1、1、第一章是運(yùn)動(dòng)捕捉的發(fā)展和應(yīng)用，2、1.1運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)介紹。運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，其應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)動(dòng)畫(huà)制作，在虛擬現(xiàn)實(shí)、游戲、人機(jī)工程學(xué)研究、模擬訓(xùn)練、生物力學(xué)研究等諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。3，4，廣告，5，軍事領(lǐng)域，6，1.2運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)類(lèi)型介紹。到目前為止，常用的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)原則上可以分為機(jī)械、聲學(xué)、電磁和光學(xué)類(lèi)型。不同原理的設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)是目前最先進(jìn)的，一般可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：(7)定位精度；實(shí)時(shí)；易用性；可以捕捉運(yùn)動(dòng)范圍的大小；成本；抗干擾；多目標(biāo)捕獲能力。8，1.3運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的分類(lèi)和比較：1 .機(jī)電套裝機(jī)械運(yùn)動(dòng)捕捉依靠機(jī)械設(shè)備來(lái)跟蹤和測(cè)

2、量運(yùn)動(dòng)軌跡。該裝置是由放置在人體主要關(guān)節(jié)處的電位計(jì)或測(cè)角儀等儀器組成的一套設(shè)備，受人體運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)。9.2001北京國(guó)際電視周于18日至22日在中國(guó)建筑文化中心舉行。從德國(guó)引進(jìn)的機(jī)械動(dòng)作捕捉系統(tǒng)主要用于影視制作、互聯(lián)網(wǎng)、電腦游戲等領(lǐng)域。圖為模特在19日進(jìn)行實(shí)時(shí)體育表演。典型的系統(tǒng)由多個(gè)關(guān)節(jié)和剛性連桿組成，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)內(nèi)安裝有角度傳感器，可以測(cè)量關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度的變化。當(dāng)裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)角度傳感器測(cè)得的角度變化和連桿的長(zhǎng)度，可以得到連桿端點(diǎn)在空間中的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。實(shí)際上，裝置上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡都可以計(jì)算出來(lái)，剛性連桿可以用可變長(zhǎng)度的伸縮桿代替，其長(zhǎng)度的變化可以用位移傳感器來(lái)測(cè)量。早期的機(jī)械運(yùn)動(dòng)捕捉裝置

3、是一種由關(guān)節(jié)和帶有角度傳感器的連桿組成的可調(diào)節(jié)姿態(tài)的數(shù)字模型。它的形狀可以模擬人體和其他動(dòng)物或物體。用戶(hù)可以根據(jù)情節(jié)的需要調(diào)整模型的姿態(tài)，然后鎖定它。角度傳感器測(cè)量并記錄關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度。根據(jù)這些角度和模型的機(jī)械尺寸，可以計(jì)算出模型的姿態(tài)，并將這些姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給動(dòng)畫(huà)軟件，從而使角色模型可以做出相同的姿態(tài)。這是一個(gè)早期的動(dòng)作捕捉設(shè)備，但直到現(xiàn)在它仍然有一定的市場(chǎng)。外國(guó)給這種設(shè)備起了一個(gè)非常生動(dòng)的名字：猴子。機(jī)械式有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是依靠電位器的系統(tǒng)不能測(cè)量空間位移。在大多數(shù)情況下，增加電磁傳感器可以解決這個(gè)問(wèn)題，但作為一個(gè)電磁系統(tǒng)，也有一些問(wèn)題，如感應(yīng)附近的金屬，主要是靠近感應(yīng)源的材料。13、機(jī)

4、械捕捉優(yōu)勢(shì)：捕捉范圍非常大。成本低，價(jià)格低。精確度相對(duì)較高?？梢詫?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量。數(shù)據(jù)捕獲相對(duì)簡(jiǎn)單。傳感器不會(huì)阻塞?？梢酝瑫r(shí)捕獲多個(gè)參與者。14，機(jī)械捕獲缺點(diǎn)：硬件重且不方便使用。系統(tǒng)采樣率非常低。該系統(tǒng)對(duì)人體骨骼有限制。很難實(shí)時(shí)捕捉連續(xù)的運(yùn)動(dòng)。2:聲學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉常用的聲學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備由發(fā)射器、接收器和處理單元組成。發(fā)射器是一個(gè)固定的超聲波發(fā)生器，接收器通常由三個(gè)排列成三角形的超聲波探頭組成。通過(guò)測(cè)量聲波從發(fā)射器到接收器的時(shí)間差或相位差，可以計(jì)算并確定接收器的位置和方向。16，這種設(shè)備成本低，但是它在捕捉運(yùn)動(dòng)時(shí)具有很大的延遲和滯后，實(shí)時(shí)性差，精度一般不高，并且在聲源和接收器之間不會(huì)有大的遮擋物體

