動(dòng)作捕捉系統(tǒng)
動(dòng)作捕捉是實(shí)時(shí)地準(zhǔn)確測(cè)量、記錄物體在真實(shí)三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡或姿態(tài)，并在虛擬三維空間中重建運(yùn)動(dòng)物體每一時(shí)刻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的高新技術(shù)。
動(dòng)作捕捉最典型的應(yīng)用是對(duì)人物的動(dòng)作捕捉，可以將人物肢體動(dòng)作或面部表情動(dòng)態(tài)進(jìn)行三維數(shù)字化解算，得到三維動(dòng)作數(shù)據(jù)，用來(lái)在CG制作等領(lǐng)域中逼真地模仿、重現(xiàn)真人的各種復(fù)雜動(dòng)作和表情，從本質(zhì)上提升CG動(dòng)作效果；更重要的是讓CG動(dòng)作制作效率提高數(shù)百倍，大大節(jié)省了人力成本和制作周期，制作者可以將更多精力投入在CG創(chuàng)意和細(xì)節(jié)刻畫(huà)等方面，大幅提升產(chǎn)品的整體制作水平。動(dòng)作捕捉系統(tǒng)是指用來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作捕捉的專業(yè)技術(shù)設(shè)備。
系統(tǒng)組成 編輯本段
不同的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)依照的原理不同，系統(tǒng)組成也不盡相同。總體來(lái)講，動(dòng)作捕捉系統(tǒng)通常由硬件和軟件兩大部分構(gòu)成。硬件一般包含信號(hào)發(fā)射與接收傳感器、信號(hào)傳輸設(shè)備以及數(shù)據(jù)處理設(shè)備等；軟件一般包含系統(tǒng)設(shè)置、空間定位定標(biāo)、運(yùn)動(dòng)捕捉以及數(shù)據(jù)處理等功能模塊。
信號(hào)發(fā)射傳感器通常位于運(yùn)動(dòng)物體的關(guān)鍵部位，例如人體的關(guān)節(jié)處，持續(xù)發(fā)出的信號(hào)由定位傳感器接收后，通過(guò)傳輸設(shè)備進(jìn)入數(shù)據(jù)處理工作站，在軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)解算得到連貫的三維運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，包括運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的三維空間坐標(biāo)、人體關(guān)節(jié)的6自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)等，并生成三維骨骼動(dòng)作數(shù)據(jù)，可用于驅(qū)動(dòng)骨骼動(dòng)畫(huà)，這就是動(dòng)作捕捉系統(tǒng)普遍的工作流程。
系統(tǒng)分類 編輯本段
動(dòng)作捕捉系統(tǒng)種類較多，一般地按照技術(shù)原理可分為：機(jī)械式、聲學(xué)式、電磁式、慣性傳感器式、光學(xué)式等五大類，其中光學(xué)式根據(jù)目標(biāo)特征類型不同又可分為標(biāo)記點(diǎn)式光學(xué)和無(wú)標(biāo)記點(diǎn)式光學(xué)兩類。近期市場(chǎng)上出現(xiàn)所謂的熱能式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，本質(zhì)上屬于無(wú)標(biāo)記點(diǎn)式光學(xué)動(dòng)作捕捉范疇，只是光學(xué)成像傳感器主要工作在近紅外或紅外波段。機(jī)械式動(dòng)作捕捉系統(tǒng) 依靠機(jī)械裝置來(lái)跟蹤和測(cè)量運(yùn)動(dòng)軌跡。典型的系統(tǒng)由多個(gè)關(guān)節(jié)和剛性連桿組成，在可轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)中裝有角度傳感器，可以測(cè)得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化情況。
裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)角度傳感器所測(cè)得的角度變化和連桿的長(zhǎng)度，可以得出桿件末端點(diǎn)在空間中的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。X-1st是這類產(chǎn)品的代表，其優(yōu)點(diǎn)是成本低，精度高，采樣頻率高，但最大的缺點(diǎn)是動(dòng)作表演不方便，連桿式結(jié)構(gòu)和傳感器線纜對(duì)表演者動(dòng)作約束和限制很大，特別是連貫的運(yùn)動(dòng)受到阻礙，難以實(shí)現(xiàn)真實(shí)的動(dòng)態(tài)還原。
