【導讀】作為一門新興的動作捕捉技術，慣性動捕的出現，打破了光學動捕占據市場絕對主導的行業(yè)格局，被視為動作捕捉界的新生力量?；趹T性傳感器系統的動作捕捉技術是一項融合了傳感器技術、無線傳輸、人體動力學、計算機圖形學等多種學科的綜合性技術，技術門檻要求很高。雖然慣性動作捕捉技術出現的時間并不長，但隨著它在各行業(yè)中的使用，其卓越的性能很快就顯示出來了。
慣性動作捕捉，是一種新型的人體動作捕捉技術，它用無線動作姿態(tài)傳感器采集身體部位的姿態(tài)方位，利用人體運動學原理恢復人體運動模型，同時采用無線傳輸的方式將數據呈現在電腦軟件里。
慣性動作捕捉系統出現之前，最常見的是光學動捕技術。它是通過在演員身上貼marker點，然后用高速攝像機來捕捉marker點的準確位移，再將捕捉數據傳輸到電腦設備上，由此完成動作捕捉的全過程。光學動捕的整套設備的成本極為昂貴，架設繁瑣，易受遮擋或光干擾的影響，給后期處理工作帶來很多麻煩。對于一些遮擋嚴重的動作來說，光學動捕無法準確實時還原例如下蹲、擁抱、扭打等動作。而基于慣性傳感器系統的動作捕捉技術的出現，大大改善了這一現狀。
和光學動捕技術相比，慣性動作捕捉技術有著對捕捉環(huán)境的高適應性，它的技術優(yōu)勢、成本優(yōu)勢和使用便捷的優(yōu)勢，使得它在各行業(yè)有著優(yōu)異的表現。在影視動畫、體驗式互動游戲、虛擬演播室、真人模擬演練、體育訓練、醫(yī)療康復等領域，慣性動作捕捉系統都有著明顯優(yōu)于其他設備的特點。
慣性式動作捕捉系統原理
動作捕捉系統的一般性結構主要分為三個部分：數據采集設備、數據傳輸設備、數據處理單元，慣性式動作捕捉系統即是將慣性傳感器應用到數據采集端，數據處理單元通過慣性導航原理對采集到的數據進行處理，從而完成運動目標的姿態(tài)角度測量。
在運動物體的重要節(jié)點佩戴集成加速度計，陀螺儀和磁力計等慣性傳感器設備，傳感器設備捕捉目標物體的運動數據，包括身體部位的姿態(tài)、方位等信息，再將這些數據通過數據傳輸設備傳輸到數據處理設備中，經過數據修正、處理后，最終建立起三維模型，并使得三維模型隨著運動物體真正、自然地運動起來。
經過處理后的動捕數據，可以應用在動畫制作，步態(tài)分析，生物力學，人機工程等領域。
加速度計，陀螺儀和磁力計在慣性動作捕捉系統中的作用
加速計是用來檢測傳感器受到的加速度的大小和方向的，它通過測量組件在某個軸向的受力情況來得到結果，表現形式為軸向的加速度大小和方向（XYZ），但用來測量設備相對于地面的擺放姿勢，則精確度不高，該缺陷可以通過陀螺儀得到補償。
陀螺儀的工作原理是通過測量三維坐標系內陀螺轉子的垂直軸與設備之間的夾角，并計算角速度，通過夾角和角速度來判別物體在三維空間的運動狀態(tài)。它的強項在于測量設備自身的旋轉運動，但不能確定設備的方位。而又剛好磁力計可以彌補這一缺陷，它的強項在于定位設備的方位，可以測量出當前設備與東南西北四個方向上的夾角。
在動作捕捉系統中，陀螺儀傳感器用于處理旋轉運動，加速計用來處理直線運動，磁力計用來處理方向。通俗易懂地講——陀螺儀知道“我們是否轉了身”，加速計知道“我們運動多長距離”，而磁力計則知道“我們的運動方向”。
在動作捕捉系統中三種傳感器充分利用各自的特長，來跟蹤目標物體的運動。
慣性動作捕捉技術的優(yōu)勢
技術優(yōu)勢
慣性式動作捕捉系統采集到的信號量少，便于實時完成姿態(tài)跟蹤任務，解算得到的姿態(tài)信息范圍大、靈敏度高、動態(tài)性能好；對捕捉環(huán)境適應性高，不受光照、背景等外界環(huán)境干擾，并且克服了光學動捕系統攝像機監(jiān)測區(qū)域受限的缺點；克服了VR設備常有的遮擋問題，可以準確實時地還原如下蹲、擁抱、扭打等動作。此外，慣性式動作捕捉系統還可以實現多目標捕捉。