5、，這種遮擋物體受到噪聲和多次反射的很大干擾。因?yàn)槁暡ㄔ诳諝庵械乃俣扰c氣壓、濕度和溫度有關(guān)，所以在算法中必須進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。電磁運(yùn)動(dòng)捕捉電磁運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是一種常用的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備。一般由發(fā)射源、接收傳感器和數(shù)據(jù)處理單元組成。發(fā)射源產(chǎn)生的電磁場(chǎng)在空間上按照一定的時(shí)空規(guī)律分布；接收傳感器(通常為1020)放置在表演者身體的關(guān)鍵位置，隨著表演者的動(dòng)作在電磁場(chǎng)中移動(dòng)，并通過(guò)電纜或無(wú)線(xiàn)與數(shù)據(jù)處理單元連接。18，當(dāng)表演者在電磁場(chǎng)中表演時(shí)，接收傳感器通過(guò)電纜將接收的信號(hào)傳輸?shù)教幚韱卧⑶腋鶕?jù)這些信號(hào)，可以計(jì)算每個(gè)傳感器的空間位置和方向。目前，這種系統(tǒng)的采樣速率一般為每秒15120次(取決于型號(hào)和傳感器的數(shù)量)

6、。為了消除抖動(dòng)和干擾，采樣速率通常低于15Hz。對(duì)于一些高速運(yùn)動(dòng)，如拳擊和籃球比賽，采樣速度不能滿(mǎn)足要求。電磁運(yùn)動(dòng)捕捉的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它記錄了六維信息，即它不僅可以獲取空間位置信息，還可以獲取方向信息，這對(duì)于一些特殊的應(yīng)用非常有價(jià)值。其次，它是快速和實(shí)時(shí)的。演員表演時(shí)，動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)中的角色模型可以同時(shí)反應(yīng)，便于排練、調(diào)整和修改。該裝置標(biāo)定簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，成本相對(duì)較低。20，它的缺點(diǎn)是對(duì)環(huán)境有嚴(yán)格的要求，而且表演場(chǎng)地附近不能有金屬物體，否則會(huì)造成電磁場(chǎng)畸變，影響準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)的允許性能范圍小于光學(xué)系統(tǒng)，尤其是電纜限制了表演者的活動(dòng)，但不適用于更激烈的運(yùn)動(dòng)和表演。光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉通過(guò)監(jiān)控和跟蹤目

7、標(biāo)上的特定光點(diǎn)來(lái)完成運(yùn)動(dòng)捕捉任務(wù)。目前，最常見(jiàn)的光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的原理。從理論上講，只要空間中的一個(gè)點(diǎn)可以被兩臺(tái)攝像機(jī)同時(shí)看到，此時(shí)該點(diǎn)在空間中的位置就可以根據(jù)兩臺(tái)攝像機(jī)同時(shí)拍攝的圖像和攝像機(jī)參數(shù)來(lái)確定。當(dāng)攝像機(jī)以足夠高的速率連續(xù)拍攝時(shí)，可以從圖像序列中獲得該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。一個(gè)典型的光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)通常使用68個(gè)布置在表演場(chǎng)地周?chē)臄z像機(jī)，這些攝像機(jī)的重疊區(qū)域是表演者的動(dòng)作范圍。為了便于治療，表演者通常被要求穿單色服裝，一些特殊的標(biāo)志或發(fā)光點(diǎn)，稱(chēng)為標(biāo)記，附著在身體的關(guān)鍵部位，如關(guān)節(jié)、臀部、肘部、手腕等。視覺(jué)系統(tǒng)會(huì)識(shí)別和處理這些信號(hào)。在系統(tǒng)校準(zhǔn)之后，攝像機(jī)連續(xù)拍攝表演者的動(dòng)作，保存圖

8、像序列，然后對(duì)其進(jìn)行分析和處理，識(shí)別標(biāo)志點(diǎn)，計(jì)算其在每個(gè)時(shí)刻的空間位置，然后獲得其運(yùn)動(dòng)軌跡。為了得到準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)軌跡，攝像機(jī)應(yīng)該有較高的拍攝速度，一般達(dá)到每秒60幀以上。23，如果表演者面部表情的關(guān)鍵點(diǎn)用Marker標(biāo)記，則可以捕捉該表情，如圖所示。目前，大多數(shù)表情都是通過(guò)光學(xué)捕捉的。24，一些光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)不依賴(lài)于標(biāo)記作為識(shí)別標(biāo)記，例如，根據(jù)目標(biāo)的輪廓提取目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息，或者通過(guò)使用具有網(wǎng)格的背景來(lái)簡(jiǎn)化處理過(guò)程。目前，研究人員正在研究利用圖像識(shí)別和分析技術(shù)直接識(shí)別表演者身體的關(guān)鍵部位并測(cè)量其運(yùn)動(dòng)軌跡的技術(shù)，而不依賴(lài)于有望很快投入實(shí)際應(yīng)用的Marker。光學(xué)動(dòng)作捕捉的優(yōu)點(diǎn)在于，表演者具有廣泛的

