【導(dǎo)讀】作為一門新興的動作捕捉技術(shù)，慣性動捕的出現(xiàn)，打破了光學(xué)動捕占據(jù)市場絕對主導(dǎo)的行業(yè)格局，被視為動作捕捉界的新生力量。基于慣性傳感器系統(tǒng)的動作捕捉技術(shù)是一項融合了傳感器技術(shù)、無線傳輸、人體動力學(xué)、計算機(jī)圖形學(xué)等多種學(xué)科的綜合性技術(shù)，技術(shù)門檻要求很高。雖然慣性動作捕捉技術(shù)出現(xiàn)的時間并不長，但隨著它在各行業(yè)中的使用，其卓越的性能很快就顯示出來了。
慣性動作捕捉，是一種新型的人體動作捕捉技術(shù)，它用無線動作姿態(tài)傳感器采集身體部位的姿態(tài)方位，利用人體運動學(xué)原理恢復(fù)人體運動模型，同時采用無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)呈現(xiàn)在電腦軟件里。
慣性動作捕捉系統(tǒng)出現(xiàn)之前，最常見的是光學(xué)動捕技術(shù)。它是通過在演員身上貼marker點，然后用高速攝像機(jī)來捕捉marker點的準(zhǔn)確位移，再將捕捉數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X設(shè)備上，由此完成動作捕捉的全過程。光學(xué)動捕的整套設(shè)備的成本極為昂貴，架設(shè)繁瑣，易受遮擋或光干擾的影響，給后期處理工作帶來很多麻煩。對于一些遮擋嚴(yán)重的動作來說，光學(xué)動捕無法準(zhǔn)確實時還原例如下蹲、擁抱、扭打等動作。而基于慣性傳感器系統(tǒng)的動作捕捉技術(shù)的出現(xiàn)，大大改善了這一現(xiàn)狀。
和光學(xué)動捕技術(shù)相比，慣性動作捕捉技術(shù)有著對捕捉環(huán)境的高適應(yīng)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)有著優(yōu)異的表現(xiàn)。在影視動畫、體驗式互動游戲、虛擬演播室、真人模擬演練、體育訓(xùn)練、醫(yī)療康復(fù)等領(lǐng)域，慣性動作捕捉系統(tǒng)都有著明顯優(yōu)于其他設(shè)備的特點。
慣性式動作捕捉系統(tǒng)原理
動作捕捉系統(tǒng)的一般性結(jié)構(gòu)主要分為三個部分：數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)處理單元，慣性式動作捕捉系統(tǒng)即是將慣性傳感器應(yīng)用到數(shù)據(jù)采集端，數(shù)據(jù)處理單元通過慣性導(dǎo)航原理對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而完成運動目標(biāo)的姿態(tài)角度測量。
在運動物體的重要節(jié)點佩戴集成加速度計，陀螺儀和磁力計等慣性傳感器設(shè)備，傳感器設(shè)備捕捉目標(biāo)物體的運動數(shù)據(jù)，包括身體部位的姿態(tài)、方位等信息，再將這些數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理設(shè)備中，經(jīng)過數(shù)據(jù)修正、處理后，最終建立起三維模型，并使得三維模型隨著運動物體真正、自然地運動起來。
經(jīng)過處理后的動捕數(shù)據(jù)，可以應(yīng)用在動畫制作，步態(tài)分析，生物力學(xué)，人機(jī)工程等領(lǐng)域。
加速度計，陀螺儀和磁力計在慣性動作捕捉系統(tǒng)中的作用
加速計是用來檢測傳感器受到的加速度的大小和方向的，它通過測量組件在某個軸向的受力情況來得到結(jié)果，表現(xiàn)形式為軸向的加速度大小和方向（XYZ），但用來測量設(shè)備相對于地面的擺放姿勢，則精確度不高，該缺陷可以通過陀螺儀得到補(bǔ)償。
陀螺儀的工作原理是通過測量三維坐標(biāo)系內(nèi)陀螺轉(zhuǎn)子的垂直軸與設(shè)備之間的夾角，并計算角速度，通過夾角和角速度來判別物體在三維空間的運動狀態(tài)。它的強(qiáng)項在于測量設(shè)備自身的旋轉(zhuǎn)運動，但不能確定設(shè)備的方位。而又剛好磁力計可以彌補(bǔ)這一缺陷，它的強(qiáng)項在于定位設(shè)備的方位，可以測量出當(dāng)前設(shè)備與東南西北四個方向上的夾角。
