動作捕捉(Motion Capture,簡稱動捕)技術可能對很多人來說比較陌生,然而在現實生活中,你可能已經接觸過這種技術而不自知。比如電影《猩球崛起》《阿麗塔:戰(zhàn)斗天使》和《阿凡達》中的一些人物形象,就是通過動作捕捉技術后期制作而成的。

可能有人會問,三維動畫技術已經如此先進,為什么還需要動作捕捉技術呢?如果你了解3D動畫的制作過程,就會知道,繪畫、建模、渲染等一系列操作非常耗時耗力,有時設計人物的動作會很困難,不容易達到預期效果。動作捕捉技術的優(yōu)勢在于它可以直接捕捉真人表演,不僅能節(jié)省大量制作成本和時間,還能讓角色的動作更加自然和真實。

運動捕捉是一種將物體、尤其是人體運動記錄并轉化為數字數據的技術。最初,這種技術主要用于動畫制作和游戲開發(fā),但如今它在許多領域中得到了廣泛應用,包括運動科學、醫(yī)療康復、虛擬現實(VR)、增強現實(AR)、軍事訓練和機器人技術等。動捕技術通過在被捕捉對象的身體上安裝標記點或傳感器,并使用攝像機或傳感器陣列捕捉這些標記點或傳感器的三維位置數據,將這些數據用于分析和應用。

運動捕捉有哪些類型?

根據不同的技術原理,運動捕捉有很多種,像機械式、聲學式、電磁式、主動光學式和被動光學式、慣性動作捕捉……不同類型的動作捕捉技術,各有優(yōu)缺點。

運動捕捉領域中,光學動捕是一種最為常見且成熟的技術。光學動捕系統(tǒng)利用紅外攝像機捕捉被動反射標記點的運動,或者使用主動發(fā)光的LED標記點。光學動捕的主要優(yōu)點是其高精度和高分辨率,能夠捕捉到非常細微的動作細節(jié),因此在電影和游戲動畫制作中得到了廣泛應用。例如,許多好萊塢電影中的動作場景和角色表演都依賴于光學動捕技術。

然而,光學動捕需要在專門的環(huán)境中進行,攝像機需要對準標記點,并且標記點不能被遮擋,否則會影響數據捕捉的準確性。此外,這種技術對設備要求較高,成本較為昂貴。

光學動捕系統(tǒng)通常包含多個攝像機,以確保從不同角度捕捉到標記點的運動軌跡。攝像機通過同步捕捉到的圖像數據,利用三角測量法計算出標記點在三維空間中的位置。被動反射標記點通常是小球形反光材料,當紅外光照射到標記點時,光線會反射回攝像機;主動發(fā)光標記點則是小型LED,直接發(fā)出可見光或紅外光,供攝像機捕捉。

光學動捕系統(tǒng)中具有代表性的就是Qualisys三維運動捕捉系統(tǒng),Qualisys源自瑞典,成立于1989年,是全球領先的光學運動捕捉產品和服務的供應商。Qualisys運動捕捉系統(tǒng)每天在全世界被使用,主要應用在人體生物力學領域、運動領域、工業(yè)領域、娛樂領域、動物生物力學領域等。

Qualisys擁有一個完整的運動捕捉解決方案,應用于科研領域,可以獲得采集數據、分析數據、生成報告。在人體生物力學領域應用于臨床步態(tài)、聲音和動作、心理學、MRI等方面。Qualisys是運動科學,尤其是運動生物力學的首選,其擁有全球最快的運動捕捉鏡頭。這些鏡頭具有低延遲輸出和亞毫米精度,捕捉范圍高達35米。

作為工業(yè)領域位置追蹤的黃金標準,Qualisys應用于無人機、機器人、海洋和水下研究等項目。Qualisys運動捕捉系統(tǒng)幫助游戲工作室、電影和電視制作人員完成優(yōu)秀的動畫片制作,也幫助VR開發(fā)者創(chuàng)造沉浸式體驗效果。