9、活動(dòng)范圍，而不受線(xiàn)纜和機(jī)械裝置的限制，并且表演者可以自由表演并且使用方便。它的高采樣率可以滿(mǎn)足大多數(shù)高速運(yùn)動(dòng)測(cè)量的需要。記號(hào)筆便宜，易于擴(kuò)展。這種方法的缺點(diǎn)是系統(tǒng)昂貴。雖然可以捕捉實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，但后處理(包括標(biāo)記識(shí)別、跟蹤和空間坐標(biāo)計(jì)算)工作量大，對(duì)演出場(chǎng)地的照明和反射有一定的要求，設(shè)備的標(biāo)定也比較麻煩。特別是當(dāng)動(dòng)作復(fù)雜時(shí)，不同部位的標(biāo)記可能會(huì)混淆，26，將運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)應(yīng)用到動(dòng)畫(huà)制作中可以大大提高動(dòng)畫(huà)制作的水平。這一技術(shù)的應(yīng)用直接導(dǎo)致了這樣一個(gè)事實(shí)，即在沒(méi)有這一技術(shù)的情況下，美國(guó)和日本動(dòng)畫(huà)片中的卡通人物的動(dòng)作比中國(guó)動(dòng)畫(huà)片中的要逼真得多。它大大提高了動(dòng)畫(huà)制作的效率，降低了成本，使動(dòng)畫(huà)制作過(guò)程更加直觀

10、，效果更加生動(dòng)。隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，表演動(dòng)畫(huà)技術(shù)將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，而動(dòng)作捕捉技術(shù)作為表演動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，已經(jīng)顯示出更加重要的地位。27，1.4光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備的組成和應(yīng)用光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備通常由以下部分組成：傳感器固定在運(yùn)動(dòng)物體的特定位置，為系統(tǒng)提供運(yùn)動(dòng)位置信息。由特殊材料制成的光敏球通常用于將它們粘在身體的特定部位。28，信號(hào)捕獲設(shè)備負(fù)責(zé)捕獲和識(shí)別傳感器的信號(hào)。如圖所示，它通常由照相機(jī)、光發(fā)射器、透鏡、濾光器等組成。其捕獲特定波長(zhǎng)區(qū)域的光波。29，數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備負(fù)責(zé)將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)從信號(hào)捕捉設(shè)備快速準(zhǔn)確地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理設(shè)備負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)捕獲的原始信號(hào)，計(jì)算傳感器的

11、運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正和處理，并結(jié)合三維角色模型。31，目前世界上光學(xué)捕捉技術(shù)的現(xiàn)狀電影電視行業(yè)目前使用光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的工作室包括：夢(mèng)工廠SKG(斯皮爾伯格的夢(mèng)工廠)、華納兄弟(華納兄弟工作室)等。在游戲制作中使用它的公司有：電子藝術(shù)、廣場(chǎng)、稀土、索尼、中途島、SNK、凱普康等等。32、使用光學(xué)原理的三維運(yùn)動(dòng)捕捉的過(guò)程是使用多個(gè)攝像機(jī)拍攝穿著帶有反射標(biāo)記的衣服的演員的動(dòng)作，然后運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)通過(guò)使用多個(gè)攝像機(jī)拍攝的鏡頭以數(shù)學(xué)方式繪制每個(gè)反射標(biāo)記的三維坐標(biāo)。這些標(biāo)記或者連接到計(jì)算機(jī)生成的角色上的相應(yīng)解剖點(diǎn)，或者用于計(jì)算可以被動(dòng)畫(huà)化的連接角度或旋轉(zhuǎn)。三維空間坐標(biāo)傳輸?shù)絼?dòng)畫(huà)軟件，如別名/波前瑪雅，

12、在線(xiàn)，棱鏡，日門(mén)圖形和3d工作室最大值。因?yàn)檫@些坐標(biāo)來(lái)自演員的真實(shí)動(dòng)作，所以動(dòng)畫(huà)看起來(lái)非常逼真和自然。33，在體育比賽中，包括拳擊運(yùn)動(dòng)在內(nèi)的復(fù)雜而快速的運(yùn)動(dòng)可以被快速捕捉，而不需要依賴(lài)動(dòng)畫(huà)制作人員使用反向運(yùn)動(dòng)學(xué)軟件系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這不僅節(jié)省了時(shí)間，還節(jié)省了金錢(qián)，并且其快速的反饋也使得制作人員和導(dǎo)演能夠及時(shí)做出決定。這些捕捉到的動(dòng)作也可以放在網(wǎng)站上，供世界各地的用戶(hù)或制作人觀看和評(píng)論。34、光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：真實(shí)動(dòng)作：捕捉演員、運(yùn)動(dòng)員和舞蹈演員的動(dòng)作，不讓動(dòng)畫(huà)師重新制作，這些動(dòng)作非常有特色和敏感。例如，在電腦生成的角色中，男人和女人走路不同。如果女性角色的行走動(dòng)作交給男性，觀眾會(huì)感到不協(xié)調(diào)。制作速度：拍攝和預(yù)覽動(dòng)作通常只需要幾分鐘。一個(gè)小規(guī)模的制作團(tuán)隊(duì)和一個(gè)演員可以在一個(gè)下午制作許多復(fù)雜的動(dòng)畫(huà)。35，藝術(shù)控制：實(shí)時(shí)捕捉系統(tǒng)可以在演員表演時(shí)看到捕捉到的動(dòng)作，具有很大的靈活性。如果制作人想要改變捕捉到的動(dòng)作，他可