逢友分享-多应用领域的潜力技术：5分钟速读，带你了解动作捕捉

动作捕捉(Motion Capture,简称动捕)技术可能对很多人来说比较陌生,然而在现实生活中,你可能已经接触过这种技术而不自知。比如电影《猩球崛起》《阿丽塔:战斗天使》和《阿凡达》中的一些人物形象,就是通过动作捕捉技术后期制作而成的。

可能有人会问,三维动画技术已经如此先进,为什么还需要动作捕捉技术呢?如果你了解3D动画的制作过程,就会知道,绘画、建模、渲染等一系列操作非常耗时耗力,有时设计人物的动作会很困难,不容易达到预期效果。动作捕捉技术的优势在于它可以直接捕捉真人表演,不仅能节省大量制作成本和时间,还能让角色的动作更加自然和真实。

运动捕捉是一种将物体、尤其是人体运动记录并转化为数字数据的技术。最初,这种技术主要用于动画制作和游戏开发,但如今它在许多领域中得到了广泛应用,包括运动科学、医疗康复、虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、军事训练和机器人技术等。动捕技术通过在被捕捉对象的身体上安装标记点或传感器,并使用摄像机或传感器阵列捕捉这些标记点或传感器的三维位置数据,将这些数据用于分析和应用。

运动捕捉有哪些类型?

根据不同的技术原理,运动捕捉有很多种,像机械式、声学式、电磁式、主动光学式和被动光学式、惯性动作捕捉……不同类型的动作捕捉技术,各有优缺点。

运动捕捉领域中,光学动捕是一种最为常见且成熟的技术。光学动捕系统利用红外摄像机捕捉被动反射标记点的运动,或者使用主动发光的LED标记点。光学动捕的主要优点是其高精度和高分辨率,能够捕捉到非常细微的动作细节,因此在电影和游戏动画制作中得到了广泛应用。例如,许多好莱坞电影中的动作场景和角色表演都依赖于光学动捕技术。

然而,光学动捕需要在专门的环境中进行,摄像机需要对准标记点,并且标记点不能被遮挡,否则会影响数据捕捉的准确性。此外,这种技术对设备要求较高,成本较为昂贵。

光学动捕系统通常包含多个摄像机,以确保从不同角度捕捉到标记点的运动轨迹。摄像机通过同步捕捉到的图像数据,利用三角测量法计算出标记点在三维空间中的位置。被动反射标记点通常是小球形反光材料,当红外光照射到标记点时,光线会反射回摄像机;主动发光标记点则是小型LED,直接发出可见光或红外光,供摄像机捕捉。

光学动捕系统中具有代表性的就是Qualisys三维运动捕捉系统,Qualisys源自瑞典,成立于1989年,是全球领先的光学运动捕捉产品和服务的供应商。Qualisys运动捕捉系统每天在全世界被使用,主要应用在人体生物力学领域、运动领域、工业领域、娱乐领域、动物生物力学领域等。

Qualisys拥有一个完整的运动捕捉解决方案,应用于科研领域,可以获得采集数据、分析数据、生成报告。在人体生物力学领域应用于临床步态、声音和动作、心理学、MRI等方面。Qualisys是运动科学,尤其是运动生物力学的首选,其拥有全球最快的运动捕捉镜头。这些镜头具有低延迟输出和亚毫米精度,捕捉范围高达35米。

作为工业领域位置追踪的黄金标准,Qualisys应用于无人机、机器人、海洋和水下研究等项目。Qualisys运动捕捉系统帮助游戏工作室、电影和电视制作人员完成优秀的动画片制作,也帮助VR开发者创造沉浸式体验效果。

在问题解决上,动物和人类研究应用领域之间存在相似之处。例如,无论是对动物还是人的研究上,都是希望找到潜在的损伤问题或者能赢得比赛的最佳运动模式。

惯性动捕是另一种广泛应用的动捕技术,它使用加速度计、陀螺仪和磁力计等惯性传感器来捕捉运动数据。与光学动捕不同,惯性动捕不依赖外部摄像机和光学标记点,因此不受环境光线和遮挡的影响,可以在任何地方使用,非常适合长时间记录。这种技术在运动分析、运动康复和可穿戴设备中应用广泛。例如,许多健身追踪器和智能手表都使用惯性传感器来监测用户的运动状态。

法国TeaCaptiv可穿戴人体运动捕捉与人机工效分析系统,是基于无线惯性传感技术的全身三维动作捕捉及人因工效学评价系统,采用最适合真实现场的可穿戴技术以及无线数据传输技术,实现无线通讯,受试者可以在完全自然不受任何干扰、行动自由的状态下进行活动以及操作。

Captiv Motion可穿戴动作捕捉系统与惯性传感器测量动作模块,可代替测角计及扭矩计,能够计算3D空间内四肢和关节的方向以及旋转角度。Captiv Motion 采用最适合真实现场的可穿戴技术以及无线数据传输技术,实现无线通讯,无需连接带有线缆的传感器和数据记录器;采集数据时,人体可以在完全自然不受任何干扰、行动自由的状态下进行活动以及操作,让被试者不必感受来源于线缆的约束与不适感,来达到研究个体行为、生理情绪状况、视觉、认知、活动等机体特性在特定工作或移动状态下与周围环境刺激间交互影响状态的目的。