聲學(xué)式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)
一般由發(fā)送裝置、接收系統(tǒng)和處理系統(tǒng)組成。發(fā)送裝置一般是指超聲波發(fā)生器，接收系統(tǒng)一般由三個(gè)以上的超聲探頭陣列組成。通過(guò)測(cè)量聲波從一個(gè)發(fā)送裝置到傳感器的時(shí)間或者相位差，確定到接受傳感器的距離，由三個(gè)呈三角排列的接收傳感器得到的距離信息解算出超聲發(fā)生器到接收器的位置和方向。這類產(chǎn)品的典型生產(chǎn)廠家有Logitech、SAC等，其最大優(yōu)點(diǎn)是成本低，但缺點(diǎn)是精度較差，實(shí)時(shí)性不高，受噪聲和多次反射等因素影響較大。
電磁式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)
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)射源在空間產(chǎn)生按一定時(shí)空規(guī)律分布的電磁場(chǎng)；接收傳感器安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)中運(yùn)動(dòng)，接收傳感器將接收到的信號(hào)通過(guò)電纜或無(wú)線方式傳送給處理單元，根據(jù)這些信號(hào)可以解算出每個(gè)傳感器的空間位置和方向。Polhemus和Ascension公司是這類產(chǎn)品生產(chǎn)商的代表，其最大特點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單、魯棒性和實(shí)時(shí)性好，缺點(diǎn)是對(duì)金屬物體敏感，金屬物引起的電磁場(chǎng)畸變對(duì)精度影響大，采樣率較低，不利于快速動(dòng)作的捕捉，線纜式的傳感器連接同樣對(duì)動(dòng)作表演形成束縛和障礙，不利于復(fù)雜動(dòng)作的表演。
慣性傳感器式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)
由姿態(tài)傳感器、信號(hào)接收器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。姿態(tài)傳感器固定于人體各主要肢體部位，通過(guò)藍(lán)牙等無(wú)線傳輸方式將姿態(tài)信號(hào)傳送至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)解算。其中姿態(tài)傳感器集成了慣性傳感器、重力傳感器、加速度計(jì)、磁感應(yīng)計(jì)、微陀螺儀等元素，得到各部分肢體的姿態(tài)信息，再結(jié)合骨骼的長(zhǎng)度信息和骨骼層級(jí)連接關(guān)系，計(jì)算出關(guān)節(jié)點(diǎn)的空間位置信息。
代表性的產(chǎn)品有Xsens、3D Suit等，這類產(chǎn)品主要的優(yōu)點(diǎn)是便攜性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，表演空間幾乎不受限制，便于進(jìn)行戶外使用，但由于技術(shù)原理的局限，缺點(diǎn)也比較明顯，一方面?zhèn)鞲衅鞅旧聿荒苓M(jìn)行空間絕對(duì)定位，通過(guò)各部分肢體姿態(tài)信息進(jìn)行積分運(yùn)算得到的空間位置信息造成不同程度的積分漂移，空間定位不準(zhǔn)確；另一方面原理本身基于單腳支撐和地面約束假設(shè)，系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行雙腳離地的運(yùn)動(dòng)定位解算；此外，傳感器的自身重量以及線纜連接也會(huì)對(duì)動(dòng)作表演形成一定的約束，并且設(shè)備成本隨捕捉對(duì)象數(shù)量的增加成倍增長(zhǎng)，有些傳感器還會(huì)受周圍環(huán)境鐵磁體影響精度。
光學(xué)式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)
