全身動作捕捉設備

大家好！今天讓創(chuàng)意嶺的小編來大家介紹下關于全身動作捕捉設備的問題，以下是小編對此問題的歸納整理，讓我們一起來看看吧。

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本文目錄:

• 想知道動作捕捉設備是怎么獲取運動軌跡數(shù)據(jù)實現(xiàn)運動控制的？求講解！
• VIVE追蹤器——Tracker使用簡介
• 動作捕捉的運動捕捉設備
• 怎么做動作捕捉？用什么東西？
• 國內有哪些優(yōu)質的用于機器人室內定位的動作捕捉設備？

想知道動作捕捉設備是怎么獲取運動軌跡數(shù)據(jù)實現(xiàn)運動控制的？求講解！

實時三維空間數(shù)據(jù)的采集測量分析，在光學動捕系統(tǒng)設備中，采用得比較多的是Nokov的動作捕捉系統(tǒng)，通過光學鏡頭捕捉待測物體表面的反光標記點，實時獲取物體運動數(shù)據(jù)，并進行進一步運動控制，Nokov光學動作捕捉系統(tǒng)廣泛運用于虛擬仿真、運動分析、步態(tài)康復、模擬訓練、機械仿生、機器人、無人機、人機交互、軍事軍工、外科整形、虛擬現(xiàn)實、電影動畫、游戲制作等領域，對目標實行精度高的三維定位，而且生動流暢，所以在三維動作捕捉上精準度高，穩(wěn)定性強。我們公司使用比較后感覺其技術水平已經(jīng)達到國際水平，性價比相當?shù)暮谩?br/>我們公司一直在做這方面的開發(fā)，運動捕捉設備實現(xiàn)仿人機器人的運動控制主要是獲取人體動作數(shù)據(jù)，采集目標人體的運動信息，光學的動作捕捉系統(tǒng)是目前精度最高的設備了。在這個領域技術上，國內比較先進的就是Nokov，這款產品可以采集6DoF（采集六自由度）、關節(jié)角度等運動學數(shù)據(jù)，為機器人的位姿控制、運動規(guī)劃提供連貫、流暢的動作數(shù)據(jù)基礎。

VIVE追蹤器——Tracker使用簡介

VIVE Tracker是VIVE VR系列產品的配件，可以通過綁定現(xiàn)實世界中的物體，來追蹤物體的位置。從使用的角度來看，它更像是一個閹割版的手柄，因為它具備手柄一樣的位置追蹤而沒有實體按鍵，由于體積小巧和便攜，它可以被綁定在任意物體上，將現(xiàn)實的物體帶入VR環(huán)境。

基站可以追蹤多個Tracker，所以場景中可以存在多個Tracker。

如下圖，從右往左：

位置1：LED指示燈，用來指示Tracker的狀態(tài)，與手柄相同，如藍色燈閃爍，則表示該設備尚未配對；如綠色燈亮，則開始工作并正常；如紅燈，則表示電量低。

位置2：設備開關。

位置3：與手柄類似，用來接收基站信號的傳感器。

位置4.1：1/4英寸螺絲孔，可以將其固定在標準三腳架云臺上，與單反相機同。

位置4.2：用來加強穩(wěn)定的針槽。

位置4.3：彈簧針，6位。

位置5：USB接口，一方面用來充電，一方面用來與PC通信，比如更新固件等。

關于4.3位置的6位彈簧針，玩家可以通過自己制作一些電器開關之類的外設與其通信，發(fā)送電信號，達到像手柄一樣向PC發(fā)送按鍵觸發(fā)事件的效果。下圖為6個針位分別對應的按鍵信號名稱。由此可見，的確是個閹割版的手柄，或者說，像是一個沒有按鍵只有鍵位開關的鍵盤。

Tracker有很多應用場景，首先比較常用的就是追蹤物體，你可以將它綁定到一些物體上，比如球棒、球拍、球桿、座椅等等，在傳統(tǒng)行業(yè)里，可以綁定一些維修用的工具，扳手、錘子等，從而達到更加真實的體驗。