在動作捕捉系統(tǒng)中，陀螺儀傳感器用于處理旋轉(zhuǎn)運動，加速計用來處理直線運動，磁力計用來處理方向。通俗易懂地講——陀螺儀知道“我們是否轉(zhuǎn)了身”，加速計知道“我們運動多長距離”，而磁力計則知道“我們的運動方向”。
在動作捕捉系統(tǒng)中三種傳感器充分利用各自的特長，來跟蹤目標(biāo)物體的運動。
慣性動作捕捉技術(shù)的優(yōu)勢
技術(shù)優(yōu)勢
慣性式動作捕捉系統(tǒng)采集到的信號量少，便于實時完成姿態(tài)跟蹤任務(wù)，解算得到的姿態(tài)信息范圍大、靈敏度高、動態(tài)性能好；對捕捉環(huán)境適應(yīng)性高，不受光照、背景等外界環(huán)境干擾，并且克服了光學(xué)動捕系統(tǒng)攝像機(jī)監(jiān)測區(qū)域受限的缺點；克服了VR設(shè)備常有的遮擋問題，可以準(zhǔn)確實時地還原如下蹲、擁抱、扭打等動作。此外，慣性式動作捕捉系統(tǒng)還可以實現(xiàn)多目標(biāo)捕捉。
使用便捷的優(yōu)勢
使用方便，設(shè)備小巧輕便，便于佩戴。
成本優(yōu)勢
相比于光學(xué)動作捕捉成本低廉，使得其不但可以應(yīng)用于影視、游戲等行業(yè)，也有利于推動VR設(shè)備更快地走進(jìn)大眾生活。
總的來說，慣性式動作捕捉技術(shù)有著對捕捉環(huán)境的高適應(yīng)性，它的技術(shù)優(yōu)勢、成本優(yōu)勢和使用便捷的優(yōu)勢，使得它在影視動畫、體驗式互動游戲、虛擬演播室、真人模擬演練、體育訓(xùn)練、醫(yī)療康復(fù)等領(lǐng)域都有著優(yōu)異的表現(xiàn)。
慣性式動作捕捉系統(tǒng)的劣勢及解決
一般情況下慣性式動作捕捉系統(tǒng)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）來測量傳感器的運動參數(shù)。而由IMU所測得的傳感器運動參數(shù)有嚴(yán)重噪聲干擾，MEMS 器件又存在明顯的零偏和漂移，慣性式動作捕捉系統(tǒng)無法長時間地對人體姿態(tài)進(jìn)行精確的跟蹤。只有解決了這一個問題，才能使慣性式動作捕捉系統(tǒng)在VR行業(yè)充分發(fā)揮作用。
針對慣性捕捉技術(shù)劣勢的解決方案
首先對IMU所測得的傳感器運動數(shù)據(jù)做預(yù)處理，濾掉原始慣性數(shù)據(jù)中摻雜的噪聲干擾；
然后不斷地進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)，即不斷地對各慣性器件進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償以解決MEMS器件的零偏和漂移，提高其數(shù)據(jù)的精確度和可靠程度；
接下來在進(jìn)行姿態(tài)解算，并利用姿態(tài)參考系統(tǒng)驗證姿態(tài)角度數(shù)據(jù)的精確度，最終實現(xiàn)整個慣性式動作捕捉。
此外，與之不同的是，國內(nèi)的G-Wearables則采用IK+室內(nèi)定位技術(shù)做主動作捕捉算法，使用慣性式動作捕捉做輔助算法。這套方案中利用室內(nèi)定位技術(shù)對慣性式動作捕捉技術(shù)做實時校準(zhǔn)，避免了不斷校準(zhǔn)的麻煩。
IK算法
IK是Inverse Kinematics的縮寫，即反向運動學(xué)。在人體分層結(jié)構(gòu)中，關(guān)節(jié)和骨骼實際構(gòu)成了運動鏈，比如肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)及其子骨骼就是一條運動鏈，是整個人體運動鏈上的一條分支，身體即是利用運動鏈對運動進(jìn)行控制。運動分為正向運動和反向運動。已知鏈上各個關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角，求各關(guān)節(jié)的位置信息和末端效應(yīng)器(end effector)的位置信息，這是正向運動學(xué)的問題；而己知末端效應(yīng)器的位置信息，反求其祖先關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角和位置，這是就是反向運動學(xué)。