使用便捷的優(yōu)勢
使用方便，設備小巧輕便，便于佩戴。
成本優(yōu)勢
相比于光學動作捕捉成本低廉，使得其不但可以應用于影視、游戲等行業(yè)，也有利于推動VR設備更快地走進大眾生活。
總的來說，慣性式動作捕捉技術有著對捕捉環(huán)境的高適應性，它的技術優(yōu)勢、成本優(yōu)勢和使用便捷的優(yōu)勢，使得它在影視動畫、體驗式互動游戲、虛擬演播室、真人模擬演練、體育訓練、醫(yī)療康復等領域都有著優(yōu)異的表現。
慣性式動作捕捉系統的劣勢及解決
一般情況下慣性式動作捕捉系統采用MEMS三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁力計組成的慣性測量單元（IMU，Inertial Measurement Unit）來測量傳感器的運動參數。而由IMU所測得的傳感器運動參數有嚴重噪聲干擾，MEMS 器件又存在明顯的零偏和漂移，慣性式動作捕捉系統無法長時間地對人體姿態(tài)進行精確的跟蹤。只有解決了這一個問題，才能使慣性式動作捕捉系統在VR行業(yè)充分發(fā)揮作用。
針對慣性捕捉技術劣勢的解決方案
首先對IMU所測得的傳感器運動數據做預處理，濾掉原始慣性數據中摻雜的噪聲干擾；
然后不斷地進行標定和校準，即不斷地對各慣性器件進行相應的補償以解決MEMS器件的零偏和漂移，提高其數據的精確度和可靠程度；
接下來在進行姿態(tài)解算，并利用姿態(tài)參考系統驗證姿態(tài)角度數據的精確度，最終實現整個慣性式動作捕捉。
此外，與之不同的是，國內的G-Wearables則采用IK+室內定位技術做主動作捕捉算法，使用慣性式動作捕捉做輔助算法。這套方案中利用室內定位技術對慣性式動作捕捉技術做實時校準，避免了不斷校準的麻煩。
IK算法
IK是Inverse Kinematics的縮寫，即反向運動學。在人體分層結構中，關節(jié)和骨骼實際構成了運動鏈，比如肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)及其子骨骼就是一條運動鏈，是整個人體運動鏈上的一條分支，身體即是利用運動鏈對運動進行控制。運動分為正向運動和反向運動。已知鏈上各個關節(jié)旋轉角，求各關節(jié)的位置信息和末端效應器(end effector)的位置信息，這是正向運動學的問題；而己知末端效應器的位置信息，反求其祖先關節(jié)的旋轉角和位置，這是就是反向運動學。
反向運動學根據決定運動的幾個主關節(jié)最終角度確定整個骨架的運動，通常用于環(huán)節(jié)物體，由不同運動約束的關節(jié)連接成環(huán)節(jié)構成的分級結構骨架。分級結構骨架由許多采用分級方式組的環(huán)節(jié)鏈構成，包括分級結構關節(jié)或鏈，運動約束和效應器，由效應器帶動所有部分同時運動。但必須遵循特定的等級關系，以便在變換時阻止各個部件向不同方向散開。如：投球動作，只規(guī)定出球的起始位置、終了位置和路徑，手臂等即跟隨關節(jié)的轉動可按反向運動學自動算出。反向運動學方法在一定程度上減輕了正向運動學方法的繁瑣工作，是生成逼真關節(jié)運動的最好方法之一。
IK算法在動作捕捉系統中的應用
如果己知末端效應器的位置信息，反求其祖先關節(jié)的旋轉角和位置，這是就是反向運動學。也就是我們通過室內定位技術，獲取末端效應器的位置信息，然后利用IK算法推算出祖先關節(jié)的旋轉角和位置，從而知道運動者的運動信息，再利用運動信息實現實時動作跟蹤顯示。
