運動捕捉技術在模型交互控制中的應用

吳成浩

（浙江安防職業技術學院 浙江省溫州市 325016）

1 運動捕捉技術簡介

此技術主要是通過獲取和識別人與目標物體的運動蹤跡，根據記錄的動作軌跡，轉化為數字化的抽象信息，驅動虛擬模型真實、生動的交互。其系統主要包括傳感器、運動捕捉設備、數據通訊設備、數據處理設備四個部分，工作內容分別為跟蹤對象運動的體表信息、獲取對象運動的數據表現、發送對象運動的實時數據、處理對象運動的錯誤工作。

根據運動捕捉設備的工作原理，其核心技術也大為不同，而目前應用較為廣泛的此技術主要有以下四種：

1.1 機械式運動捕捉技術

此技術的原理主要是由機械連桿裝置和多個傳感器組裝合成。優點是識別精度比較高，延遲較少；缺點則是由于骨架形式的連桿裝置，導致穿戴不便，不易靈活運動。它是由連桿裝置上的傳感器獲取位置信息，在整個記錄過程中，能夠實時的將數據同步到計算機進行處理，再將運動軌跡信息對接模型匹配進行實時交互控制，不會被環境所受干擾；但由于機械骨架連接的受限性，運動空間和運動幅度都不易過大，且多用戶操作更是容易受干擾，限制了該技術的應用范圍。

1.2 電磁式運動捕捉技術

此技術是根據發射器、接收器和數據處理單元三部分組成。優點是不受遮擋干擾，空間范圍大，操作標定簡單快捷；缺點則不允許周圍有金屬物體，否則會導致磁場變形或扭曲，同時設備難以捕捉高速運動。其操作應用主要是通過發射器發射電磁場，再由接收器接收磁力轉換信號傳入數據處理單元，然后經過數據計算處理跟蹤器的角度位置，判斷方位獲取具體位置進行轉化軌跡信息。

1.3 聲學式運動捕捉技術

聲學式運動捕捉技術是采用聲波發射器、接收器和控制器。優點是不受遮擋物干擾，設備裝置簡單；缺點則是容易受溫度、噪音影響信號，有較大的延遲，時效性差。其工作原理主要通過接收器與聲波發射的位置間距，計算出接收器的位置數據，傳入計算機當中，匹配模型，呈現模型的交互路徑。

1.4 光學式運動捕捉技術

光學式運動捕捉技術的是根據三角測量實現跟蹤定位，其設備包括光學相機、跟蹤器和數據處理單位。優點是設備攜帶輕便，運動操作自由，信息采集速率快；缺點則是價格昂貴，系統標定過程比較繁瑣，受光照、反射等光感因素干擾。其工作原理是以光傳播作為數據采集依據，通過固定附著反光球等特殊材質的標點，同時被兩個相機攝像頭識別，就能夠基于計算機詩句的工作原理計算該點指定的三維空間位置。

各運動捕捉設備優缺點比較如表1 所示。

2 運動捕捉技術在模型交互控制中的應用設計

應用三維模型交互的運動捕捉設備中，光學式運動捕捉技術的應用最為廣泛，它的輕便易攜，采集速度快等優勢決定了多個領域的使用范疇，為模型的交互控制提供了最大化的幫助。這里通過講述OptiTrack 光學捕捉設備進行應用介紹，同時根據OptiTrack 設備捕捉運動數據構建模型的交互控制。

2.1 OptiTrack設備搭建

OptiTrack 光學運動捕捉設備是由NaturalPoint 公司研制而成，可以將被測人員的運動進行準確捕捉，且允許多人交互。其設備的主要部件為FPGA 處理芯片智能相機，分辨率分別有30 萬、130 萬、170 萬和410 萬四種像素級別（如圖1），能夠實時捕捉高速運動的各類動作和肢體變化，通過運動軌跡驅動模型交互運動，實現自然、逼真的運動規律模擬。

OptiTrack 硬件設備組成如圖2 所示。

四個相機可構成運動捕捉區域，同時被測者穿上反光性材料的數據衣，每個關節部分貼設標記點。當光照發射到標記點則就會發生反射，致使每個相機的拍攝圖像中就可確定標記點的位置和方位，然后計算出目標對象的運動參數來驅動相應的模型進行交互運動，實現模型逼真的模擬的實時變化。

圖1：OptiTrack 光學運動捕捉設備相機比較

圖2：OptiTrack 硬件設備組成

2.2 相機調節和參數設置

借助于運動捕捉軟件Motive 進行相機參數的調整與標定，可以快速的確定其相機的位置，從而實現標記點與模型骨架的對應匹配，借助于數據的采集、編輯和輸出數據的工作，可以為模型交互控制提供準確的信息。