另外，我們知道Tracker有彈簧針和USB 端口，還可以制作一些符合特定使用場合的外設，以更加符合外設的使用習慣，比如現(xiàn)在比較典型的PPGun，通過USB端口通信，將原來手柄的按鍵映射到了槍體相關的功能部件上，如Trigger鍵對應著槍的扳機，Touchpad映射到了槍體的搖桿等等。

另外，Tracker可以作為動作捕捉設備。我們知道，以現(xiàn)有的VR設備，只有手柄和頭盔，很難實現(xiàn)全身的動作捕捉，那么使用Tracker，配合一些*向*力學插件，比如FINAL-IK，我們就能實現(xiàn)在VR中的全身動作捕捉?；究梢愿櫠鄠€Tracker設備，所以就可以將多個設備綁定在人的關鍵部位，比如雙腳、膝蓋、腰部等等，設備越多，捕獲的動作就越精確。

Tracker包裝中包含一個無線接收器，當你需要在使用手柄的同時使用Tracker，那么需要將此無線接收器連接到PC，用來接收Trakcer的信號，在使用時，需要將兩個手柄同時打開；如果不使用無線接收器，則系統(tǒng)將Trakcer認為是一個像手柄一樣的控制器。
初次使用Tracker，需要進行設備的配對，當按下開關以后，藍色燈會閃爍，表示設備正在等在配對，在SteamVR Runtime中右鍵（注意，這是是SteamVR運行時，我們在之前的課時里也區(qū)分過SteamVR SDK和SteamVR運行時），選擇“設備”-“配對控制器”完成設備的配對。配對成功后，即可看到代表了Tracker的圖標，如下圖。
作為開發(fā)者，最關心的當然是如何在引擎里面使用Tracker。我們以Unity為例，Tracker的開發(fā)并不需要額外的SDK支持，只需要導入VR開發(fā)必備的在SteamVR SDK即可。在SteamVR中，所有基站能夠追蹤的物體，都認為是Tracked Object。

1. 場景中需要一個可視的物體來標記Tracker，在引擎中，可以新建一個GameObject用來標記Tracker，命名為Tracker，在其上添加SteamVR_TrackedObject腳本。
添加完畢以后，腳本中的Index屬性，可以在下拉列表指定可追蹤的物體對應的VR設備，默認為HMD，即頭盔，Device1、Device2分別對應兩個手柄，以此類推。（注：此處可以不進行分配）

2. 為Tracker容器添加一個可視化的3D物體，這里添加一個Cube。

3. 選擇CameraRig，在Steam VR_Controller Manager的Objects屬性中，將Tracker添加到數(shù)組元素中。如下圖

4.點擊Play，可以看到Cube標識了Tracker的位置以及朝向。

既然已經(jīng)標識了Tracker的位置，那么我們就可以在場景中添加一個與現(xiàn)實世界相同的模型來進行映射，我們之前介紹過將手柄自定義為一個虛擬道具，那么使用Tracker將現(xiàn)實物體帶入到VR中以后，會得到更加真實的感覺，首先是don't make me think，用戶不需要了解道具如何使用，手柄的按鍵如何使用，只需要按照自然的使用方法即可。其次是能夠獲得與現(xiàn)實一樣的真實操作感。

由于缺少現(xiàn)實道具，筆者將三腳架映射為長矛。

1. 刪除添加的Cube，講準備好的長矛模型拖入場景，作為"Traker"容器的子物體。

2. 為"Trakcer"容器添加可視化的節(jié)點。

3.調整道具與"Tracker"容器的相對位置，筆者將Tracker放置于三腳架云臺的頂端，故在場景中，需要保持這樣的位置關系，如下圖。

4.調整道具朝向，旋轉90度，位置及朝向，需根據(jù)模型坐標點以及具體應用場景調整。

5.點擊Play進行測試，當移動三腳架時，場景中的道具進行了相應的變化。

以上為Tracker的基本使用方法，后續(xù)的開發(fā)與Tracker并沒有太多關聯(lián)，可以歸并到VR的基本開發(fā)路線上來。Tracker單就功能來說，并沒有太多高深的黑科技在里面，對其進行的開發(fā)，也沒有太多新的知識，所以限制其發(fā)揮功能的只是想象力，各位可以根據(jù)自己的VR應用場景，充分發(fā)揮想象，以開發(fā)出更多有創(chuàng)意的內容。