反向運動學(xué)根據(jù)決定運動的幾個主關(guān)節(jié)最終角度確定整個骨架的運動，通常用于環(huán)節(jié)物體，由不同運動約束的關(guān)節(jié)連接成環(huán)節(jié)構(gòu)成的分級結(jié)構(gòu)骨架。分級結(jié)構(gòu)骨架由許多采用分級方式組的環(huán)節(jié)鏈構(gòu)成，包括分級結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)或鏈，運動約束和效應(yīng)器，由效應(yīng)器帶動所有部分同時運動。但必須遵循特定的等級關(guān)系，以便在變換時阻止各個部件向不同方向散開。如：投球動作，只規(guī)定出球的起始位置、終了位置和路徑，手臂等即跟隨關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動可按反向運動學(xué)自動算出。反向運動學(xué)方法在一定程度上減輕了正向運動學(xué)方法的繁瑣工作，是生成逼真關(guān)節(jié)運動的最好方法之一。
IK算法在動作捕捉系統(tǒng)中的應(yīng)用
如果己知末端效應(yīng)器的位置信息，反求其祖先關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角和位置，這是就是反向運動學(xué)。也就是我們通過室內(nèi)定位技術(shù)，獲取末端效應(yīng)器的位置信息，然后利用IK算法推算出祖先關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角和位置，從而知道運動者的運動信息，再利用運動信息實現(xiàn)實時動作跟蹤顯示。
利用激光定位技術(shù)通過墻上的激光發(fā)射器掃描佩戴者佩戴的機(jī)身上的位置追蹤傳感器（即IK算法中的末端效應(yīng)器），從而獲得位置和方向信息。具體來說，該室內(nèi)定位技術(shù)是靠激光和光敏傳感器來確定運動物體的位置。若干個激光發(fā)射器會被安置在對角，形成一個矩形區(qū)域，這個區(qū)域可以根據(jù)實際空間大小進(jìn)行調(diào)整。每個激光發(fā)射器內(nèi)設(shè)計有兩個掃描模塊，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。運動者身上有光敏傳感器，通過光敏傳感器接收到激光的時間計算出光敏傳感器的準(zhǔn)確位置。
通過激光室內(nèi)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(jié)的旋轉(zhuǎn)角和位置，從而知道運動者的運動信息。但是由于激光定位過程中可能存在遮擋問題，比如下蹲、擁抱、扭打等動作。于是應(yīng)用慣性傳感器做補(bǔ)充跟蹤，即當(dāng)出現(xiàn)遮擋情況時，IK+室內(nèi)定位相結(jié)合的動作捕捉技術(shù)無法完全準(zhǔn)確的實現(xiàn)，這個時候利用慣性式動作捕捉技術(shù)做補(bǔ)充。反過來可以利用室內(nèi)定位技術(shù)對慣性式動作捕捉技術(shù)做實時校準(zhǔn)，不需要另行校準(zhǔn)，從而解決遮擋問題的同時，也避免了慣性式動作捕捉無法長時間精確工作的弊端。
慣性捕捉技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
在影視制作、動漫制作、游戲制作領(lǐng)域的應(yīng)用
就影視制作而言，慣性動捕設(shè)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)動捕設(shè)備無法兼顧實時性與還原性，甚至一些特殊動作也無法實時還原，同時還會受空間的限制。與之相比，慣性傳感器動作捕捉系統(tǒng)就大為不同。慣性動捕不但可識別的場景更多，而且管理起來也更加智能。利用全無線傳感器來完成電影拍攝過程中的動作捕捉，絲毫不影響演員的穿戴，而且能夠保證演員腳步真實平穩(wěn)地移動，使運動還原自然流暢，甚至一些大動態(tài)動作也能順利捕捉。作為目前市面上性能卓越、易用精準(zhǔn)的動作捕捉系統(tǒng)，基于慣性傳感器系統(tǒng)的動作捕捉設(shè)備一經(jīng)上市就頗受青睞。
在動漫制作、游戲制作方面，現(xiàn)在很多游戲制作中角色的動作設(shè)置，例如武打游戲里的劈砍等動作，都是通過動作捕捉來獲取的。正是因為慣性動捕有著良好的實時性和各種技術(shù)優(yōu)勢，所以這項技術(shù)在動漫、游戲中得以廣泛的應(yīng)用，它使動畫畫面更加逼真、自然，游戲角色的行動更為自然細(xì)膩，對動畫品質(zhì)的提升大有裨益。