要想捕捉到指定的運動區域，可將OptiTrack 相機的對位和旋轉進行調節，朝向需捕捉的區域范圍。我們可以將每臺相機固定在三維云臺上，通過旋轉三維平臺調節相機卡位，通過手柄的形式控制攝像機方向。

相機角度固定后，同時還要設置好Motive軟件的幀數采集數量、曝光時間的長短、闕值濾的調整和光感亮度的設置，以免捕捉過程中受其他因素干擾，造成捕捉信息不完整，以確保每個相機都能識別到標記點，完成運動捕捉的軌跡信息。

表1：各運動捕捉設備比對

2.3 相機參數計算

在標記過程中，可使用一根帶有三個標記點的T 型標定棒作為識別捕獲物件，將標定棒置于捕捉區域，盡可能在每個區域位置揮舞識別，讓系統軟件Motive 記錄下T 型標定棒標記點的運動軌跡，最后分析標定棒上標記點間的距離和標記點運動產生的運動數據等參數，從而計算相機內部的參數。

定義世界坐標系：

在實際捕捉過程中，為了最大程度的消除誤差，一方面盡多的識別運動點的軌跡，保證數據的最大化收集，另一方面就是采用更多的攝像機來定位驗算，保證所有標記點的三維坐標。而三維標記點則可以通過以下方式來調整：

可以使用標定架的三個標記點，將直角邊定義為Z 軸方向，短邊定義為X 軸方向，通過右手法則垂直兩軸的方向為Y 軸方向確定系統的世界坐標系，同時回到Unity 3D 軟件中，根據左右法則定義世界坐標系，將Motive 中的數據乘以變換矩陣，就能將兩個軟件的世界坐標進行對位統一。

標定完成后，相機的位置和方向則不能進行更改移動，要想更改就需要重新對系統進行標定，否則輸出的運動捕捉數據將不準確。同時，相機要是長期使用或未使用，也最好重新標定，以確保數據的精度，減少誤差。

2.4 數據采集

OptiTrack 光學運動捕捉設備可實時采集有Maker 點的運動數據，然后通過數據傳輸口將數據導入模型交互軟件中，實現實時的模型的運動控制。Motive 軟件可以通過OptiTrack 設備采集到的運動數據進行解析，將數據信息進行儲存，最后由模型匹配識別數據，實時獲取每個標記點的位置和方位信息。

2.5 模型交互控制

在得到所有三維坐標軌跡數據后，我們可以通過將其與模型融合，完成最終的交互控制。

模型可以是Maya、3ds max 等三維軟件制作而成，通過運動捕捉技術得到動作數據匹配到模型骨骼，從而使模型表現出與運動軌跡相同的動作、姿勢和表情，完成動畫序列。

3 現有運用捕捉技術應用的不足及發展方向

3.1 與其他技術相結合

運動捕捉技術的和其他相關技術相結合不僅能夠提供董卓捕捉的真實性和精準性，其靈活運用也能大幅提升。例如MotionBuilder軟件可以在得到的光學式捕捉運動軌跡時，通過關鍵幀層的構建，對模型的動作進行再次修改調整，達到最優的效果。同時實行無所動作修改，可將其與動畫捕捉數據相結合，調整動作表情，增加動作幅度，讓動作變得更加順暢自然。

3.2 突破技術瓶頸

運動捕捉技術作為一個新興技術，都存在著一定的技術難點，例如捕捉的精準度，空間范圍限制等因素都是影響模型的操作使用。不僅如此，人員的標點設定、識別，以及后期的數據調整等都會產生龐大的工作量，致使工作效率大幅度降低。因此，嘗試轉變捕捉形式將會成為運動捕捉設備進步的重要依據，產出高速、精準、低價的設備為運動捕捉技術提供更好的優質選擇。

4 總結

運動捕捉技術能夠對運動事物的動作、表情進行快速、準確的識別捕捉，再由計算機后期制作得到所需數據，傳遞給虛擬模型，實現生動、自然的形象效果。通過該技術的使用和幫助下，它在影視動畫、游戲、虛擬仿真等領域中已經獲得廣泛應用，同時也受到了眾多觀眾的喜愛，例如游戲《使命召喚》、電影《魔獸世界》等。相信在不久的將來，運動捕捉技術的普及也將更為全面，不僅實現模型的交互控制，同時還能模擬出更多、更全面的運動需求，完成更多具有創想性的創作內容，推動各領域的發展步伐。