光学式运动捕捉

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cz910311 发表于 2016-8-19 15:06:48 | 显示全部楼层 |阅读模式

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(1)发展历史

1915年弗雷斯格尔发明了“Rotoscope”技术,可以看成是运动捕捉的原始形式,也可以说是运动捕捉的先驱。不过那个时候的运动捕捉是手工“捉”出来的。

1937年迪斯尼在制作白雪公主动画片时采用了Rotoscope技术拷贝真人动作,然后“粘贴”给动画人物,使动画人物看上去有和真人很相象的动作。

注:为了得到令人满意的动画人物运动的效果,事先用真实的演员表演动作,然后在电影胶片上添加一层薄膜后勾勒出真实演员的表情和动作姿态,这些动作姿态将被作为动画模版,动画师参考这些姿态绘出角色的逐帧动画,这样连续播放时形成一个非常逼真自然的动作,当时在二维动画制作行业中被广泛的应用。

在纽约大学计算机图形实验室, 艾伦 博士使用一面半镀银的镜子将一段真实演员跳舞的录像带添加到计算机的屏幕上,利用它来对计算机制作的动画模型进行定位,使计算机制作出的舞蹈少女生成和真人相仿的动作姿势,计算机把这些姿态作为关键帧,然后计算生成一段平滑的动作。

197x年随着计算机的发展,动画师开始使用计算机来制作动画人物。

1983年金斯伯格和麦克斯韦教授使用Op—Eye这套光学跟踪系统。

1984年Motion Analysis实现通过二维跟踪实现三维定位技术。

1985年sun工作站用了17个小时计算出通过4个摄像机所跟踪的8个点的三维运动轨迹(动作长3秒)。

1989年跟踪时长30秒,制作人物动画。

1990年Kleiser-Walczak公司需要制作一段音乐录像带,一位使用计算机制作的模型在麦克风前边唱边跳。

1993年Acclaim光学运动捕捉系统可以同时进行2人的动作捕捉,跟踪

点可达100. 1996年 Motion Analysis公司实现标志的自动标识。

1999年 使用p II 450的计算机,10个摄像机,实时采集70个标志(Marker)。

2000年 大连东锐软件有限公司自主研发的三维运动捕捉分析系统,12台摄像机,完成单人和群集动画,面部表情及肢体动作。

(2)工作原理

      通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。从理论上说,对于空间的任意一个点,只要它能同时被两台摄像机所见,则根据同一瞬间两相机所拍摄的图像和相机参数,即可以确定这一时刻该点的空间位置。当相机以足够高的速率连续拍摄时,从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。

      典型的光学式运动捕捉系统通常有6~8个相机,环绕表演场地排列,这些相机的视野重叠区域就是表演者的动作范围。为了便于处理,通常要求表演者穿上单色的服装,在身体的关键部位,如关节、髋部、肘、腕等位置贴上一些特制的标志或发光点,称为“Marker”,视觉系统只识别和处理这些标志。系统定标后,相机连续拍摄表演者的动作,并将图像序列保存下来,然后再进行分析和处理,识别其中的标志点,并计算其在每一瞬间的空间位置,进而得到其运动轨迹。为了得到准确的运动轨迹,要求相机要有较高的拍摄速率,一般要求达到每秒60帧以上。

      基于类似的原理,还有多种类型的光学式运动捕捉设备,例如根据目标的侧影来提取其运动信息,或者利用有网格的背景简化处理过程。目前正在进一步研究不依靠Marker,而应用图像识别、分析技术,由视觉系统直接识别表演者身体关键部位并测量其运动轨迹的技术。

目前,光学式运动捕捉主要分成两类:主动式运动捕捉技术和被动式运动捕捉技术。他们的工作原理都是一样的,不同的地方就是:

被动式运动捕捉系统所使用的跟踪器是一些特制的小球,在它的表面涂了一层反光能力很强的物质,在摄像机的捕捉状态下,它会显得格外的明亮,使摄像机很容易捕捉到它的运动轨迹。

      但是主动式的运动捕捉系统所采用的跟踪点是本身可以发光的二极管,它无须辅助发光设施,但是需要能源供给。

      被动式捕捉的摄像机在镜头的周围是一些会发光的二极管,Marker正是把这些二极管所发出的光反射回到镜头里,在每帧图像中形成一个个亮点。这样才使系统有“迹”可寻。主动式捕捉所需要的摄像机则不用本身带有发光的功能。

(3)优点

      光学式运动捕捉的优点是表演者活动范围大,无电缆、机械装置的限制,使用方便。采样速率较高,可以满足多数体育运动测量的需要。Marker价格便宜,便于扩充。

(4)缺点

      系统价格昂贵,虽然它可以捕捉实时运动,但后处理(包括Marker的识别、跟踪、空间坐标的计算)时间长。这类系统对于表演场地的光照、反射情况敏感。装置定标也较为繁琐,特别是当运动复杂的时候。不同部位的Marker很容易混淆、遮挡,产生错误的结果,经常需要人工干预后处理过程。

由于这样那样的各种限制,所以几乎所有的光学跟踪系统都还需要依靠后序处理程序对捕捉的数据进行分析,加工和整理然后才能把这些数据应用到动画角色模型上去。


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