基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理，由多個(gè)高速相機(jī)從不同角度對(duì)目標(biāo)特征點(diǎn)的監(jiān)視和跟蹤來(lái)完成運(yùn)動(dòng)捕捉的任務(wù)。理論上對(duì)于空間中的任意一個(gè)點(diǎn)，只要它能同時(shí)為兩部相機(jī)所見(jiàn)，就可以確定這一時(shí)刻該點(diǎn)在空間中的位置。當(dāng)相機(jī)以足夠高的速率連續(xù)拍攝時(shí)，從圖像序列中就可以得到該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。這類系統(tǒng)采集傳感器通常都是光學(xué)相機(jī)，不同的是目標(biāo)傳感器類型不一，一種是在物體上不額外添加標(biāo)記，基于二維圖像特征或三維形狀特征提取的關(guān)節(jié)信息作為探測(cè)目標(biāo)，這類系統(tǒng)可統(tǒng)稱為無(wú)標(biāo)記點(diǎn)式光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，另一種是在物體上粘貼標(biāo)記點(diǎn)作為目標(biāo)傳感器，這類系統(tǒng)稱為標(biāo)記點(diǎn)式光學(xué)動(dòng)作捕捉。
無(wú)標(biāo)記點(diǎn)式光學(xué)動(dòng)作捕捉
原理大致有三種：第一種是基于普通視頻圖像的運(yùn)動(dòng)捕捉，通過(guò)二維圖像人形檢測(cè)提取關(guān)節(jié)點(diǎn)在二維圖像中的坐標(biāo)，
再根據(jù)多相機(jī)視覺(jué)三維測(cè)量計(jì)算關(guān)節(jié)的三維空間坐標(biāo)。由于普通圖像信息冗雜，這種計(jì)算通常魯棒性較差，速度很慢，實(shí)時(shí)性不好，且關(guān)節(jié)缺乏定量信息參照，計(jì)算誤差較大，這類技術(shù)目前多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段；
無(wú)標(biāo)記點(diǎn)式光學(xué)系統(tǒng)
第二種是基于主動(dòng)熱源照射分離前后景信息的紅外相機(jī)圖像的運(yùn)動(dòng)捕捉，即所謂的熱能式動(dòng)作捕捉，原理與第一種類似，只是經(jīng)過(guò)熱光源照射后，圖像前景和背景分離使得人形檢測(cè)速度大幅提升，提升了三維重建的魯棒性和計(jì)算速率，但熱源從固定方向照射，導(dǎo)致動(dòng)作捕捉時(shí)人體運(yùn)動(dòng)方向受限，難以進(jìn)行360度全方位的動(dòng)作捕捉，例如轉(zhuǎn)身、俯仰等動(dòng)作并不適用，且同樣無(wú)法突破因缺乏明確的關(guān)節(jié)參照信息導(dǎo)致計(jì)算誤差大的技術(shù)壁壘；
第三種是三維深度信息的運(yùn)動(dòng)捕捉，系統(tǒng)基于結(jié)構(gòu)光編碼投射實(shí)時(shí)獲取視場(chǎng)內(nèi)物體的三維深度信息，根據(jù)三維形貌進(jìn)行人形檢測(cè)，提取關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡，這類技術(shù)的代表產(chǎn)品是微軟公司的kinect傳感器，其動(dòng)作識(shí)別魯棒性較好，采樣速率高，價(jià)格非常低廉，有不少愛(ài)好者嘗試使用kinect進(jìn)行動(dòng)作捕捉，效果并不盡如人意，這是因?yàn)閗inect的應(yīng)用定位是一款動(dòng)作識(shí)別傳感器，而不是精確捕捉，同樣存在關(guān)節(jié)位置計(jì)算誤差大，層級(jí)骨骼運(yùn)動(dòng)累積變形等問(wèn)題。
無(wú)標(biāo)記點(diǎn)式動(dòng)作捕捉
普遍存在的問(wèn)題是動(dòng)作捕捉精度低，并且由于原理固有的局限導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)自由度解算缺失（如骨骼的自旋信息等）造成動(dòng)作變形等問(wèn)題。標(biāo)記點(diǎn)式光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)一般由光學(xué)標(biāo)識(shí)點(diǎn)（Markers）、動(dòng)作捕捉相機(jī)、信號(hào)傳輸設(shè)備以及數(shù)據(jù)處理工作站組成，人們常稱的光學(xué)式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)通常是指這類標(biāo)記點(diǎn)式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)。在運(yùn)動(dòng)物體關(guān)鍵部位（如人體的關(guān)節(jié)處等）粘貼Marker點(diǎn)，多個(gè)動(dòng)作捕捉相機(jī)從不同角度實(shí)時(shí)探測(cè)Marker點(diǎn)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)處理工作站，根據(jù)三角測(cè)量原理精確計(jì)算Marker點(diǎn)的空間坐標(biāo)，再?gòu)纳镞\(yùn)動(dòng)學(xué)原理出發(fā)解算出骨骼的6自由度運(yùn)動(dòng)。
