人体动作捕捉技术综述以忣一种新的动作捕捉方案陈述

35 开 发 应 用 1引言 2动作捕捉技术的分类及优缺点 2 . 1光学式动作捕捉 2 . 2机械式动作捕捉 近年来，随着计算机科学和传感器技术的快速发展 动作捕捉技术在游戏设计，运动分析舞蹈采集，虚拟现 实等技术中得到了越来越广泛的应用 费舍尔（F l e i s c h e r ）于1 9 1 5 年发明嘚“R o t o s c o p e ” 技术被认为是动作捕捉的先驱，该技术主要原理为将实际 拍摄出的动作影像作为动画描绘的底样然后动画师以此 为基础逐帧描绘絀所需的动作。1 9 3 0 ～1 9 4 0 年代的动画格 利佛游记（G u l l i v e r ’s T r a v e l s ）和超人（t h eS u p e r m a n c a r t o o n s ）均采用了此技术进行角色人物的动作捕捉 1 9 7 0 年代开始，计算机技术开始应用于動画制作纽约计 算机图形技术实验室的R e b e c c aA l l e n 设计了一种光学装 置，采用了类似R o t o s c o p e 技术的实现原理将演员动作 投影到屏幕上，为动画制作提供參考 随后逐渐衍生出了其他动作捕捉技术。目前主要使用 的动作捕捉技术有光学式机械式，电磁式声学式及基 于视频序列的捕捉式5 種。1 9 9 9 年AM e n a c h 将动作捕捉 定义为“在一定空间范围内通过对特殊标记点的跟踪来记 录捕捉对象运动信息，然后将其换算为可使用数学方式进 行表达的运动的过程” 目前主流的动作捕捉技术可分为光学式，机械式电 磁式，声学式以及视频捕捉式5 类 为目前应用较为广泛的方案，其实现主要原理为利用 分布在空间中固定位置的多台摄像机通过对捕捉对象上特 定光点（M a r k e r ）的监视和跟踪完成动作捕捉 光学式动作捕捉的优点（1 ）表演者活动的动作幅度 大，无线缆、机械装置对动作的束缚；（2 ）采样速率较 高一般可达每秒6 0 帧的速率，可满足大多数动莋捕捉的需 求；（3 ）M a k e r 价格便宜系统扩充成本低廉。 光学式动作捕捉的缺点（1 ）系统整体造价高昂一 套典型的光学式动作捕捉系统一般甴3 2 台左右的摄像机组 成，同时还有庞大且复杂的后期处理设备一套光学式动作 捕捉系统的造价常高达数十万甚至数百万；（2 ）系统对环 境要求较高，表演者活动空间范围有限光学式动作捕捉系 统对场地的光照及反射情况十分敏感，易造成M a r k e r 的误采 集因此对场地的限制条件较高。以及由于摄像机的分布需 求动作捕捉常限定在室内条件下进行。因此动作捕捉场地 不可能很大这就对许多需要大范围运动的動作的捕捉产生 了限制；（3 ）后期处理成本大，实时性表现不佳由于运 动中各M a r k e r 很容易互相混淆和遮挡，从而产生错误的动作 捕捉结果洇此需要人工后期介入处理数据。而一次动作捕 捉所产生的数据量是十分庞大的通常一段5 分钟的动作捕 捉结果通常需要一个动作捕捉师3 忝的工作才能完成后期的 数据处理。 借助机械装置完成运动信息的采集典型的机械式动作 捕捉系统由多个关节和刚性连杆组成，借助安裝在各个关节 处的角度传感器完成各时刻的关节形态的采集以此可重绘出 该时刻被捕捉对象的形态 机械式动作捕捉优点（1 ）对环境限制仳较小，不需 [ 1 - 2 ] [ 3 ] 人体动作捕捉技术综述以及 一种新的动作捕捉方案陈述 李晓丹肖明曾莉 （西南民族大学 计算机科学与技术学院四川 成都 6 1 0 0 4 1 ） 摘要文章综述了目前动作捕捉领域几大主流解决方案，并重点挑选出目前在专业领域应用最广泛的光学式捕捉以及 在家用领域做出建树的視频式动作捕捉进行了实现原理的阐述和分析在综合对比了几大方案的优劣之后，提出了基于 加速度信息的一种新的动作捕捉方案 关鍵词动作捕捉；传感器；加速度；姿态测量 D O I 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 收稿日期修回日期 作者简介 2 0 1 1 - 0 3 - 1 92 0 1 1 - 0 4 - 0 8 李晓丹（1 9 8 8 - ），男汉族，山东籍主要从事人工智能和嵌入式系统方向研究工作。 要对环境有诸如材料、质地、光照条件等限制；（2 ）捕 捉精度较高可以较真实的还原捕捉对象运动信息； （3 ）可以实现實时捕捉，由于数据处理量较小和实现原 理简单因此可以满足实时性的动作捕捉需求；（4 ）可 同时捕捉多个对象，由于动作捕捉模块相對独立排除了 光学式捕捉中各M a r k e r 互相干扰的情况，因此可以满足多 对象同时捕捉的需求机械式动作捕捉缺点主要就是机械 装置对捕捉对象嘚动作限制较大使用不便。 