǐng)域將會(huì )誕生在虛擬現實(shí)游戲上。例如，利用慣性傳感器實(shí)現的動(dòng)作捕捉和頭戴式顯示設備結合，可以使游戲從客廳或固定場(chǎng)景向更自由的場(chǎng)景延伸，動(dòng)作的精度也能產(chǎn)生質(zhì)的提升。目前，眾多游戲界的領(lǐng)軍企業(yè)都愿意嘗試使用慣性傳感器動(dòng)作捕捉設備，而據業(yè)內預測，超過(guò)70個(gè)游戲可能會(huì )采用這一設備進(jìn)行體驗。這就預示著(zhù)慣性動(dòng)捕技術(shù)在未來(lái)動(dòng)捕界會(huì )迎來(lái)廣闊市場(chǎng)前景。

 

 

慣性動(dòng)作捕捉系統能夠為軍隊訓練和消防演練提供虛擬仿真環(huán)境、野外演習、角色扮演訓練等。虛擬軍事環(huán)境仿真可以使大批教員和學(xué)員在不進(jìn)入真實(shí)野戰環(huán)境中即可完成訓練，這樣就能極大地節省人力物力及其他方面的消耗。目前，慣性動(dòng)作捕捉技術(shù)已經(jīng)被應用于世界領(lǐng)先的軍事模擬訓練系統開(kāi)發(fā)中，并且起到了很好的仿真演練效果。

 

 

 

 

在動(dòng)作分析和運動(dòng)醫學(xué)研究領(lǐng)域，研究者需要對大量的運動(dòng)數據進(jìn)行分析，比如速度、加速度、角速度等。這些數據不但非常龐大，而且經(jīng)常會(huì )被較大的視角、較遠的距離、人為理解的偏差等因素影響。慣性傳感器動(dòng)作捕捉系統在原理上徹底解決了上述問(wèn)題，它可以精確捕捉運動(dòng)人體的動(dòng)作細節，為運動(dòng)員和教練分析運動(dòng)情況提供依據。在這方面不乏成功的案例出現。例如針對高爾夫運動(dòng)者的姿勢矯正產(chǎn)品MySwing。使用這款產(chǎn)品時(shí)，用戶(hù)把產(chǎn)品夾在球桿上，便可捕捉到揮桿節奏、速度，桿頭軌跡、角度等數據，這些數據可以幫助鍛煉者改進(jìn)姿勢，提高球技。

 

 

另外，利用慣性動(dòng)捕可以計算出打籃球時(shí)的運球次數、傳球次數、投籃次數、籃板球數量等；也可計算出打臺球時(shí)的擊球次數、進(jìn)球概率等，使體育教學(xué)與訓練進(jìn)入數字化時(shí)代，大幅提高訓練水平。同時(shí)它使遠程教學(xué)成為可能，尤其適合具有要求特殊的運動(dòng)，如帆船、攀巖等?？偟膩?lái)說(shuō)，利用慣性動(dòng)作捕捉設備獲取的這種實(shí)時(shí)且準確的分析、評估數據，在提高運動(dòng)成績(jì)、預防損傷、狀態(tài)恢復等方面都有很大的幫助。

 

 

慣性動(dòng)作捕捉技術(shù)還可以應用到醫療診斷、姿態(tài)矯正、復健輔助、運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真評估等方面，不但效果顯著(zhù)，而且為醫療機構提供了高效、低成本的解決方案。例如，對于骨病患者或行動(dòng)不便者，慣性動(dòng)作捕捉系統可提供全身、半身以及個(gè)別部位的測量及報告，醫生對傳感器傳輸的數據加以分析，可以為患者提供迅速簡(jiǎn)潔的解決方案。

 

 

目前，國內的一些醫療實(shí)驗室已經(jīng)開(kāi)始嘗試用慣性動(dòng)捕開(kāi)發(fā)來(lái)幫助癲癇病人進(jìn)行診斷和康復訓練。醫生判斷病人病情時(shí)，傳統的做法是靠目測病人的步態(tài)和體征來(lái)下結論，而動(dòng)作捕捉的設備則更加精準和智能，它借助數字化的精密測量方式更加客觀(guān)地進(jìn)行數據統計和診斷，并提供客觀(guān)準確的數據來(lái)反映病人的治療效果。

 

另外，通過(guò)對步態(tài)的量化分析，慣性動(dòng)作捕捉技術(shù)可以提供實(shí)時(shí)的運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數據，這對假肢的研發(fā)、最優(yōu)安裝和安全使用提供較為準確的各項依據。

 

 

慣性動(dòng)作捕捉為虛擬工業(yè)測量提供精準的數據，為設計用戶(hù)創(chuàng )造交互式、非侵入式的設計環(huán)境，可應用在工作場(chǎng)所設計、汽車(chē)測試、航空航天研究等工業(yè)測量設計領(lǐng)域，例如在汽車(chē)設計領(lǐng)域，研究者可以用它來(lái)研究汽車(chē)駕駛室內的操控性能、方向盤(pán)的距離、進(jìn)出車(chē)門(mén)的方便性，以及車(chē)身高度等方面；在機械設計領(lǐng)域，它可以用在操作臺的安裝、洗衣機高度的設計等方面；能夠有效地提高生產(chǎn)力并節約生產(chǎn)環(huán)境成本。而在生產(chǎn)線(xiàn)的操作上，它也可以為用戶(hù)提供專(zhuān)業(yè)的精確定位，從而解決生產(chǎn)和控制過(guò)程中的重復運動(dòng)的問(wèn)題。

 

 

隨著(zhù)慣性動(dòng)作捕捉技術(shù)的不斷完善，它的精準程度越來(lái)越高，應用范圍也更加廣泛。除了以上介紹的七大方面外，慣性動(dòng)作捕捉還可以在舞臺特效、機器人控制、人機工程、化學(xué)化工在線(xiàn)仿真、汽車(chē)碰撞及震動(dòng)分析……等領(lǐng)域大有作為。

 

 

目前，動(dòng)作捕捉界市場(chǎng)還是以光學(xué)動(dòng)捕技術(shù)為主導，能夠利用慣性傳感器開(kāi)發(fā)人體全身運動(dòng)捕捉系統的廠(chǎng)商屈指可數，足見(jiàn)慣性動(dòng)捕系統有著(zhù)不可估量的巨大潛力，而以中國諾亦騰公司為首的慣性動(dòng)捕技術(shù)，以技術(shù)實(shí)力為武器，通過(guò)修煉內功，填補了中國市場(chǎng)的空白，并逐步在市場(chǎng)上占領(lǐng)先機。它必將扛起動(dòng)作捕捉行業(yè)的大旗，全面扭轉國內動(dòng)捕行業(yè)格局，成為與光學(xué)動(dòng)捕平分天下，甚至更具市場(chǎng)競爭力的重頭技術(shù)。

 

本文轉載自傳感器技術(shù)。