這里根據(jù)標(biāo)記點(diǎn)發(fā)光技術(shù)不同還分為主動(dòng)式和被動(dòng)式光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)：主動(dòng)式光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的Marker點(diǎn)由LED組成，LED粘貼于人體各個(gè)主要關(guān)節(jié)部位，LED之間通過(guò)線纜連接，由綁在人體表面的電源裝置供電，市場(chǎng)上最具代表性的產(chǎn)品是美國(guó)的PhaseSpace，其主要優(yōu)點(diǎn)是采用高亮LED作為光學(xué)標(biāo)識(shí)，可在一定程度上進(jìn)行室外動(dòng)作捕捉，LED受脈沖信號(hào)控制明暗，以此對(duì)LED進(jìn)行時(shí)域編碼識(shí)別，識(shí)別魯棒性好，有較高的跟蹤準(zhǔn)確率；缺點(diǎn)是：第一，時(shí)序編碼的LED識(shí)別原理本質(zhì)上是依靠相機(jī)在不同時(shí)刻對(duì)不同的Marker采集成像來(lái)進(jìn)行ID標(biāo)識(shí)，相當(dāng)于在同一個(gè)動(dòng)作幀中分別針對(duì)每個(gè)Marker進(jìn)行逐次曝光，破壞了動(dòng)作捕捉的Markers檢測(cè)的同步性，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)變形，不利于快速動(dòng)作的捕捉；第二，由于相機(jī)幀率很大部分用于單幀內(nèi)對(duì)不同Marker點(diǎn)的識(shí)別，因此有效動(dòng)作幀采樣率較低，這點(diǎn)上也不利于快速運(yùn)動(dòng)的捕捉和數(shù)據(jù)分析；第三，LED Marker可視角度小(發(fā)射角120度左右)，一個(gè)捕捉鏡頭內(nèi)部通常集成了兩個(gè)相機(jī)近距離采集，這種窄基線結(jié)構(gòu)導(dǎo)致視覺(jué)三維測(cè)量精度較低，并且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于動(dòng)作遮擋等問(wèn)題仍然不可避免地導(dǎo)致頻繁的數(shù)據(jù)缺失，如果為盡量避免遮擋造成的數(shù)據(jù)缺失，需要成倍增加動(dòng)作捕捉鏡頭的數(shù)量彌補(bǔ)遮擋盲區(qū)問(wèn)題，設(shè)備成本也隨之成倍增加；第四，由于時(shí)序編碼的原理局限，系統(tǒng)可支持的Marker總數(shù)有嚴(yán)格限制，在保證足夠的采樣率前提下，同時(shí)采集人數(shù)一般不宜超過(guò)2人，且Marker點(diǎn)數(shù)量越多，單幀逐點(diǎn)曝光時(shí)間越長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)變形越嚴(yán)重。
被動(dòng)式光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)
被動(dòng)式光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)
也稱反射式光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其Marker點(diǎn)通常是一種高亮回歸式反光球，粘貼于人體各主要關(guān)節(jié)部位，由動(dòng)作捕捉鏡頭上發(fā)出的LED照射光經(jīng)反光球反射至動(dòng)捕相機(jī)，進(jìn)行Marker的檢測(cè)和空間定位。這類產(chǎn)品市場(chǎng)上最典型的品牌是美國(guó)Motion Analysis、英國(guó)的Vicon以及中國(guó)的天遠(yuǎn)，其主要優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，精度高、采樣率高、動(dòng)作捕捉準(zhǔn)確，表演和使用靈活快捷，Marker點(diǎn)可以很低成本地隨意增加和布置，適用范圍很廣；主要缺點(diǎn)是：第一，對(duì)捕捉視場(chǎng)內(nèi)的陽(yáng)光敏感，陽(yáng)光在地面形成的光斑可能被誤識(shí)別為Marker點(diǎn)，造成目標(biāo)干擾，因此系統(tǒng)一般需要在室內(nèi)環(huán)境下正常工作；第二，Marker點(diǎn)識(shí)別容易出錯(cuò)，由于反光式Marker點(diǎn)沒(méi)有唯一對(duì)應(yīng)的ID信息，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)遮擋等問(wèn)題容易造成目標(biāo)跟蹤出錯(cuò)，導(dǎo)致Marker點(diǎn)ID混淆，這種情況通常導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)捕捉現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)演示效果不好，動(dòng)作容易錯(cuò)位，并且需要在后處理過(guò)程中通過(guò)人工干預(yù)進(jìn)行數(shù)據(jù)修復(fù)，工作量大幅增加。