在問題解決上,動物和人類研究應用領域之間存在相似之處。例如,無論是對動物還是人的研究上,都是希望找到潛在的損傷問題或者能贏得比賽的最佳運動模式。

慣性動捕是另一種廣泛應用的動捕技術,它使用加速度計、陀螺儀和磁力計等慣性傳感器來捕捉運動數據。與光學動捕不同,慣性動捕不依賴外部攝像機和光學標記點,因此不受環(huán)境光線和遮擋的影響,可以在任何地方使用,非常適合長時間記錄。這種技術在運動分析、運動康復和可穿戴設備中應用廣泛。例如,許多健身追蹤器和智能手表都使用慣性傳感器來監(jiān)測用戶的運動狀態(tài)。

法國TeaCaptiv可穿戴人體運動捕捉與人機工效分析系統(tǒng),是基于無線慣性傳感技術的全身三維動作捕捉及人因工效學評價系統(tǒng),采用最適合真實現場的可穿戴技術以及無線數據傳輸技術,實現無線通訊,受試者可以在完全自然不受任何干擾、行動自由的狀態(tài)下進行活動以及操作。

Captiv Motion可穿戴動作捕捉系統(tǒng)與慣性傳感器測量動作模塊,可代替測角計及扭矩計,能夠計算3D空間內四肢和關節(jié)的方向以及旋轉角度。Captiv Motion 采用最適合真實現場的可穿戴技術以及無線數據傳輸技術,實現無線通訊,無需連接帶有線纜的傳感器和數據記錄器;采集數據時,人體可以在完全自然不受任何干擾、行動自由的狀態(tài)下進行活動以及操作,讓被試者不必感受來源于線纜的約束與不適感,來達到研究個體行為、生理情緒狀況、視覺、認知、活動等機體特性在特定工作或移動狀態(tài)下與周圍環(huán)境刺激間交互影響狀態(tài)的目的。

Captiv Motion系統(tǒng)無線傳感器與數據記錄儀模塊結合了方位傳感器、陀螺儀、加速度傳感器,實時采集人體動作,可提供關節(jié)角度、速度、位置、扭矩(收集數據包括:彎曲/伸展、外展/內收、扭轉、角速度、以及角加速度等)等信息。既可以基于實驗室進行模擬實驗,也可完全脫離固定場地在野外真實世界進行現場研究。

無標記動捕是一種新興的動捕技術,不需要在被捕捉對象上安裝任何標記點或傳感器。無標記動捕的優(yōu)點是更自然和便捷,因為它不需要復雜的準備工作和設備安裝,適用于日常場景和大眾市場。無標記動捕系統(tǒng)通過捕捉對象的形狀和動作,將其轉化為三維模型和動畫數據。深度攝像頭利用紅外光或激光測量物體到攝像頭的距離,生成深度圖像;計算機視覺算法則通過分析視頻流中的像素變化,識別和跟蹤物體的運動。這些技術結合使用,可以實現高效的無標記動捕。

Captury是馬克斯·普朗克信息學研究所(MPI)子公司,從成立之初就一直專注于開發(fā)最強大、最易于使用的無標記動作捕捉技術。這使他們的客戶能夠在許多不同的垂直領域快速部署該技術。除了DARI在醫(yī)療保健市場的最大客戶外(DARImotion是部署了該技術最成功的商業(yè)產品,已經獲得美國FDA),許多國際客戶還在各種應用中部署了該技術。主要市場可以分為醫(yī)療保健和娛樂,已經與客戶開發(fā)了大量特定的用例,從虛擬現實體驗到專業(yè)舞蹈表演的錄制,再到生物識別步態(tài)分析和幼兒園兒童的功能性運動呈現。

Capturylive提供實時無標記動作捕捉解決方案,其靈活性無與倫比,無需標記點、可穿戴設備或其它專用硬件即可輕松實現人體動作捕捉。

運動捕捉有哪些應用領域?