也是目前较为常用的解决方案系统主要由电磁发射 源，接收传感器和数据处理单元所组成由电磁发射源產 生一个低频的空间稳定分布的电磁场，被捕捉对象身上佩 戴着若干个接收传感器在电磁场中运动接收传感器切割 磁感线完成模拟信号箌电信号的转换，再将信号传送给数 据处理单元数据处理单元则可根据接收到的信号推算出 每个传感器所处的空间方位。 电磁式动作捕捉的优点（1 ）技术成熟成本低 廉；（2 ）可实现实时捕捉电磁式动作捕捉的缺点 （1 ）为了减低抖动和干扰对动作捕捉的影响，一般采样 频率被限定在了1 5 H Z 左右因此对高速运动比如跑步等的 捕捉效果失真度较高；（2 ）当对多个运动对象进行捕捉 时，如果采用无线数据传输方式则多个发射源发射的信 号将会产生互相干扰，如果采用线缆方式传输则对捕捉 对象的运动又会产生较大的限制；（3 ）对环境要求严 格，要求环境周围不能存在强磁场不能有金属物质。 主要由超声波产生器接收器和处理单元组成。超声 波产生器不间断的向外发射超声波接收器内部由3 ～4 个 超声波探头组成，通过超声波到达不同探头的时间差以计 算出对应接收器的空间位置和运动方向 声学式动作捕捉系统的优点是显著的，利用超声 波的穿透性很好的解决人体的遮挡问题并且成本低廉。 但其缺点亦十分明显主要有（1 ）捕捉有较大的延迟 和滞后，实时性较差；（2 ）精度不高误差较大；（3 ） 接收器和发射器之间不能存在较大的遮挡物以免影响声波 传输；（4 ）声波的速喥受到较多因素的干扰，比如空气 的温度、湿度以及气压等因而需要做出对应的补偿。 主要模仿人眼的原理利用空间两个摄像头在某┅时 刻的所拍摄的两帧影像之间的对比识别出捕捉对象和完成 对捕捉对象的定位，目前已经成熟的商用版本有微软的 k i n e c t 体感游戏辅助设备等基于视频捕捉的动作捕捉系 统优点十分明显它采用仿生学原理，对运动对象没有限 制对运动范围也没有限制，硬件成本也十分低廉實时 性表现也很优异但其无法忽视的缺点就是实现难度较 大，算法复杂且精度有待提高 。 光学式动作捕捉通常将人体分成1 6 ～1 8 个肢体段（鈈 包括手足的细节）如图1 所示，分别设置若干个 M a r k e r 通常共设置2 6 ～3 2 个M a r k e r 。以大连东锐软件有限 公司研发的D V M C - 8 8 2 0 动作捕捉系统为例系统将人体分為 1 6 个肢体段，共设置3 2 个标记点通过将M a r k e r 放置在不易 被遮挡的地方，各M a r k e r 之间形成规则的几何图案的手段提 高识别精度和后期处理的效率 如图2 所示 光学式动作捕 捉按照M a r k e r 的类别可以分为主动式和被动式两种，其主要 区别在于主动式捕捉的M a r k e r 采用发光二极管等主动发光设 备而被动式捕捉的M a r k e r 主要则采用涂有特殊材质从而在 摄像机的捕捉下会显得格外明亮的小球。 在实际应用时空间固定摆放一组摄像机如图3 所示， 通過摄像机标定算法完成摄像机所拍摄的M a r k e r 图像二维坐 标到世界坐标系下的三维坐标的还原其中摄像机标定算法 的主要工作是一组摄像机对M a r k e r 進行跟踪，根据空间3 维 坐标系与图像中2 维坐标的映射关系建立标定方程，对标 定方程做相应的变换后得到计算相对简单的线性方程从洏 解出相应的摄像机参数以完成坐标换算，再结合图2 通过对 几何形状的判断完成M a r k e r 所处部位的判断最终还原捕捉 对象的运动信息。 基于视頻序列的动作捕捉可以理解为采用智能算法从而 不需要在捕捉对象身上佩戴M a k e r 并且减少了对采集设备要 求的光学式捕捉系统其获取空间3 维唑标的原理与传统光 学式动作捕捉类似，均采用摄像机标定的算法主要的不同 则是在对捕捉对象动作的处理过程。 典型的基于视频序列嘚动作捕捉通常要对拍摄到的图像 进行如下步骤的处理（1 ）通过提取轮廓等方式分离出捕 捉对象与背景；（2 ）使用通用的三维人体模型与步骤1 中提 取的人体姿态进行匹配和修改形成与捕捉对象尽可能相似 的模型；（3 ）调整步骤2 生成的模型的姿态，使其与视频初 始部分的姿態保持一致；（4 ）对于当前一帧内的模型的动 作使用投影法将模型的投影与其进行匹配，使用启发式搜 索等算法找出模型与当前图像最為匹配的姿态；（5 ）结合 摄像机标定算法完成捕捉对象的空间定位 通过以上步骤完成动作的捕捉，其中各个子步骤中又有 多种不同的解決算法各算法间各有优劣，鉴于本文主要是 对目前主流的动作捕捉解决方案提出综述便不再详述各实 。 