不過(guò)新一代的Vicon軟件以及天遠(yuǎn)的3DMoCap都植入了先進(jìn)的智能捕捉技術(shù)，具有很強(qiáng)的Marker點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別和糾錯(cuò)能力，很大程度上滿足了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)演示的需要，并且大大降低了人工干預(yù)的工作量，從本質(zhì)上進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的實(shí)用性。
特點(diǎn)分析 編輯本段
不同原理的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，一般可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行性能評(píng)估：定位精度、采樣頻率、動(dòng)作數(shù)據(jù)質(zhì)量、快速捕捉能力、多目標(biāo)捕捉能力、運(yùn)動(dòng)范圍、環(huán)境約束、使用便捷性、適用性等，據(jù)此對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上常見(jiàn)的幾種動(dòng)作捕捉系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比如下：
系統(tǒng)對(duì)比選擇動(dòng)作捕捉系統(tǒng)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，用戶應(yīng)充分衡量自身的需求和一般使用情況，通常可以采取以下步驟篩選最適合自身使用的系統(tǒng)：
動(dòng)作捕捉系統(tǒng)
1. 一般情況下，注重綜合性能的，包括精度、動(dòng)作數(shù)據(jù)質(zhì)量和適用性等，首先考慮被動(dòng)式光學(xué)系統(tǒng)，可以得到很好的精度和動(dòng)作效果，適用性強(qiáng)，是現(xiàn)有動(dòng)作捕捉技術(shù)中最為成熟的一種，應(yīng)用案例最多，經(jīng)典的電影特效和CG作品中大多采用這種技術(shù)，較為實(shí)用，適合多數(shù)用戶使用；
2. 強(qiáng)調(diào)室外應(yīng)用并且具備較好的定位精度的，考慮主動(dòng)式光學(xué)系統(tǒng)，盡管在其他性能方面做出一定程度的讓步，但可以兼顧室外應(yīng)用和定位精度的特殊應(yīng)用需求；
3. 強(qiáng)調(diào)室外應(yīng)用并且運(yùn)動(dòng)范圍幾乎不受限制的，考慮慣性式系統(tǒng)，系統(tǒng)受環(huán)境約束很少，前提是對(duì)動(dòng)作質(zhì)量要求不高；
4. 強(qiáng)調(diào)便捷性，特別是應(yīng)用于人機(jī)交互、動(dòng)作識(shí)別領(lǐng)域，對(duì)動(dòng)作精度、質(zhì)量及可靠性要求較低的，考慮無(wú)標(biāo)記點(diǎn)式系統(tǒng)，如微軟的Kinect傳感器，在實(shí)用性和成本方面是其它系統(tǒng)無(wú)法比擬的。
系統(tǒng)參數(shù)及其在實(shí)際應(yīng)用中的物理意義動(dòng)作捕捉相機(jī)分辨率 光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，不論是無(wú)標(biāo)記點(diǎn)式還是標(biāo)記點(diǎn)式，動(dòng)作捕捉相機(jī)分辨率都是系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)。與影視行業(yè)的攝像機(jī)分辨率意義不同，動(dòng)作捕捉相機(jī)分辨率意義并不在于畫(huà)面的細(xì)膩程度和視覺(jué)體驗(yàn)，因?yàn)橄到y(tǒng)并不需要精細(xì)的畫(huà)面，而是能夠分辨出視場(chǎng)內(nèi)的標(biāo)記點(diǎn)或目標(biāo)特征即可，因此動(dòng)作捕捉相機(jī)的物理分辨率通常不需要影視級(jí)攝像機(jī)那么高，但是這里的分辨率具有兩大物理意義：
一是空間尺寸分辨能力，同樣的視場(chǎng)范圍，同樣的工作距離下，分辨率越高，可識(shí)別的最小特征尺寸越小，通常這個(gè)意義在于，高分辨率的相機(jī)可以使用更小尺寸的Marker，Marker過(guò)大容易對(duì)動(dòng)作表演造成干擾，一般情況下Marker大小不宜超過(guò)直徑20mm，但也不宜過(guò)小，太小容易被遮擋，可視角度隨之變小，一般肢體捕捉Marker點(diǎn)不宜小于直徑10mm；
