动作捕捉技术是什么原理?

Xsens动作捕捉 2022-10-31 11500

电影或动画拍摄过程中一般使用光学动作捕捉来实现演员身体部分的捕捉,面部的表情捕捉一般通过专门的面捕实现。现在来讲讲光学动捕如何实现电影拍摄中的动作捕捉这部分:

光学动作捕捉系统由红外动作捕捉镜头、反光标识点、POE连接器、动作捕捉软件和若干配件组成(如标定工具和镜头云台等)。

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整套光学动作捕捉系统一览
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镜头设备布置在专业动捕棚中

光学动作捕捉系统的工作原理是:通过多个镜头对特定标记点的观察定位来获取标记点的具体空间位置。光学动作捕捉镜头面板上的LED灯发出特定波长的红外光,照到被捕捉物,也就是反光标记点,反光标记点表面的反光材料将红外光反射回镜头,反射回的红外光经过信号处理,FPGA进行图像抓取和算法处理,从而获得反光标记点在镜头中的二维坐标。两个镜头同时工作,就可以确定标识点在三维空间内的坐标;大量坐标数据通过POE连接器传输给动作捕捉软件,便可以解算出目标在空间中的位置、方向和运动轨迹等信息,实现对目标的追踪。

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光学动作捕捉系统工作原理

光学动作捕捉系统的具体工作流程:

校准

虽然理论上两个镜头就可以确定目标在三维空间中的坐标,但在实际应用中,目标身上的部分标记点有被遮挡住的可能,因此一套光学动作捕捉系统会配备多个镜头覆盖更大的捕捉范围。校准的过程就是使用标定工具,让动作捕捉软件计算出镜头准确的相对空间位置和角度,建立三维空间坐标(XYZ轴),为精确的动作捕捉做好准备。

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NOKOV(度量)光学三维动作捕捉系统在校准时使用的标定工具,通过L型标定工具确定空间中的X、Y、Z三个坐标轴的方向和原点位置

采集和跟踪

在光学动作捕捉系统中,每个红外动作捕捉镜头上都有红外(长波)发射器,镜头会发射出红外光;被捕捉的目标上附着了能够反射红外光线的标识点(Marker),标识点反射的红外光会被多个镜头上的感应器矩阵接收。

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NOKOV(度量)光学三维动作捕捉系统在工作状态时,高性能红外动作捕捉镜头会发射红外光线

不同位置的镜头采集到标识点的位置后,就可以计算出这个点在空间中的三维坐标,通过这种原理,动作捕捉系统可以同时采集到目标上多个标识点的一系列三维坐标。

动作捕捉的主要目的是跟踪并还原目标的运动信息,在一段时间轴上,多个镜头持续采集标记点的位置,就可以跟踪到标记点的运动轨迹和动作信息。

在采集过程中,动作捕捉镜头的分辨率和频率非常重要,这直接决定了动作捕捉的精度。

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识别目标

在光学动作捕捉系统完成采集和跟踪后,还有一项重要的任务:识别。

无论动作捕捉的目标是人还是无人机,都需要分析出各个标识点之间的相互位置关系。因此,在动作捕捉系统第一次工作时,系统需要为每个标识点编码,从而建立目标整体的参考模板(比如目标是人,这个模板就是人的骨骼模型),之后,动作捕捉系统就会根据这个模板完成识别工作。

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NOKOV(度量)光学三维动作捕捉系统将目标身上的各个标识点建立成整体的全身模型

模型绑定

软件中采集好一组人体点数据后,接下来将这些点与骨骼进行绑定。这样点就可以用来驱动骨骼。之后我们将这组骨骼数据导入Unity、Unreal、Motion builder、Maya等第三方软件中,与里面的人物模型结合,就可以实现动画效果了。

The End