在虛擬現(xiàn)實交互體驗、游戲互動領(lǐng)域的應(yīng)用
真人與虛擬角色的實時互動，是動作捕捉技術(shù)的一大應(yīng)用。例如虛擬演播室、電影實時預(yù)演、真人與虛擬游戲角色互動等。
虛擬演播室現(xiàn)在已經(jīng)很成熟了，在很多電視臺的欄目中都可以看到類似的場景，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，再實時地用摳背機(jī)把人物扣下來附著到虛擬的場景當(dāng)中。一般的慣性動捕由于虛擬角色位移的原因，沒辦法實現(xiàn)主持人與虛擬角色的交互，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，優(yōu)秀的慣性動作捕捉設(shè)備已經(jīng)能夠做到這一點，不但動捕位移誤差極小，而且可以做到來回運動數(shù)十米或者隨意運動持續(xù)十分鐘，完全能夠滿足虛擬演播室內(nèi)主持人與虛擬角色的互動。
關(guān)于這一技術(shù)的應(yīng)用，最新的例證是關(guān)于2014年世界杯節(jié)目的。CCTV5的“我愛世界杯”和CNTV的“超級世界杯”兩檔節(jié)目都用到了慣性動捕技術(shù)。在這兩檔節(jié)目的演播廳內(nèi)，設(shè)置了擬真度極高的虛擬球員，在播出的節(jié)目中，虛擬球員和現(xiàn)場嘉賓及主持人進(jìn)行了很好的實時互動，其演播方式令觀眾耳目一新。
從更前沿的視角出發(fā)，動作捕捉技術(shù)真正能夠產(chǎn)生革命性價值的領(lǐng)域?qū)Q生在虛擬現(xiàn)實游戲上。例如，利用慣性傳感器實現(xiàn)的動作捕捉和頭戴式顯示設(shè)備結(jié)合，可以使游戲從客廳或固定場景向更自由的場景延伸，動作的精度也能產(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作捕捉設(shè)備，而據(jù)業(yè)內(nèi)預(yù)測，超過70個游戲可能會采用這一設(shè)備進(jìn)行體驗。這就預(yù)示著慣性動捕技術(shù)在未來動捕界會迎來廣闊市場前景。
在多人模擬仿真演練領(lǐng)域的應(yīng)用
慣性動作捕捉系統(tǒng)能夠為軍隊訓(xùn)練和消防演練提供虛擬仿真環(huán)境、野外演習(xí)、角色扮演訓(xùn)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)入真實野戰(zhàn)環(huán)境中即可完成訓(xùn)練，這樣就能極大地節(jié)省人力物力及其他方面的消耗。目前，慣性動作捕捉技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于世界領(lǐng)先的軍事模擬訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)中，并且起到了很好的仿真演練效果。
在體育訓(xùn)練及運動分析領(lǐng)域的應(yīng)用
在動作分析和運動醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，研究者需要對大量的運動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，比如速度、加速度、角速度等。這些數(shù)據(jù)不但非常龐大，而且經(jīng)常會被較大的視角、較遠(yuǎn)的距離、人為理解的偏差等因素影響。慣性傳感器動作捕捉系統(tǒng)在原理上徹底解決了上述問題，它可以精確捕捉運動人體的動作細(xì)節(jié)，為運動員和教練分析運動情況提供依據(jù)。在這方面不乏成功的案例出現(xiàn)。例如針對高爾夫運動者的姿勢矯正產(chǎn)品MySwing。使用這款產(chǎn)品時，用戶把產(chǎn)品夾在球桿上，便可捕捉到揮桿節(jié)奏、速度，桿頭軌跡、角度等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以幫助鍛煉者改進(jìn)姿勢，提高球技。