利用激光定位技術通過墻上的激光發(fā)射器掃描佩戴者佩戴的機身上的位置追蹤傳感器（即IK算法中的末端效應器），從而獲得位置和方向信息。具體來說，該室內定位技術是靠激光和光敏傳感器來確定運動物體的位置。若干個激光發(fā)射器會被安置在對角，形成一個矩形區(qū)域，這個區(qū)域可以根據實際空間大小進行調整。每個激光發(fā)射器內設計有兩個掃描模塊，分別在水平和垂直方向輪流對定位空間發(fā)射橫豎激光掃描定位空間。運動者身上有光敏傳感器，通過光敏傳感器接收到激光的時間計算出光敏傳感器的準確位置。
通過激光室內定位技術獲取傳感器的精確位置后，即可利用IK算法反向推算出祖先關節(jié)的旋轉角和位置，從而知道運動者的運動信息。但是由于激光定位過程中可能存在遮擋問題，比如下蹲、擁抱、扭打等動作。于是應用慣性傳感器做補充跟蹤，即當出現遮擋情況時，IK+室內定位相結合的動作捕捉技術無法完全準確的實現，這個時候利用慣性式動作捕捉技術做補充。反過來可以利用室內定位技術對慣性式動作捕捉技術做實時校準，不需要另行校準，從而解決遮擋問題的同時，也避免了慣性式動作捕捉無法長時間精確工作的弊端。
慣性捕捉技術的應用領域
在影視制作、動漫制作、游戲制作領域的應用
就影視制作而言，慣性動捕設備的加入，不但大大提高了拍攝效率，而且降低了后期處理的難度和成本。
我們知道，光學動捕設備無法兼顧實時性與還原性，甚至一些特殊動作也無法實時還原，同時還會受空間的限制。與之相比，慣性傳感器動作捕捉系統就大為不同。慣性動捕不但可識別的場景更多，而且管理起來也更加智能。利用全無線傳感器來完成電影拍攝過程中的動作捕捉，絲毫不影響演員的穿戴，而且能夠保證演員腳步真實平穩(wěn)地移動，使運動還原自然流暢，甚至一些大動態(tài)動作也能順利捕捉。作為目前市面上性能卓越、易用精準的動作捕捉系統，基于慣性傳感器系統的動作捕捉設備一經上市就頗受青睞。
在動漫制作、游戲制作方面，現在很多游戲制作中角色的動作設置，例如武打游戲里的劈砍等動作，都是通過動作捕捉來獲取的。正是因為慣性動捕有著良好的實時性和各種技術優(yōu)勢，所以這項技術在動漫、游戲中得以廣泛的應用，它使動畫畫面更加逼真、自然，游戲角色的行動更為自然細膩，對動畫品質的提升大有裨益。
在虛擬現實交互體驗、游戲互動領域的應用
真人與虛擬角色的實時互動，是動作捕捉技術的一大應用。例如虛擬演播室、電影實時預演、真人與虛擬游戲角色互動等。
虛擬演播室現在已經很成熟了，在很多電視臺的欄目中都可以看到類似的場景，基本操作方式就是先讓主持人在綠色的幕布下進行拍攝，再實時地用摳背機把人物扣下來附著到虛擬的場景當中。一般的慣性動捕由于虛擬角色位移的原因，沒辦法實現主持人與虛擬角色的交互，但隨著技術的進步，優(yōu)秀的慣性動作捕捉設備已經能夠做到這一點，不但動捕位移誤差極小，而且可以做到來回運動數十米或者隨意運動持續(xù)十分鐘，完全能夠滿足虛擬演播室內主持人與虛擬角色的互動。
關于這一技術的應用，最新的例證是關于2014年世界杯節(jié)目的。CCTV5的“我愛世界杯”和CNTV的“超級世界杯”兩檔節(jié)目都用到了慣性動捕技術。在這兩檔節(jié)目的演播廳內，設置了擬真度極高的虛擬球員，在播出的節(jié)目中，虛擬球員和現場嘉賓及主持人進行了很好的實時互動，其演播方式令觀眾耳目一新。
從更前沿的視角出發(fā)，動作捕捉技術真正能夠產生革命性價值的領域將會誕生在虛擬現實游戲上。例如，利用慣性傳感器實現的動作捕捉和頭戴式顯示設備結合，可以使游戲從客廳或固定場景向更自由的場景延伸，動作的精度也能產生質的提升。目前，眾多游戲界的領軍企業(yè)都愿意嘗試使用慣性傳感器動作捕捉設備，而據業(yè)內預測，超過70個游戲可能會采用這一設備進行體驗。這就預示著慣性動捕技術在未來動捕界會迎來廣闊市場前景。
在多人模擬仿真演練領域的應用
慣性動作捕捉系統能夠為軍隊訓練和消防演練提供虛擬仿真環(huán)境、野外演習、角色扮演訓練等。虛擬軍事環(huán)境仿真可以使大批教員和學員在不進入真實野戰(zhàn)環(huán)境中即可完成訓練，這樣就能極大地節(jié)省人力物力及其他方面的消耗。目前，慣性動作捕捉技術已經被應用于世界領先的軍事模擬訓練系統開發(fā)中，并且起到了很好的仿真演練效果。
