三维运动捕捉技术的研究与发展综述

三维运动捕捉技术的研究与发展综述

【摘 要】三维运动捕捉技术能够可以测量、跟踪和记录物体在三维空间中的运动轨迹，在很多研究领域都有着广泛应用。机械式、声学式、电磁式、光学式和基于视频的运动捕捉技术是现阶段研究相对深入的五类运动捕捉技术，本文主要对这五类运动捕捉技术的研究和发展情况做了系统的综述，并且分析了各自的系统组成和性能优缺点，为三维运动捕捉技术的继续研究提供一些信息上的参考，为三维运动捕捉技术的应用研究提供一些依据。

【关键词】三维运动捕捉；机械式；声学式；电磁式；光学式；基于视频

三维运动捕捉技术的产生可以追溯到20世纪70年代[1]，最初是由心理学家Johansson[2]在对人体运动的视觉感知研究中提出来的。20世纪80年代以来，以Calvert、Carol、Robertson以及Walters和Tardif为代表的教授和学者，先后对于三维运动捕捉技术进行了深入研究，推动了该技术的发展，使得该技术日趋成熟。近些年来，三维运动捕捉技术大研究更加完善和深入，市场上也涌现出多种三维运动捕捉系统，运动捕捉技术已经被应用到影视动画制作、体育训练、人机工程学研究等多个领域之中。

捉按照不同的分类方法，运动捕捉（motion capture）主要有以下种类：从应用角度来划分，可分为表情捕捉和身体捕捉两种；从实时性来划分，可分为实时捕捉系统和非实时捕捉系统两种；从工作原理来对其进行划分，同时也是最常用的划分方式，其类型主要有机械式运动捕捉、声学式运动捕捉、电磁式运动捕捉、光学式运动捕捉和基于视频的运动捕捉五种。

1.机械式运动捕捉

1983年卡尔弗特教授使用分压计作为角度传感器进行人体分析。1983年拉涅尔发明了机械式的数据手套。1985年VPL研究中心开发了虚拟现实的技术，其中机械式运动捕捉为主要技术核心，目前英国Animazoo公司研发的Animazoo Gypsy6动作捕捉系统是正在使用并且相对完善的机械式运动捕捉系统。机械式运动捕捉主要依靠机械装置来跟踪和测量运动，将欲捕捉的运动物体与机械装置相连，物体运动带动机械装置运动，与此同时传感器记录下相关参数。典型的系统由多个关节和刚性连杆组成，角度传感器安装在可转动的关节中，可以测得关节运动过程中的角度。装置运动时，根据角度传感器的数据和连杆的长度，可以得出连杆上某一点在空间的运动轨迹。刚性连杆也可以换成长度可变的伸缩杆，用位移传感器测量其长度的变化。机械式运动捕捉的优点 成本低，装置定标简单，因其与传统的物理

测量相似所以其测量数据精度比较高。可以很容易地做到实时数据捕捉。缺点主要是由于机械设备有尺寸以及重量等问题，使用起来非常不方便。机械结构对表演者的动作阻碍、限制很大，很多激烈的动作都无法完成。 2.声学式运动捕捉

常用的声学式运动捕捉装置由发送器、接收器和处理单元组成。发送器是固定的超声波发生器；接收器一般由呈三角形排列的3个超声探头组成。将多个发送器固定在人身体的各个部位，发送器持续发出超声波，每个接收器通过测量、计算声波从发送器到接收器的时间，3个构成三角形的接收器就可以确定发送器的位置和方向。由于声波的速度与温度有关，还必须有测温装置，并在算法中作出相应的补偿。Logitcch、SAC等公司都生产超声波动作捕捉设备。 这类装置成本较低，但对运动的捕捉有较大的延时和滞后，精度差，捕捉时要求声源和接收器之间不能有大的物体遮挡，在表演场地附近不能有金属物品，否则会造成电磁场畸变。

3.电磁式运动捕捉

1970年Bill Polhemus开发出电磁式运动捕捉装置。1988年电磁式运动捕捉系统（单通道）进入市场。1994年第一套快速多通道的电磁式捕捉系统研发成功。电磁式运动捕捉系统一般由三个部分组成，即发射源、接收传感器和数据处理