動捕技術在娛樂行業(yè)的應用尤為廣泛,在電影和游戲制作中,動捕技術被用來捕捉演員的表演,生成高質量的動畫。例如,《阿凡達》、《指環(huán)王》等電影中的虛擬角色都是通過動捕技術實現的。在虛擬現實(VR)和增強現實(AR)領域,動捕技術增強了用戶的沉浸感和互動體驗。通過捕捉用戶的動作,系統(tǒng)可以實時反應,使用戶感覺自己真正處于虛擬環(huán)境中。

在電影制作中,動捕技術使得導演和動畫師能夠創(chuàng)造出更加真實和復雜的角色和動作。例如,演員可以穿戴動捕設備表演角色的動作和表情,動捕系統(tǒng)會記錄這些動作,并轉化為三維動畫數據。然后,動畫師可以在此基礎上進行進一步的修改和優(yōu)化,生成最終的動畫效果。這種技術極大地提高了動畫制作的效率和質量,減少了手工繪制和調整的工作量。

在醫(yī)療和康復領域,動捕技術用于運動分析,幫助診斷和治療運動障礙。例如,醫(yī)生可以通過動捕系統(tǒng)分析患者的步態(tài)和姿勢,找出問題所在并制定康復計劃。在康復訓練中,動捕技術提供精確的反饋,指導患者進行正確的訓練動作,加速康復進程。此外,動捕技術還可以用于虛擬現實康復訓練,通過創(chuàng)建虛擬環(huán)境,增加康復訓練的趣味性和效果。

體育科學領域利用動捕技術優(yōu)化運動員的技術和表現。教練可以通過動捕系統(tǒng)分析運動員的動作,找出技術缺陷,并進行針對性的訓練。此外,動捕技術還可以分析運動模式,預防運動損傷,提高運動員的安全性。例如,在跑步訓練中,動捕系統(tǒng)可以記錄運動員的步態(tài)、步長、步頻和關節(jié)角度,幫助教練評估跑步技術的有效性和穩(wěn)定性。在體操訓練中,動捕系統(tǒng)可以記錄運動員的翻滾、跳躍和旋轉動作,幫助教練評估動作的準確性和協(xié)調性。通過動捕技術,教練可以為運動員制定個性化的訓練計劃,提高訓練效果和運動表現。

在人機互動方面,動捕技術可以捕捉操作員的動作,指導機器人操作。例如,在復雜的制造過程中,操作員可以通過動捕系統(tǒng)控制機器人進行精密操作,減少人為誤差。虛擬培訓也是動捕技術的重要應用之一。通過動捕系統(tǒng),企業(yè)可以為操作員提供虛擬訓練環(huán)境,使其在真實操作前進行模擬訓練,提高操作技能和安全意識。

當前,動捕技術正經歷快速發(fā)展。技術進步使得動捕系統(tǒng)的精度和實時性不斷提高。光學動捕系統(tǒng)可以在毫秒級捕捉動作細節(jié),而慣性動捕系統(tǒng)的算法也在不斷優(yōu)化,減少誤差。同時,傳感器和設備也變得更加小型化和便攜化,使得動捕技術可以在更多場景下應用。動捕技術逐漸從專業(yè)領域擴展到大眾市場,越來越多的健身追蹤器、智能手表和游戲設備開始集成動捕技術,為用戶提供更豐富的功能和體驗。

總的來說,動捕技術正朝著更高精度、更廣泛應用、更低成本和更智能化的方向發(fā)展。隨著技術的不斷進步和應用場景的擴展,動捕技術將在更多領域發(fā)揮重要作用,展現出廣闊的發(fā)展前景。無論是在娛樂、醫(yī)療、體育還是工業(yè)領域,動捕技術都將繼續(xù)推動創(chuàng)新,改變我們的生活和工作方式。