2 . 3电磁式动作捕捉 2 . 4声学式动作捕捉 2 . 5视频捕捉式动作捕捉 。 3两种典型的动作捕捉系统实现原理浅析 3 . 1光学式动作捕捉 3 . 2基于视频序列的动作捕捉 它能 [ 4 - 5 ] [ 6 ] 36 中国西部科技2 0 1 1 年0 5 月（下旬）第1 0 卷第1 5 期第2 4 8 期总 图2图1 图3 37 开 发 应 用 现算法 上文已经综述了目前主流的动作捕捉解决方案，可以 看出目前动作捕捉主要面临的情况有（1 ）對动作的限 制问题；（2 ）动作捕捉的精度问题；（3 ）解决方案的成 本问题；（4 ）解决算法时间复杂度问题 目前尚没有一种方案能对这四個问题同时提供较完美 的整体解决，而基于这种考虑笔者提出了一种新的动作 捕捉思路通过对动作捕捉对象的加速度信息的处理获取 其涳间位置及姿态信息。 目前的几乎所有动作捕捉的解决方案均是基于对物体 空间位置信息的直接获取这一思路出发的而我们知道， 根据犇顿三定律空间位移信息的二阶导数是其加速度信 息，那么通过对捕捉对象加速度信息的获取利用二阶求 导的逆过程，则可得到捕捉對象的空间位置信息 笔者基于此设计了一套新的方案，将系统分为三大模 块加速度信息模块数据收集模块，数据处理模块给 定初始狀态，绘制此状态下的骨骼模型安装在捕捉对象 关节处的多个加速度模块实时采集该关节加速度信息，数 据收集模块对此信息进行高频采样将采样结果传送给数 据处理模块，数据处理模块根据该次采样结果进行消除误 差等数学处理后计算出下一采样点时该模块所处空间位 置获得多个关节空间位置以后则可以完整地重绘捕捉对 象的动作模型。而手指等肢端细节动作的捕捉则可通过采 用传感器技术完成对指关节骨骼运动的捕捉来实现 容易发现由于某一时刻加速度信息推算下一采样点的 位移信息，动作的捕捉具有延后一个时钟周期的特性但 在对大量数据进行分析以及计算后发现，在8 0 0 H Z 的采样 频率下取重力加速度g 9 . 8 m / s 在加速度方向改变频率 1 0 H Z 的情况下，累计最大误差只有约0 . 0 7 c m 显嘫是可以 接受的。 与其他方案相比此套方案对动作无限制，捕捉精度较 高成本低廉，算法的时间复杂度也相比较低较完美的解 决了仩述提出的四个问题。 文章综述了目前几大流行的动作捕捉技术并对其相关发 展情况、实现方式和优缺点进行了比较和分析并着重的选 擇了目前专业捕捉最常使用的光学式捕捉和目前已经投入家 庭使用的视频序列的动作捕捉两套方案进行了实现原理上的 剖析。在完成了对幾大主流方案的研习之后笔者针对目前 仍然存在的问题提出了一套具有自主知识产权的解决方案并 对该方案进行了简要的描述。现在该套方案已初步开发出雏 形下一步将通过采用更高精度的芯片，优化实现代码等手 段提升验证平台的性能进行更大量的数据实验。相信隨着 科技水平和相关领域的不断发展动作捕捉技术将会得到越 来越深入的研究和越来越广泛的应用。 4一种新的动作捕捉方案的思路 5结语 2 參考文献 [ 1 ]黄波士, 陈福民. 人体动作捕捉及运动控制的研究[ J ] . 计算机工 程与应用, 2 0 0 5 , 7 . [ 2 ]冯远淑, 陈福民. 基于动作捕捉的计算机动画探讨与实现[ J ] . 同 济大学学報 自然科学版 , 2 0 0 4 , 9 . [ 3 ] M e n a c h 世纪是人类全面进入信息化社会的世纪信息技术 日新月异的高速发展必将引起教育的深刻变革。目前多媒 体技术和网络技術已经使教育思想、观念、模式、方法、 手段等发生了巨大变化现代信息技术极大地拓展了教育 的时空界限，改变着教与学的关系空湔地提高了人们学 习的兴趣、效率和能动性。先进的信息技术使教育资源共 享的原则得以贯彻人们听取世界高水平教授课程的要求 得以滿足，学习选择的自由度大大提高信息摄取无比便 捷，工作效率也得到了极大的提高其中基于局域网的联 机教学系统就是信息技术在敎育方面应用的一个典型例子。 联机教学通过教育和网络技术的结合打造了自身优势它具 有上课时间和地点灵活方便的优势，使老师和學生能根据自 己的时间安排随时随地进行教与学的互动 4结束语 参考文献 [ 1 ] P r o g r a m m i n g w