二是定位精度，盡管精度本身受分辨率、硬件同步性能、軟件標(biāo)定和三維重建算法等諸多因素影響，但分辨率決定了空間尺寸的分辨能力，一定程度上決定了空間定位的不確定度，造成三維數(shù)據(jù)不同程度的抖動(dòng)，從而限制了定位精度，在其它因素控制較好的情況下，分辨率對(duì)系統(tǒng)精度起到?jīng)Q定性作用。動(dòng)作捕捉相機(jī)分辨率直接影響系統(tǒng)成本，通常更高的分辨率意味著更高的設(shè)備成本，因此對(duì)于大部分追求實(shí)用性和性價(jià)比的用戶來(lái)講，分辨率能夠滿足自身的需求即可，無(wú)需盲目追求高分辨率。對(duì)于一般的動(dòng)作捕捉應(yīng)用來(lái)說(shuō)，捕捉數(shù)據(jù)用來(lái)進(jìn)行動(dòng)畫(huà)制作，其捕捉精度在亞毫米量級(jí)已經(jīng)足夠，因?yàn)檫@個(gè)量級(jí)的誤差在動(dòng)畫(huà)中人眼是很難分辨的，在分辨率一定、相機(jī)視角一定的情況下，決定這個(gè)精度的因素主要在于相機(jī)工作距離，更直觀地說(shuō)，就是適用場(chǎng)地尺寸大小，捕捉場(chǎng)地越大，絕對(duì)精度越低，當(dāng)場(chǎng)地大小超過(guò)絕對(duì)精度在亞毫米量級(jí)的要求時(shí)，應(yīng)該采用更高分辨率的動(dòng)作捕捉相機(jī)。
動(dòng)作數(shù)據(jù) 編輯本段
動(dòng)作捕捉相機(jī)采集幀率 動(dòng)作捕捉相機(jī)采集幀率與通常所說(shuō)的相機(jī)幀率一致，是指單位時(shí)間內(nèi)圖像數(shù)據(jù)采集的次數(shù)，單位一般是fps，即幀/秒。相機(jī)采集幀率對(duì)于動(dòng)作捕捉來(lái)講具有兩大物理意義：一是限定了動(dòng)作采樣頻率，動(dòng)作采樣頻率最大不超過(guò)相機(jī)采集幀率（在下面“采樣頻率”一節(jié)會(huì)詳細(xì)闡述）；二是直接決定了運(yùn)動(dòng)跟蹤算法的有效性，進(jìn)而決定了動(dòng)作捕捉的正確率。
運(yùn)動(dòng)跟蹤貫穿動(dòng)作捕捉的整個(gè)過(guò)程，一方面軟件需要通過(guò)跟蹤進(jìn)行不同目標(biāo)的識(shí)別和區(qū)分，另一方面通過(guò)跟蹤預(yù)測(cè)可以縮小目標(biāo)探測(cè)區(qū)域，有效地提升計(jì)算速率和捕捉實(shí)時(shí)性。一旦跟蹤失敗，往往動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)會(huì)出錯(cuò)，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致丟失關(guān)鍵幀，影響捕捉的實(shí)時(shí)性。一般地講，相機(jī)幀率越高，跟蹤性能越好，即捕捉數(shù)據(jù)正確率越高（主動(dòng)式光學(xué)系統(tǒng)除外，參見(jiàn)下節(jié)）。
通常為了實(shí)現(xiàn)較好的動(dòng)作捕捉性能，專業(yè)的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)制造商都會(huì)進(jìn)行深入的研究以平衡硬件性能參數(shù)來(lái)滿足使用要求。其中，動(dòng)作捕捉相機(jī)分辨率和采集幀率是比較重要的一對(duì)相關(guān)參數(shù)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，分辨率越高應(yīng)該對(duì)應(yīng)越高的采集幀率，因?yàn)榉直媛试黾酉喈?dāng)于目標(biāo)在圖像上的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)不確定度增加，為保證計(jì)算速度，在跟蹤搜索窗口不變的情況下，目標(biāo)逃離跟蹤窗口的概率大幅增加造成跟蹤失敗，解決這個(gè)問(wèn)題最有效的方法就是提高采集幀率，降低運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)的不確定度，以確保跟蹤正確率。專業(yè)的動(dòng)作捕捉相機(jī)分辨率與幀率的關(guān)系一般應(yīng)滿足如下關(guān)系：
當(dāng)系統(tǒng)不能達(dá)到足夠的采集幀率時(shí)，最明顯的使用問(wèn)題是快速運(yùn)動(dòng)捕捉能力差，例如對(duì)人體進(jìn)行擊打、踢腿等動(dòng)作捕捉時(shí)，運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)往往會(huì)頻繁出錯(cuò)，造成無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)畫(huà)演示，且大大增加數(shù)據(jù)后處理的工作量，系統(tǒng)實(shí)用性低。
