概述
動作捕捉儀是為第二次世界大戰(zhàn)后，起源于物理治療、康復(fù)土地中，對傷殘、截肢、腦癱、帕金森癥患者運動及行為學(xué)分析研究，產(chǎn)生與斯坦福大學(xué)神經(jīng)生物力學(xué)實驗室，該實驗室至今仍是該土地的權(quán)威機構(gòu)。運動捕捉技術(shù)與20世紀(jì)70年代結(jié)束應(yīng)用于動畫制作土地，迪斯尼公司曾試圖通過捕捉演員的動作以改進(jìn)動畫制作結(jié)果。
三維動作捕捉及分析系統(tǒng)
當(dāng)計算機技術(shù)剛結(jié)束應(yīng)用于動畫制作時，紐約計算機圖形技術(shù)實驗室的Rebecca Allen就設(shè)計了一種光學(xué)裝置，將演員的表演姿勢投射在計算機屏幕上，作為動畫制作的參考。之后從20世紀(jì)80年代結(jié)束，美國Biomechanics實驗室、Simon Fraser大學(xué)、麻省理工學(xué)院等開展了計算機人體運動捕捉的研究。此后，運動捕捉技術(shù)吸引了越來越多的研究人員和開發(fā)商的目光，并從試用性研究逐步走向了實用化。1988年，SGI公司開發(fā)了可捕捉人頭部運動和表情的系統(tǒng)。隨著計算機軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和動畫制作要求的提高，目前在發(fā)達(dá)國家，運動捕捉差不多進(jìn)入了實用化時期，有多家廠商相繼推出了多種商品化的運動捕捉設(shè)備，如MotionAnalysis、Polhemus、Sega Interactive、MAC、X-ist、FilmBox等，其應(yīng)用土地也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了表演動畫，并成功地用于虛擬現(xiàn)實、游戲、人體工程學(xué)研究、模擬訓(xùn)練、生物力學(xué)研究等許多方面。
到目前爲(wèi)止，常用的運動捕捉技術(shù)從原理上說可分爲(wèi)機械式、聲學(xué)式、電磁式和光學(xué)式。同時，不依賴于專用傳感器，而直接識別人體特征的運動捕捉技術(shù)也將很快走向?qū)嵱。不同原理的設(shè)備各有其優(yōu)缺點，一般可從以下幾個方面進(jìn)行評價：定位精度；實時性；使用便宜程度；可捕捉運動範(fàn)圍大；成本；抗幹?jǐn)_性；多目標(biāo)捕捉能力。
組成
從技術(shù)的角度來說，運動捕捉的實質(zhì)就是要測量、跟蹤、記載物體在三維空間中的運動軌跡。典型的運動捕捉設(shè)備一般由以下幾個部分組成：
a) 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，一般會隨著捕捉的過細(xì)程度確定跟蹤器的數(shù)目。
b) 信號捕捉設(shè)備
這種設(shè)備會因Motion capture系統(tǒng)的類型不同而有所區(qū)別，它們擔(dān)負(fù)位置信號的捕捉。關(guān)于機械系統(tǒng)來說是一塊捕捉電信號的線路板，關(guān)于光學(xué)Motion capture系統(tǒng)則是高辨別率紅外攝像機。
c) 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備
Motion capture系統(tǒng)，特別是需要實時結(jié)果的Motion capture系統(tǒng)需要將大批的運動數(shù)據(jù)從信號捕捉設(shè)備快速準(zhǔn)確地傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)進(jìn)行處置，而數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備就是用來完成此項工作的。
d) 數(shù)據(jù)處置設(shè)備
通過Motion capture系統(tǒng)捕捉到的數(shù)據(jù)需要修正、處置后還要有三維模型向結(jié)合才能完成計算機動畫制作的工作，這就需要我們應(yīng)用數(shù)據(jù)處置軟件或硬件來完成此項工作。軟件也好硬件也罷它們基本上借助計算機對數(shù)據(jù)高速的運算能力來完成數(shù)據(jù)的處置，使三維模型真正、自然地運動起來。
技術(shù)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(guān)節(jié)和剛性連桿組成，在可轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)中裝有角度傳感器，可以測得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度的變化情況。裝置運動時，依據(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。
機械式運動捕捉的一種應(yīng)用形式是將欲捕捉的運動物體與機械結(jié)構(gòu)相連，物體運動帶動機械裝置，從而被傳感器實時記錄下來。X-ist的FullBodyTracker是一種頗具代表性的機械式運動捕捉國產(chǎn)產(chǎn)品。
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，主假如使用起來非常不便宜，機械結(jié)構(gòu)對表演者的動作阻礙和限制很大。而"猿猴"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(diào)整"猿猴"的姿勢，很麻煩，要緊用于靜態(tài)造型捕捉和關(guān)鍵幀的確定。
技術(shù)之二：聲學(xué)式運動捕捉
常用的聲學(xué)式運動捕捉裝置由發(fā)送器、接收器和處置單元組成。發(fā)送器是一個固定的超聲波產(chǎn)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。Logitech、SAC等公司都生產(chǎn)超聲波運動捕捉設(shè)備。
這類裝置成本較低，但對運動的捕捉有較大延遲和滯後，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，受噪聲和多次反照等幹?jǐn)_較大。由于空氣中聲波的速度與氣壓、濕度、溫度有關(guān)，因此還必須在算法中做出相應(yīng)的補償。
技術(shù)之三：電磁式運動捕捉
電磁式運動捕捉系統(tǒng)是目前比較常用的運動捕捉設(shè)備。一般由開槍源、接收傳感器和數(shù)據(jù)處置單元組成。開槍源在空間產(chǎn)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）安置在表演者軀體的關(guān)鍵位置，隨著表演者的動作在電磁場中運動,通過電纜或無線方法與數(shù)據(jù)處置單元相連。