動作捕捉的運動捕捉設備

隨著計算機軟硬件技術的飛速發(fā)展和動畫制作要求的提高，在發(fā)達國家，運動捕捉已經(jīng)進入了實用化階段，有多家廠商相繼推出了多種商品化的運動捕捉設備，如 MotionAnalysis 、 Polhemus 、 Sega Interactive 、 MAC 、 X-Ist 、 FilmBox 等，成功地用于虛擬現(xiàn)實、游戲、人體工程學研究、模擬訓練、生物力學研究等許多方面。
從技術的角度來說，運動捕捉的實質就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運動軌跡。典型的運動捕捉設備一般由以下幾個部分組成：
· 傳感器。所謂傳感器是固定在運動物體特定部位的跟蹤裝置，它將向 Motion capture 系統(tǒng)提供運動物體運動的位置信息，一般會隨著捕捉的細致程度確定跟蹤器的數(shù)目。
· 信號捕捉設備。這種設備會因 Motion capture 系統(tǒng)的類型不同而有所區(qū)別，它們負責位置信號的捕捉。對于機械系統(tǒng)來說是一塊捕捉電信號的線路板，對于光學 Motion capture 系統(tǒng)則是高分辨率紅外攝像機。
· 數(shù)據(jù)傳輸設備。 Motion capture 系統(tǒng)，特別是需要實時效果的 Motion capture 系統(tǒng)需要將大量的運動數(shù)據(jù)從信號捕捉設備快速準確地傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)進行處理，而數(shù)據(jù)傳輸設備就是用來完成此項工作的。
· 數(shù)據(jù)處理設備。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合才能完成計算機動畫制作的工作，這就需要我們應用數(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對數(shù)據(jù)高速的運算能力來完成數(shù)據(jù)的處理，使三維模型真正、自然地運動起來。
技術之一：機械式運動捕捉
機械式運動捕捉依靠機械裝置來跟蹤和測量運動軌跡。典型的系統(tǒng)由多個關節(jié)和剛性連桿組成，在可轉動的關節(jié)中裝有角度傳感器，可以測得關節(jié)轉動角度的變化情況。裝置運動時，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動軌跡。實際上，裝置上任何一點的運動軌跡都可以求出，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。
早期的一種機械式運動捕捉裝置是用帶角度傳感器的關節(jié)和連桿構成一個 可調姿態(tài)的數(shù)字模型 ，其形狀可以模擬人體，也可以模擬其他動物或物體。使用者可根據(jù)劇情的需要調整模型的姿態(tài)，然后鎖定。角度傳感器測量并記錄關節(jié)的轉動角度，依據(jù)這些角度和模型的機械尺寸，可計算出模型的姿態(tài)，并將這些姿態(tài)數(shù)據(jù)傳給動畫軟件，使其中的角色模型也做出一樣的姿態(tài)。這是一種較早出現(xiàn)的運動捕捉裝置，但直到現(xiàn)在仍有一定的市場。國外給這種裝置起了個很形象的名字： 猴子 。
機械式運動捕捉的一種應用形式是將欲捕捉的運動物體與機械結構相連，物體運動帶動機械裝置，從而被傳感器實時記錄下來。
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，機械結構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)劇情要求調整 猴子 的姿勢，很麻煩，主要用于靜態(tài)造型捕捉和關鍵幀的確定。
技術之二：聲學式運動捕捉
常用的聲學式運動捕捉裝置由發(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。
這類裝置成本較低，但對運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，所以還必須在算法中做出相應的補償。
技術之三：電磁式運動捕捉
電磁式運動捕捉系統(tǒng)是比較常用的運動捕捉設備。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鍵位置，隨著表演者的動作在電磁場中運動 , 通過電纜或無線方式與數(shù)據(jù)處理單元相連，見圖 2 和圖 3 所示。
表演者在電磁場內表演時，接收傳感器將接收到的信號通過電纜傳送給處理單元，根據(jù)這些信號可以解算出每個傳感器的空間位置和方向。 Polhemus 公司和 Ascension 公司均以生產電磁式運動捕捉設備而著稱。這類系統(tǒng)的采樣速率一般為每秒 15 ～ 120 次（依賴于模型和傳感器的數(shù)量），為了消除抖動和干擾，采樣速率一般在 15Hz 以下。對于一些高速運動，如拳擊、籃球比賽等，該采樣速度還不能滿足要求。電磁式運動捕捉的優(yōu)點首先在于它記錄的是六維信息，即不僅能得到空間位置，還能得到方向信息，這一點對某些特殊的應用場合很有價值。其次是速度快，實時性好，表演者表演時，動畫系統(tǒng)中的角色模型可以同時反應，便于排演、調整和修改。裝置的定標比較簡單，技術較成熟，魯棒性好，成本相對低廉。