當(dāng)系統(tǒng)不能達(dá)到足夠的采集幀率時(shí)，最明顯的使用問(wèn)題是快速運(yùn)動(dòng)捕捉能力差，例如對(duì)人體進(jìn)行擊打、踢腿等動(dòng)作捕捉時(shí)，運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)往往會(huì)頻繁出錯(cuò)，造成無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)畫(huà)演示，且大大增加數(shù)據(jù)后處理的工作量，系統(tǒng)實(shí)用性低。
動(dòng)作采樣頻率 一般地，人們會(huì)認(rèn)為相機(jī)采集頻率越高越好，大部分情況下是可以這樣理解的，但這個(gè)理解并不全面，有個(gè)別情況屬于例外。事實(shí)上，相機(jī)采集頻率并不等于動(dòng)作采樣頻率，用戶真正關(guān)心的實(shí)際是動(dòng)作采樣頻率而不是相機(jī)采集頻率。采樣頻率指動(dòng)作捕捉系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)采集動(dòng)作關(guān)鍵幀的頻率，其中動(dòng)作關(guān)鍵幀是指某一時(shí)刻得到的一套完整的動(dòng)作數(shù)據(jù)。畢竟動(dòng)作采樣頻率才決定了動(dòng)作捕捉的細(xì)膩程度和采樣密度，特別是對(duì)于動(dòng)作分析的用戶來(lái)講，采樣頻率對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算意義重大，例如計(jì)算速度、加速度等參數(shù)時(shí)，較高的動(dòng)作采樣頻率尤其重要。
對(duì)于無(wú)標(biāo)記點(diǎn)式光學(xué)系統(tǒng)和被動(dòng)式光學(xué)系統(tǒng)來(lái)講，動(dòng)作采樣頻率和相機(jī)采集幀率一致，相機(jī)每曝光一次即得到一幀完整的動(dòng)作數(shù)據(jù)，這時(shí)將相機(jī)幀率等價(jià)于動(dòng)作采樣頻率是沒(méi)有問(wèn)題的；但是，對(duì)于主動(dòng)式光學(xué)系統(tǒng)來(lái)講，原理截然不同，由于采用時(shí)序編碼的LED Marker點(diǎn)，不同的LED隨時(shí)間交替明暗變化，相機(jī)每曝光一次實(shí)際只對(duì)空間中的一個(gè)或幾個(gè)Marker點(diǎn)進(jìn)行采集，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)不同Marker點(diǎn)的ID識(shí)別區(qū)分，捕捉時(shí)視場(chǎng)內(nèi)往往有幾十甚至上百個(gè)Marker點(diǎn)，當(dāng)對(duì)所有Marker點(diǎn)完成一次采集時(shí)，才算作一次完整的動(dòng)作采集，即一個(gè)動(dòng)作關(guān)鍵幀，而相機(jī)采集次數(shù)可能已經(jīng)進(jìn)行了幾十次，這時(shí)動(dòng)作采樣頻率遠(yuǎn)小于相機(jī)幀率，這類系統(tǒng)往往標(biāo)注很高的相機(jī)幀率，但實(shí)際的動(dòng)作采樣率往往在30fps甚至更低。
同步采集時(shí)間精度 專業(yè)的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，特別是各類光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，同步采集的時(shí)間精度是另一大重要的硬件參數(shù)，其物理意義是能夠影響系統(tǒng)定位精度。同步采集時(shí)間精度是指系統(tǒng)在獲取一個(gè)動(dòng)作關(guān)鍵幀時(shí)，各相機(jī)曝光時(shí)刻間的時(shí)間差別，理論上講在同一個(gè)動(dòng)作關(guān)鍵幀采集時(shí)，各相機(jī)須在完全相同的時(shí)刻同步曝光，才能保證視覺(jué)三維測(cè)量的準(zhǔn)確性，在實(shí)際應(yīng)用中，專業(yè)的生產(chǎn)廠商會(huì)采用同步控制裝置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確同步控制，時(shí)間同步精度往往在百萬(wàn)分之一秒以上。沒(méi)有同步控制裝置或同步精度低的，直接導(dǎo)致空間定位偏差大，或者頻繁出現(xiàn)異常噪聲直接影響動(dòng)作捕捉的數(shù)據(jù)質(zhì)量和使用效率。