在體育訓練及運動分析領域的應用
在動作分析和運動醫(yī)學研究領域，研究者需要對大量的運動數據進行分析，比如速度、加速度、角速度等。這些數據不但非常龐大，而且經常會被較大的視角、較遠的距離、人為理解的偏差等因素影響。慣性傳感器動作捕捉系統在原理上徹底解決了上述問題，它可以精確捕捉運動人體的動作細節(jié)，為運動員和教練分析運動情況提供依據。在這方面不乏成功的案例出現。例如針對高爾夫運動者的姿勢矯正產品MySwing。使用這款產品時，用戶把產品夾在球桿上，便可捕捉到揮桿節(jié)奏、速度，桿頭軌跡、角度等數據，這些數據可以幫助鍛煉者改進姿勢，提高球技。
另外，利用慣性動捕可以計算出打籃球時的運球次數、傳球次數、投籃次數、籃板球數量等；也可計算出打臺球時的擊球次數、進球概率等，使體育教學與訓練進入數字化時代，大幅提高訓練水平。同時它使遠程教學成為可能，尤其適合具有要求特殊的運動，如帆船、攀巖等?？偟膩碚f，利用慣性動作捕捉設備獲取的這種實時且準確的分析、評估數據，在提高運動成績、預防損傷、狀態(tài)恢復等方面都有很大的幫助。
在醫(yī)療健康虛擬體驗領域的應用
慣性動作捕捉技術還可以應用到醫(yī)療診斷、姿態(tài)矯正、復健輔助、運動學和動力學仿真評估等方面，不但效果顯著，而且為醫(yī)療機構提供了高效、低成本的解決方案。例如，對于骨病患者或行動不便者，慣性動作捕捉系統可提供全身、半身以及個別部位的測量及報告，醫(yī)生對傳感器傳輸的數據加以分析，可以為患者提供迅速簡潔的解決方案。
目前，國內的一些醫(yī)療實驗室已經開始嘗試用慣性動捕開發(fā)來幫助癲癇病人進行診斷和康復訓練。醫(yī)生判斷病人病情時，傳統的做法是靠目測病人的步態(tài)和體征來下結論，而動作捕捉的設備則更加精準和智能，它借助數字化的精密測量方式更加客觀地進行數據統計和診斷，并提供客觀準確的數據來反映病人的治療效果。
另外，通過對步態(tài)的量化分析，慣性動作捕捉技術可以提供實時的運動學和動力學數據，這對假肢的研發(fā)、最優(yōu)安裝和安全使用提供較為準確的各項依據。
在工業(yè)測量和設計領域的應用
慣性動作捕捉為虛擬工業(yè)測量提供精準的數據，為設計用戶創(chuàng)造交互式、非侵入式的設計環(huán)境，可應用在工作場所設計、汽車測試、航空航天研究等工業(yè)測量設計領域，例如在汽車設計領域，研究者可以用它來研究汽車駕駛室內的操控性能、方向盤的距離、進出車門的方便性，以及車身高度等方面；在機械設計領域，它可以用在操作臺的安裝、洗衣機高度的設計等方面；能夠有效地提高生產力并節(jié)約生產環(huán)境成本。而在生產線的操作上，它也可以為用戶提供專業(yè)的精確定位，從而解決生產和控制過程中的重復運動的問題。
隨著慣性動作捕捉技術的不斷完善，它的精準程度越來越高，應用范圍也更加廣泛。除了以上介紹的七大方面外，慣性動作捕捉還可以在舞臺特效、機器人控制、人機工程、化學化工在線仿真、汽車碰撞及震動分析……等領域大有作為。
目前，動作捕捉界市場還是以光學動捕技術為主導，能夠利用慣性傳感器開發(fā)人體全身運動捕捉系統的廠商屈指可數，足見慣性動捕系統有著不可估量的巨大潛力，而以中國諾亦騰公司為首的慣性動捕技術，以技術實力為武器，通過修煉內功，填補了中國市場的空白，并逐步在市場上占領先機。它必將扛起動作捕捉行業(yè)的大旗，全面扭轉國內動捕行業(yè)格局，成為與光學動捕平分天下，甚至更具市場競爭力的重頭技術。
本文轉載自傳感器技術。
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