它的缺點在于對環(huán)境要求嚴格，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，對于比較劇烈的運動和表演則不適用。
技術之四：光學式運動捕捉
光學式運動捕捉通過對目標上特定光點的監(jiān)視和跟蹤來完成運動捕捉的任務。常見的光學式運動捕捉大多基于計算機視覺原理。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所見，則根據(jù)同一時刻兩部相機所拍攝的圖像和相機參數(shù)，可以確定這一時刻該點在空間中的位置。當相機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動軌跡。
典型的光學式運動捕捉系統(tǒng)通常使用 6 ～ 8 個相機環(huán)繞表演場地排列，這些相機的視野重疊區(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，在身體的關鍵部位，如關節(jié)、髖部、肘、腕等位置貼上一些特制的標志或發(fā)光點，稱為 Marker ，視覺系統(tǒng)將識別和處理這些標志，如圖 4 所示。系統(tǒng)定標后，相機連續(xù)拍攝表演者的動作，并將圖像序列保存下來，然后再進行分析和處理，識別其中的標志點，并計算其在每一瞬間的空間位置，進而得到其運動軌跡。為了得到準確的運動軌跡，相機應有較高的拍攝速率，一般要達到每秒 60 幀以上。
如果在表演者的臉部表情關鍵點貼上 Marker ，則可以實現(xiàn)表情捕捉，如圖 5 所示。大部分表情捕捉都采用光學式。
有些光學運動捕捉系統(tǒng)不依靠Marker 作為識別標志，例如根據(jù)目標的側影來提取其運動信息，或者利用有網(wǎng)格的背景簡化處理過程等。研究人員正在研究不依靠 Marker而應用圖像識別、分析技術，由視覺系統(tǒng)直接識別表演者身體關鍵部位并測量其運動軌跡的技術，估計將很快投入實用。
光學式運動捕捉的優(yōu)點是表演者活動范圍大，無電纜、機械裝置的限制，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)高速運動測量的需要。Marker 數(shù)量可根據(jù)實際應用購置添加，便于系統(tǒng)擴充。
這種方法的缺點是系統(tǒng)價格昂貴，它可以捕捉實時運動，但后處理（包括 Marker 的識別、跟蹤、空間坐標的計算）的工作量較大，適合科研類應用。
技術之五：慣性導航式動作捕捉
通過慣性導航傳感器AHRS(航姿參考系統(tǒng))、IMU(慣性測量單元)測量表演者運動加速度、方位、傾斜角等特性。 不受環(huán)境干擾影響，不怕遮擋。捕捉精確度高，采樣速度高，達到每秒1000次或更高。由于采用高集成芯片、模塊，體積小、尺寸小，重量輕，性價比高。慣導傳感器佩戴在表演者頭上，或通過17個傳感器組成數(shù)據(jù)服穿戴，通過USB線、藍牙、2.4Gzh DSSS無線等與主機相聯(lián)，分別可以跟蹤頭部、全身動作，實時顯示完整的動作。
運動捕捉技術在其他領域的應用
將運動捕捉技術用于動畫制作，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。隨著技術的進一步成熟，表演動畫技術將會得到越來越廣泛的應用，而運動捕捉技術作為表演動畫系統(tǒng)不可缺少的、最關鍵的部分，必然顯示出更加重要的地位。
運動捕捉技術不僅是表演動畫中的關鍵環(huán)節(jié)，在其他領域也有著非常廣泛的應用前景。
提供新的人機交互手段 表情和動作是人類情緒、愿望的重要表達形式，運動捕捉技術完成了將表情和動作數(shù)字化的工作，提供了新的人機交互手段，比傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標更直接方便，不僅可以實現(xiàn) 三維鼠標 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，并為最終實現(xiàn)可以理解人類表情、動作的計算機系統(tǒng)和機器人提供了技術基礎。
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，這也正是運動捕捉技術的研究內容。
機器人遙控 機器人將危險環(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，運動捕捉系統(tǒng)將動作捕捉下來，實時傳送給機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、細致、復雜、靈活而快速的動作控制，大大提高機器人應付復雜情況的能力。在當前機器人全自主控制尚未成熟的情況下，這一技術有著特別重要的意義。
互動式游戲 可利用運動捕捉技術捕捉游戲者的各種動作，用以驅動游戲環(huán)境中角色的動作，給游戲者以一種全新的參與感受，加強游戲的真實感和互動性。
體育訓練 運動捕捉技術可以捕捉運動員的動作，便于進行量化分析，結合人體生理學、物理學原理，研究改進的方法，使體育訓練擺脫純粹的依靠經(jīng)驗的狀態(tài)，進入理論化、數(shù)字化的時代。還可以把成績差的運動員的動作捕捉下來，將其與優(yōu)秀運動員的動作進行對比分析，從而幫助其訓練。
另外，在人體工程學研究、模擬訓練、生物力學研究等領域，運動捕捉技術同樣大有可為。
可以預計，隨著技術本身的發(fā)展和相關應用領域技術水平的提高，運動捕捉技術將會得到越來越廣泛的應用。

