動作捕捉(Motion Capture,簡稱動捕)技術(shù)可能對很多人來說比較陌生,然而在現(xiàn)實生活中,你可能已經(jīng)接觸過這種技術(shù)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(shù)后期制作而成的。

可能有人會問,三維動畫技術(shù)已經(jīng)如此先進,為什么還需要動作捕捉技術(shù)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(shè)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(shù)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(zhuǎn)化為數(shù)字數(shù)據(jù)的技術(shù)。最初,這種技術(shù)主要用于動畫制作和游戲開發(fā),但如今它在許多領(lǐng)域中得到了廣泛應用,包括運動科學、醫(yī)療康復、虛擬現(xiàn)實(VR)、增強現(xiàn)實(AR)、軍事訓練和機器人技術(shù)等。動捕技術(shù)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(shù)據(jù),將這些數(shù)據(jù)用于分析和應用。

運動捕捉有哪些類型?

根據(jù)不同的技術(shù)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(shù),各有優(yōu)缺點。

運動捕捉領(lǐng)域中,光學動捕是一種最為常見且成熟的技術(shù)。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(shù)。

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(shù)據(jù)捕捉的準確性。此外,這種技術(shù)對設(shè)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(shù)據(jù),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(lǐng)先的光學運動捕捉產(chǎn)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(lǐng)域、運動領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、娛樂領(lǐng)域、動物生物力學領(lǐng)域等。

Qualisys擁有一個完整的運動捕捉解決方案,應用于科研領(lǐng)域,可以獲得采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、生成報告。在人體生物力學領(lǐng)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(lǐng)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(lǐng)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(shù),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(shù)據(jù)。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(shù)在運動分析、運動康復和可穿戴設(shè)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(shù)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(xiàn)場的可穿戴技術(shù)以及無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),實現(xiàn)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(nèi)四肢和關(guān)節(jié)的方向以及旋轉(zhuǎn)角度。Captiv Motion 采用最適合真實現(xiàn)場的可穿戴技術(shù)以及無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),實現(xiàn)無線通訊,無需連接帶有線纜的傳感器和數(shù)據(jù)記錄器;采集數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)記錄儀模塊結(jié)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(guān)節(jié)角度、速度、位置、扭矩(收集數(shù)據(jù)包括:彎曲/伸展、外展/內(nèi)收、扭轉(zhuǎn)、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(xiàn)場研究。

無標記動捕是一種新興的動捕技術(shù),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(shè)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(zhuǎn)化為三維模型和動畫數(shù)據(jù)。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(shù)結(jié)合使用,可以實現(xiàn)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(shù)。這使他們的客戶能夠在許多不同的垂直領(lǐng)域快速部署該技術(shù)。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(shù)最成功的商業(yè)產(chǎn)品,已經(jīng)獲得美國FDA),許多國際客戶還在各種應用中部署了該技術(shù)。主要市場可以分為醫(yī)療保健和娛樂,已經(jīng)與客戶開發(fā)了大量特定的用例,從虛擬現(xiàn)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(xiàn)。

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(shè)備或其它專用硬件即可輕松實現(xiàn)人體動作捕捉。

運動捕捉有哪些應用領(lǐng)域?

動捕技術(shù)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(shù)被用來捕捉演員的表演,生成高質(zhì)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(shù)實現(xiàn)的。在虛擬現(xiàn)實(VR)和增強現(xiàn)實(AR)領(lǐng)域,動捕技術(shù)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(shù)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(shè)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(zhuǎn)化為三維動畫數(shù)據(jù)。然后,動畫師可以在此基礎(chǔ)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(shù)極大地提高了動畫制作的效率和質(zhì)量,減少了手工繪制和調(diào)整的工作量。

在醫(yī)療和康復領(lǐng)域,動捕技術(shù)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(shù)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(shù)還可以用于虛擬現(xiàn)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(lǐng)域利用動捕技術(shù)優(yōu)化運動員的技術(shù)和表現(xiàn)。教練可以通過動捕系統(tǒng)分析運動員的動作,找出技術(shù)缺陷,并進行針對性的訓練。此外,動捕技術(shù)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(guān)節(jié)角度,幫助教練評估跑步技術(shù)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(zhuǎn)動作,幫助教練評估動作的準確性和協(xié)調(diào)性。通過動捕技術(shù),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(xiàn)。

在人機互動方面,動捕技術(shù)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(shù)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(shù)正經(jīng)歷快速發(fā)展。技術(shù)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(shè)備也變得更加小型化和便攜化,使得動捕技術(shù)可以在更多場景下應用。動捕技術(shù)逐漸從專業(yè)領(lǐng)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(shè)備開始集成動捕技術(shù),為用戶提供更豐富的功能和體驗。

總的來說,動捕技術(shù)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(shù)的不斷進步和應用場景的擴展,動捕技術(shù)將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,展現(xiàn)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(lǐng)域,動捕技術(shù)都將繼續(xù)推動創(chuàng)新,改變我們的生活和工作方式。