Captiv Motion系统无线传感器与数据记录仪模块结合了方位传感器、陀螺仪、加速度传感器,实时采集人体动作,可提供关节角度、速度、位置、扭矩(收集数据包括:弯曲/伸展、外展/内收、扭转、角速度、以及角加速度等)等信息。既可以基于实验室进行模拟实验,也可完全脱离固定场地在野外真实世界进行现场研究。

无标记动捕是一种新兴的动捕技术,不需要在被捕捉对象上安装任何标记点或传感器。无标记动捕的优点是更自然和便捷,因为它不需要复杂的准备工作和设备安装,适用于日常场景和大众市场。无标记动捕系统通过捕捉对象的形状和动作,将其转化为三维模型和动画数据。深度摄像头利用红外光或激光测量物体到摄像头的距离,生成深度图像;计算机视觉算法则通过分析视频流中的像素变化,识别和跟踪物体的运动。这些技术结合使用,可以实现高效的无标记动捕。

Captury是马克斯·普朗克信息学研究所(MPI)子公司,从成立之初就一直专注于开发最强大、最易于使用的无标记动作捕捉技术。这使他们的客户能够在许多不同的垂直领域快速部署该技术。除了DARI在医疗保健市场的最大客户外(DARImotion是部署了该技术最成功的商业产品,已经获得美国FDA),许多国际客户还在各种应用中部署了该技术。主要市场可以分为医疗保健和娱乐,已经与客户开发了大量特定的用例,从虚拟现实体验到专业舞蹈表演的录制,再到生物识别步态分析和幼儿园儿童的功能性运动呈现。

Capturylive提供实时无标记动作捕捉解决方案,其灵活性无与伦比,无需标记点、可穿戴设备或其它专用硬件即可轻松实现人体动作捕捉。

运动捕捉有哪些应用领域?

动捕技术在娱乐行业的应用尤为广泛,在电影和游戏制作中,动捕技术被用来捕捉演员的表演,生成高质量的动画。例如,《阿凡达》、《指环王》等电影中的虚拟角色都是通过动捕技术实现的。在虚拟现实(VR)和增强现实(AR)领域,动捕技术增强了用户的沉浸感和互动体验。通过捕捉用户的动作,系统可以实时反应,使用户感觉自己真正处于虚拟环境中。

在电影制作中,动捕技术使得导演和动画师能够创造出更加真实和复杂的角色和动作。例如,演员可以穿戴动捕设备表演角色的动作和表情,动捕系统会记录这些动作,并转化为三维动画数据。然后,动画师可以在此基础上进行进一步的修改和优化,生成最终的动画效果。这种技术极大地提高了动画制作的效率和质量,减少了手工绘制和调整的工作量。

在医疗和康复领域,动捕技术用于运动分析,帮助诊断和治疗运动障碍。例如,医生可以通过动捕系统分析患者的步态和姿势,找出问题所在并制定康复计划。在康复训练中,动捕技术提供精确的反馈,指导患者进行正确的训练动作,加速康复进程。此外,动捕技术还可以用于虚拟现实康复训练,通过创建虚拟环境,增加康复训练的趣味性和效果。

体育科学领域利用动捕技术优化运动员的技术和表现。教练可以通过动捕系统分析运动员的动作,找出技术缺陷,并进行针对性的训练。此外,动捕技术还可以分析运动模式,预防运动损伤,提高运动员的安全性。例如,在跑步训练中,动捕系统可以记录运动员的步态、步长、步频和关节角度,帮助教练评估跑步技术的有效性和稳定性。在体操训练中,动捕系统可以记录运动员的翻滚、跳跃和旋转动作,帮助教练评估动作的准确性和协调性。通过动捕技术,教练可以为运动员制定个性化的训练计划,提高训练效果和运动表现。

在人机互动方面,动捕技术可以捕捉操作员的动作,指导机器人操作。例如,在复杂的制造过程中,操作员可以通过动捕系统控制机器人进行精密操作,减少人为误差。虚拟培训也是动捕技术的重要应用之一。通过动捕系统,企业可以为操作员提供虚拟训练环境,使其在真实操作前进行模拟训练,提高操作技能和安全意识。

当前,动捕技术正经历快速发展。技术进步使得动捕系统的精度和实时性不断提高。光学动捕系统可以在毫秒级捕捉动作细节,而惯性动捕系统的算法也在不断优化,减少误差。同时,传感器和设备也变得更加小型化和便携化,使得动捕技术可以在更多场景下应用。动捕技术逐渐从专业领域扩展到大众市场,越来越多的健身追踪器、智能手表和游戏设备开始集成动捕技术,为用户提供更丰富的功能和体验。

总的来说,动捕技术正朝着更高精度、更广泛应用、更低成本和更智能化的方向发展。随着技术的不断进步和应用场景的扩展,动捕技术将在更多领域发挥重要作用,展现出广阔的发展前景。无论是在娱乐、医疗、体育还是工业领域,动捕技术都将继续推动创新,改变我们的生活和工作方式。