動(dòng)作捕捉相機(jī)配置數(shù)量 動(dòng)作捕捉相機(jī)配置數(shù)量具有重要的物理意義：視覺(jué)三維測(cè)量原理是特征目標(biāo)被多個(gè)相機(jī)同時(shí)觀測(cè)到，才能進(jìn)行三維重建，當(dāng)只有一個(gè)相機(jī)或沒(méi)有相機(jī)觀測(cè)到該目標(biāo)時(shí)，對(duì)目標(biāo)的重建就會(huì)失敗，造成數(shù)據(jù)缺失，這種情況多是由于復(fù)雜動(dòng)作、多人表演或與道具結(jié)合的表演過(guò)程中的各種遮擋導(dǎo)致。相機(jī)數(shù)量越多，布置的空間視點(diǎn)越多，目標(biāo)被完全遮擋的概率就越小，數(shù)據(jù)缺失的也就越少，捕捉質(zhì)量也就越好，降低數(shù)據(jù)后處理的復(fù)雜度和工作量。
此外，從視覺(jué)三維測(cè)量的原理出發(fā)，相機(jī)數(shù)量越多，也可以在一定程度上提升目標(biāo)空間定位的精度。因此，在架設(shè)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)時(shí)，一定要考察清楚相機(jī)配置數(shù)量是否能夠滿足自身的捕捉需要，一般來(lái)講，動(dòng)作捕捉場(chǎng)地越大，捕捉的對(duì)象越多，動(dòng)作越復(fù)雜，需要的動(dòng)作捕捉相機(jī)數(shù)量越多，數(shù)量配置與場(chǎng)地大小的大致對(duì)應(yīng)關(guān)系可參考下表：
人體模型標(biāo)記點(diǎn)（Marker）配置數(shù)量 光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)通常在軟件中提供不同的人體標(biāo)記點(diǎn)模型供用戶選擇，即動(dòng)作捕捉時(shí)單人身上布置的標(biāo)記點(diǎn)總數(shù)，這個(gè)數(shù)量的物理意義在于它關(guān)系到骨骼運(yùn)動(dòng)解算的準(zhǔn)確度。系統(tǒng)通過(guò)身上的標(biāo)記點(diǎn)運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)原理解算關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息，理論上標(biāo)記點(diǎn)數(shù)量越多，動(dòng)作解算越準(zhǔn)確；為了反映全身各主要關(guān)節(jié)的6自由度運(yùn)動(dòng)信息，模型規(guī)劃的基本標(biāo)記點(diǎn)數(shù)量至少應(yīng)大于36個(gè)，否則會(huì)缺失某些關(guān)節(jié)的某些運(yùn)動(dòng)自由度，造成骨骼動(dòng)作數(shù)據(jù)失真。
人體模型標(biāo)記點(diǎn)（Marker）配置數(shù)量 光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)通常在軟件中提供不同的人體標(biāo)記點(diǎn)模型供用戶選擇，即動(dòng)作捕捉時(shí)單人身上布置的標(biāo)記點(diǎn)總數(shù)，這個(gè)數(shù)量的物理意義在于它關(guān)系到骨骼運(yùn)動(dòng)解算的準(zhǔn)確度。系統(tǒng)通過(guò)身上的標(biāo)記點(diǎn)運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)原理解算關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息，理論上標(biāo)記點(diǎn)數(shù)量越多，動(dòng)作解算越準(zhǔn)確；為了反映全身各主要關(guān)節(jié)的6自由度運(yùn)動(dòng)信息，模型規(guī)劃的基本標(biāo)記點(diǎn)數(shù)量至少應(yīng)大于36個(gè)，否則會(huì)缺失某些關(guān)節(jié)的某些運(yùn)動(dòng)自由度，造成骨骼動(dòng)作數(shù)據(jù)失真。
反光標(biāo)記點(diǎn)（Marker）尺寸大小 反光標(biāo)記點(diǎn)尺寸大小沒(méi)有嚴(yán)格限定，其物理意義在于與動(dòng)作捕捉相機(jī)適配，保證在相機(jī)中能夠被有效地探測(cè)到，同時(shí)不影響動(dòng)作表演的自由性。
一方面為避免遮擋引起的標(biāo)記點(diǎn)可視角度過(guò)小等問(wèn)題，標(biāo)記點(diǎn)尺寸一般不小于直徑10mm；另一方面為避免標(biāo)記點(diǎn)過(guò)大影響動(dòng)作表演，尺寸一般不大于直徑20mm。具體尺寸一般與系統(tǒng)相機(jī)分辨率相對(duì)應(yīng)，分辨率越高，標(biāo)記點(diǎn)標(biāo)配尺寸越小，例如130萬(wàn)像素以下系統(tǒng)一般使用20mm左右的標(biāo)記點(diǎn)，而500萬(wàn)像素系統(tǒng)一般使用10mm左右標(biāo)記點(diǎn)。
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