另外，利用慣性動捕可以計算出打籃球時的運球次數(shù)、傳球次數(shù)、投籃次數(shù)、籃板球數(shù)量等；也可計算出打臺球時的擊球次數(shù)、進(jìn)球概率等，使體育教學(xué)與訓(xùn)練進(jìn)入數(shù)字化時代，大幅提高訓(xùn)練水平。同時它使遠(yuǎn)程教學(xué)成為可能，尤其適合具有要求特殊的運動，如帆船、攀巖等。總的來說，利用慣性動作捕捉設(shè)備獲取的這種實時且準(zhǔn)確的分析、評估數(shù)據(jù)，在提高運動成績、預(yù)防損傷、狀態(tài)恢復(fù)等方面都有很大的幫助。
在醫(yī)療健康虛擬體驗領(lǐng)域的應(yīng)用
慣性動作捕捉技術(shù)還可以應(yīng)用到醫(yī)療診斷、姿態(tài)矯正、復(fù)健輔助、運動學(xué)和動力學(xué)仿真評估等方面，不但效果顯著，而且為醫(yī)療機(jī)構(gòu)提供了高效、低成本的解決方案。例如，對于骨病患者或行動不便者，慣性動作捕捉系統(tǒng)可提供全身、半身以及個別部位的測量及報告，醫(yī)生對傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加以分析，可以為患者提供迅速簡潔的解決方案。
目前，國內(nèi)的一些醫(yī)療實驗室已經(jīng)開始嘗試用慣性動捕開發(fā)來幫助癲癇病人進(jìn)行診斷和康復(fù)訓(xùn)練。醫(yī)生判斷病人病情時，傳統(tǒng)的做法是靠目測病人的步態(tài)和體征來下結(jié)論，而動作捕捉的設(shè)備則更加精準(zhǔn)和智能，它借助數(shù)字化的精密測量方式更加客觀地進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和診斷，并提供客觀準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來反映病人的治療效果。
另外，通過對步態(tài)的量化分析，慣性動作捕捉技術(shù)可以提供實時的運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)，這對假肢的研發(fā)、最優(yōu)安裝和安全使用提供較為準(zhǔn)確的各項依據(jù)。
在工業(yè)測量和設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用
慣性動作捕捉為虛擬工業(yè)測量提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，為設(shè)計用戶創(chuàng)造交互式、非侵入式的設(shè)計環(huán)境，可應(yīng)用在工作場所設(shè)計、汽車測試、航空航天研究等工業(yè)測量設(shè)計領(lǐng)域，例如在汽車設(shè)計領(lǐng)域，研究者可以用它來研究汽車駕駛室內(nèi)的操控性能、方向盤的距離、進(jìn)出車門的方便性，以及車身高度等方面；在機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域，它可以用在操作臺的安裝、洗衣機(jī)高度的設(shè)計等方面；能夠有效地提高生產(chǎn)力并節(jié)約生產(chǎn)環(huán)境成本。而在生產(chǎn)線的操作上，它也可以為用戶提供專業(yè)的精確定位，從而解決生產(chǎn)和控制過程中的重復(fù)運動的問題。
隨著慣性動作捕捉技術(shù)的不斷完善，它的精準(zhǔn)程度越來越高，應(yīng)用范圍也更加廣泛。除了以上介紹的七大方面外，慣性動作捕捉還可以在舞臺特效、機(jī)器人控制、人機(jī)工程、化學(xué)化工在線仿真、汽車碰撞及震動分析……等領(lǐng)域大有作為。
目前，動作捕捉界市場還是以光學(xué)動捕技術(shù)為主導(dǎo)，能夠利用慣性傳感器開發(fā)人體全身運動捕捉系統(tǒng)的廠商屈指可數(shù)，足見慣性動捕系統(tǒng)有著不可估量的巨大潛力，而以中國諾亦騰公司為首的慣性動捕技術(shù)，以技術(shù)實力為武器，通過修煉內(nèi)功，填補(bǔ)了中國市場的空白，并逐步在市場上占領(lǐng)先機(jī)。它必將扛起動作捕捉行業(yè)的大旗，全面扭轉(zhuǎn)國內(nèi)動捕行業(yè)格局，成為與光學(xué)動捕平分天下，甚至更具市場競爭力的重頭技術(shù)。
本文轉(zhuǎn)載自傳感器技術(shù)。
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