【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,然后用高速攝像機來捕捉marker點的準確位移,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。對于一些遮擋嚴重的動作來說,光學(xué)動捕無法準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)進行處理,從而完成運動目標的姿態(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償。
陀螺儀的工作原理是通過測量三維坐標系內(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這一缺陷,它的強項在于定位設(shè)備的方位,可以測量出當前設(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;
然后不斷地進行標定和校準,即不斷地對各慣性器件進行相應(yīng)的補償以解決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,避免了不斷校準的麻煩。
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)用慣性傳感器做補充跟蹤,即當出現(xiàn)遮擋情況時,IK+室內(nèi)定位相結(jié)合的動作捕捉技術(shù)無法完全準確的實現(xiàn),這個時候利用慣性式動作捕捉技術(shù)做補充。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,不需要另行校準,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行拍攝,再實時地用摳背機把人物扣下來附著到虛擬的場景當中。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、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)、進球概率等,使體育教學(xué)與訓(xùn)練進入數(shù)字化時代,大幅提高訓(xùn)練水平。同時它使遠程教學(xué)成為可能,尤其適合具有要求特殊的運動,如帆船、攀巖等??偟膩碚f,利用慣性動作捕捉設(shè)備獲取的這種實時且準確的分析、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)備則更加精準和智能,它借助數(shù)字化的精密測量方式更加客觀地進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和診斷,并提供客觀準確的數(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、進出車門的方便性,以及車身高度等方面;在機械設(shè)計領(lǐng)域,它可以用在操作臺的安裝、洗衣機高度的設(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、機器人控制、人機工程、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,填補了中國市場的空白,并逐步在市場上占領(lǐng)先機。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)。
推薦閱讀: