Easy Track 光学运动捕捉系统

半岛的铁盒

一．运动捕捉概述

运动捕捉系统是一种用于准确测量运动物体在三维空间运动状况的高技术设备。它基于计算机图形学原理，通过排布在空间中的数个视频捕捉设备将运动物体（标记点）的位置以图象的形式记录下来，然后使用计算机对该图象数据进行处理，得到不同时间计量单位上不同物体（标记点）的空间坐标（X，Y，Z）。然后通过对物体（标记点）的跟踪计算，得到物体（标记点）在空间的运动轨迹。

基于以上的优点，该技术在众多的领域中都有十分广泛的应用。在体育训练中它可以帮助教练员从不同的视角观察运动员的动作，并且将位置、速度、加速度等数据进行量化处理，使教练员能够有的放矢地纠正运动员的技术动作，从而大大提高训练的效果；在动画游戏制作上，它可以轻而易举地制作出各种人物、动物的复杂动作，使动画制作流程变得简捷高效；在医学的康复治疗领域，它可以准确测量并记录下需要肢体康复治疗的病人的各种运动数据，同时可以为医生观察、分析病人的运动提供诸多帮助；另外该系统在步态分析、虚拟现实、运动分析、机器人控制等诸多领域都有着巨大的应用前景。


  
二． 运动捕捉系统发展历程
动作捕捉为第二次世界大战后，起源于物理治疗、康复领域中，对伤残、截肢、脑瘫、帕金森症患者运动及行为学分析研究。
运动捕捉技术与20世纪70年代开始应用于动画制作领域，迪斯尼公司曾试图通过捕捉演员的动作以改进动画制作效果。当计算机技术刚开始应用于动画制作时，纽约计算机图形技术实验室的Rebecca Allen就设计了一种光学装置，将演员的表演姿势投射在计算机屏幕上，作为动画制作的参考。之后从20世纪80年代开始，美国Biomechanics实验室、Simon Fraser大学、麻省理工学院等开展了计算机人体运动捕捉的研究。此后，运动捕捉技术吸引了越来越多的研究人员和开发商的目光，并从试用性研究逐步走向了实用化。1988年，SGI公司开发了可捕捉人头部运动和表情的系统。随着计算机软硬件技术的飞速发展和动画制作要求的提高，目前在发达国家，运动捕捉已经进入了实用化阶段，其应用领域也远远超出了表演动画，并成功地用于虚拟现实、游戏、人体工程学研究、模拟训练、生物力学研究等许多方面。
到目前为止，常用的运动捕捉技术从原理上说可分为机械式、电磁式和光学式。同时，不依赖于专用传感器，而直接识别人体特征的运动捕捉技术也将很快走向实用。
不同原理的设备各有其优缺点，一般可从以下几个方面进行评价：定位精度；实时性；使用方便程度；可捕捉运动范围大小；成本；抗干扰性；多目标捕捉能力。

从技术的角度来说，运动捕捉的实质就是要测量、跟踪、记录物体在三维空间中的运动轨迹。典型的运动捕捉设备一般由以下几个部分组成：
a) 传感器。所谓传感器是固定在运动物体特定部位的跟踪装置，它将向Motion capture系统提供运动物体运动的位置信息，一般会随着捕捉的细致程度确定跟踪器的数目。
b) 信号捕捉设备。这种设备会因Motion capture系统的类型不同而有所区别，它们负责位置信号的捕捉。对于机械系统来说是一块捕捉电信号的线路板，对于光学Motion capture系统则是高分辨率红外摄像机。
c) 数据传输设备。Motion capture系统，特别是需要实时效果的Motion capture系统需要将大量的运动数据从信号捕捉设备快速准确地传输到计算机系统进行处理，而数据传输设备就是用来完成此项工作的。
d) 数据处理设备。经过Motion capture系统捕捉到的数据需要修正、处理后还要有三维模型向结合才能完成计算机动画制作的工作，这就需要我们应用数据处理软件或硬件来完成此项工作。软件也好硬件也罢它们都是借助计算机对数据高速的运算能力来完成数据的处理，使三维模型真正、自然地运动起来。


技术之一：机械式运动捕捉

利用可伸缩的机械结构安装于撷取物体上，以取得各部位的运动量。目前这种技术最大的优点是成本低廉，但是由于机械设备有尺寸以及重量等问题，限制了可应用的范围，数据的精确度略低。
技术之二：电磁式运动捕捉
利用数个可感应电磁讯号的sensor装置于撷取物体上，并接收由发射器发出的磁场讯号，得到sensor的位置及转动信息。在不考虑电磁干扰的情况下，目前有AC磁场与DC磁场两种类型，DC磁场是为了降低干扰并增加数据取样率而发展。在实际应用上，由于sensor是需要电源及控制讯号的电子装置，所以必须有一串接线连至控制主机，影响了应用弹性，近年已有厂商发展出无线的电磁式装置，实际上是将电源控制盒背负在演员身上，以减少动作的限制，一个控制盒大约能控制20个sensor，重约1.5kg。