怎么做動作捕捉？用什么東西？

動作捕捉技術現(xiàn)階段常用光學式和慣性式兩種：

光學式動作捕捉，顧名思義，是通過光學原理來完場物體的捕捉和定位的。是通過光學鏡頭捕捉固定在人體或是物體上面的marker的位置信息來完成動作姿態(tài)捕捉。光學式動作捕捉依靠一整套精密而復雜的光學攝像頭來實現(xiàn)，它通過計算機視覺原理，由多個高速攝像機從不同角度對目標特征點進行跟蹤來完成全身的動作的捕捉。光學動作捕捉可分為被動式和主動式兩種。這個分類是從marker來區(qū)別的。主動式是指marker是主動發(fā)光甚至可以自帶ID編碼的，這樣鏡頭在視野中可以通過marker自身發(fā)光來觀測它，并記錄捕捉到其的運動軌跡。而被動式光學動作捕捉是通過鏡頭本身自帶的燈板發(fā)出特定波長的紅外光，照射到marker上，marker是通過特殊反光處理，可以反射鏡頭燈板發(fā)出的紅外光，這樣鏡頭就能在視野里捕捉記錄該marker的運動軌跡。

目前主流的動作捕捉技術是慣性動作捕捉與光學動作捕捉。光學動作捕捉中，由于主動式marker需要供電，在固定marker時需要的配件和線路會影響使用，所以現(xiàn)在主流使用的光學動作捕捉幾乎為被動式光學動捕。在自動化控制、運動分析、步態(tài)分析、虛擬現(xiàn)實、人機工效、影視動畫等領域，被動式光學動作捕捉往往更具優(yōu)勢。

國內有哪些優(yōu)質的用于機器人室內定位的動作捕捉設備？

運動捕捉技術是無人機、機器人、自動駕駛等涉及運動學數(shù)據(jù)領域的重要技術和算法。光學三維動作捕捉系統(tǒng)可以通過多個高速攝像機對目標特征點進行跟蹤，以完成全身動作的捕捉。這樣，無人機和機器人就可以模仿人體的運動，實現(xiàn)更高的智能化和靈活性。比如北京理工大學自動化學院利用NOKOV的光學三維動作捕捉系統(tǒng)，獲取無人機的位姿信息，實現(xiàn)多無人機的空地協(xié)同控制。這是一種利用動作捕捉技術進行自動化控制的應用。

以上就是關于全身動作捕捉設備相關問題的回答。希望能幫到你，如有更多相關問題，您也可以聯(lián)系我們的客服進行咨詢，客服也會為您講解更多精彩的知識和內容。

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