它的缺點在于對環(huán)境要求嚴(yán)格，在表演場地臨近不能有金屬物品，否則會造成電磁場畸變，影響精度。系統(tǒng)的允許表演範(fàn)圍比光學(xué)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(shù)之四：光學(xué)式運動捕捉
光學(xué)式運動捕捉通過對目標(biāo)上特定光點的監(jiān)視和跟蹤來完成運動捕捉的任務(wù)。目前常見的光學(xué)式運動捕捉大多基于計算機視覺原理。從理論上說，關(guān)于空間中的一個點，只要它能同時為兩部相機所見，則依據(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(dāng)相機以足夠高的速率連續(xù)拍攝時，從圖像序列中就可以獲得該點的運動軌跡。 MotionAnalysis公司是該土地的佼佼者。
典型的光學(xué)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範(fàn)圍。爲(wèi)了便于處理，通常要求表演者穿上單色的服裝，在身體的關(guān)鍵部位，如關(guān)節(jié)、髖部、肘、腕等位置貼上一些特制的標(biāo)志或發(fā)光點，稱爲(wèi)"Marker"，視覺系統(tǒng)將識別和處理這些標(biāo)志，如圖4所示。系統(tǒng)定標(biāo)後，相機連續(xù)拍攝表演者的動作，並將圖像序列保存下來，然後再進(jìn)行分析和處理，識別其中的標(biāo)志點，並計算其在每一瞬間的空間位置，進(jìn)而獲得其運動軌跡。爲(wèi)了獲得準(zhǔn)確的運動軌跡，相機應(yīng)有較高的拍攝速率，一般要達(dá)到每秒60幀以上。
如果在表演者的臉部表情關(guān)鍵點貼上Marker，則可以實現(xiàn)表情捕捉，如圖5所示。目前大部分表情捕捉都采用光學(xué)式。
有點光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)不依靠Marker作爲(wèi)識別標(biāo)志，例如根據(jù)目標(biāo)的側(cè)影來提取其運動信息，或者使用有網(wǎng)格的背景簡化處理過程等。目前研究人員正在研究不依靠Marker，而應(yīng)用圖像識別、分析技術(shù)，由視覺系統(tǒng)直接識別表演者身體關(guān)鍵部位並測量其運動軌跡的技術(shù)，估計將很快投入實用。
光學(xué)式運動捕捉的優(yōu)點是表演者活動範(fàn)圍大，無電纜、機械裝置的限制，表演者可以自由地表演，使用很便宜。其采樣速率較高，可以滿足多數(shù)高速運動測量的需要。Marker的價格便宜，便于擴充。
這種方法的缺點是系統(tǒng)價格昂貴，雖然它可以捕捉實時運動，但後處理（包括Marker的識別、跟蹤、空間坐標(biāo)的計算）的工作量較大，對于表演場地的光照、反照情況有一定的要求，裝置定標(biāo)也較爲(wèi)煩瑣。特別是當(dāng)運動複雜時，不同部位的Marker有也許發(fā)生攪混、遮擋，産生錯誤結(jié)果，這時需要人工幹預(yù)後處理過程。
運動捕捉技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用
將運動捕捉技術(shù)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功效，降低了成本，同時使動畫制作過程更爲(wèi)直觀，結(jié)果更爲(wèi)生動。隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，表演動畫技術(shù)將會獲得越來越廣泛的應(yīng)用，而運動捕捉技術(shù)作爲(wèi)表演動畫系統(tǒng)不可缺少的、最關(guān)鍵的部分，必定顯示出更加重要的地位。
運動捕捉技術(shù)不僅是表演動畫中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在其他領(lǐng)域也有非常廣泛的應(yīng)用前景。
提供新的人機交互手段 表情和動作是人類心緒、心愿的重要表達(dá)形式，運動捕捉技術(shù)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(biāo)更直接便宜，不僅可以實現(xiàn)"三維鼠標(biāo)"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，并為最后實現(xiàn)可以明白人類表情、動作的計算機系統(tǒng)和機器人提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
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、軀體等的位置與方向，準(zhǔn)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)反應(yīng)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(shù)的研究內(nèi)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，實時傳送給機器人並控制其完成同樣的動作。與傳統(tǒng)的遙控方法相比，這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)更爲(wèi)直觀、細(xì)致、複雜、靈活而快速的動作控制，大大提高機器人應(yīng)付複雜情況的能力。在當(dāng)前機器人全自主控制尚未成熟的情況下，這一技術(shù)有著特別重要的意義。
互動式遊戲
可使用運動捕捉技術(shù)捕捉遊戲者的各種動作，用以驅(qū)動遊戲環(huán)境中角色的動作，給遊戲者以一種全新的參與感受，加強遊戲的真實感和互動性。
體育訓(xùn)練
運動捕捉技術(shù)可以捕捉運動員的動作，便于進(jìn)行量化分析，結(jié)合人體生理學(xué)、物理學(xué)原理，研究改進(jìn)的方法，使體育訓(xùn)練擺脫純粹的依靠經(jīng)驗的狀態(tài)，進(jìn)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(jìn)行對比分析，從而幫助其訓(xùn)練。
另外，在人體工程學(xué)研究、模擬訓(xùn)練、生物力學(xué)研究等領(lǐng)域，運動捕捉技術(shù)同樣大有可爲(wèi)。
可以預(yù)計，隨著技術(shù)自己的發(fā)展和相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)水平的提高，運動捕捉技術(shù)將會獲得越來越廣泛的應(yīng)用。
要緊代表品牌
IS-1200、ReActor2、Vicon Organic、Motion、A.R.T.等等。