技术之三：光学式运动捕捉
利用高分辨率CCD camera、红色闪光灯及反光标点（marker）所构成，经过复杂的运算将多台camera得到的影像数据计算成marker 位置。这种系统最大的优点是精确度高，但所需的计算也最复杂，也因此光学式系统一直到近几年才发展出realtime系统。在应用上因 marker 重量轻且不需电源，所以使用时受到的限制是最小的。
有些光学运动捕捉系统不依靠Marker作为识别标志，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等。目前研究人员已经研究出不依靠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，如：Stage运动捕捉系统。
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，表演者可以自由地表演，使用很方便。其采样速率较高，可以满足多数高速运动测量的需要。Marker的价格便宜，便于扩充。

运动捕捉技术在动画制作中的应用
将运动捕捉技术用于动画制作，可极大地提高动画制作的水平。它极大地提高了动画制作的效率，降低了成本，而且使动画制作过程更为直观，效果更为生动。随着技术的进一步成熟，表演动画技术将会得到越来越广泛的应用，而运动捕捉技术作为表演动画系统不可缺少的、最关键的部分，必然显示出更加重要的地位。

可以预计，随着技术本身的发展和相关应用领域技术水平的提高，运动捕捉技术将会得到越来越广泛的应用。


EasyTrack运动捕捉系统
    EasyTrack运动捕捉系统是一款高精度被动式光学运动捕捉系统，





















三、Easy Track 动作捕捉系统工作流程
红光（红外）发生器发射大量长波光波；
反光点反射光线；
高频广角摄像机记录画面；
采集计算机将图像采集到计算机中，得到反光点的二维坐标数据；
数据计算及处理计算机获得通过以太网传过来的二维坐标数据，进行跟踪和识别的计算，得到点的三维坐标，并形成正确的点骨架，至此，动作捕捉的工作就完成了。
1、        校准：


校准包括静态校准和动态校准两部分。校准的目的是使用校准器以及校准程序计算出摄像机准确的空间位置，从而为精确的计算出标记点的运动轨迹做准备。
通过这个过程我们可以给系统设定三维采集空间的原点（0.0.0）及X.Y.Z三维坐标系。对于摄像机来说，这也就相应设定了摄像机的空间位置等一系列准确的参数，这样我们就可以进行采集了。

2、        采集
摄像头上面集成有红外发射器，工作时发出一定强度的红外光和红光，演员身上带有反射红外光线的标记点，通过运动捕捉系统的采集和处理，就得到高亮度标记点的二维坐标。通过不重合的两台摄像机采集到的一个点的二个二维坐标就能够推算出这个点在空间中的三维坐标。据此我们就能得到演员身上的标记点的三维坐标。

3、        跟踪

由于运动捕捉系统是为了获得标记点在捕捉时间内的三维坐标序列，因此对于这个标记点在时间轴上的完整呈现需要多台摄像机的配合。



4、        识别
为了能让标记点正确的反映演员的动作，不仅要跟踪到标记点在演员身上的位置，还要分析与其他标记点之间的相互位置关系，完成标记点的识别工作。


5、        数据处理
在标记点数量较多，动作难度大，遮挡比较严重的情况下，跟踪和识别就会出现误差，采集下来的数据都不是十分干净的，需要通过手动的处理加以解决。

6、        后处理及骨骼转换
动作采集之后，我们就得到了一系列的动作文件，这样文件记录的是反光点以时间为序的空间三维坐标。接下来的任务就是如何在三维动画软件中更为方便快捷的应用动画捕捉系统数据制作角色动画上面。
如何在Maya中应用动作捕捉数据制作角色动画呢？现在通常采用加Motionbuilder软件来实现，基本的工作流程如下所示：


1﹑在Maya中进行角色建模
2﹑对模型设置骨骼
3﹑将骨骼输出为fbx文件
4﹑将我们采集得到的动作文件导入Motionbuilder当中
5、在Maya中完成动作的导入


四． Easy Track 动作捕捉系统的介绍


Easy Track系统是一组网络连接的运动捕捉摄像机和其它设备以提供实时光学数据，这些数据可以被应用于实时在线或者离线的运动捕捉、分析，应用领域涉及生命科学、工程学以及娱乐媒体制作等方面。
实时的数据导出: 内置支持行业标准VRPN和跟踪协议，可以使我们实时跟踪数据和应用之间迅速传递。内含的网络传输允许方便的跨平台交流.
简单的相机校准: 多达24台相机可以在捕获范围超过40平方米校准，且带有捕获范围预览。
强大的工具: 使用我们强大的可视化工具，钢体可以很容易的定义和修改。录制和回放数据直至定稿，并且反复的验证您的成果.

Easy Track的组成
Easy Track系统主要包括：
1、        摄像机
Easy Track高速摄像机能实时专业图像处理。

2、        HUB集线器
根据摄像机的搭建以及来自第三方的硬件设备决定使用的数量。

3、        软件
Easy Track软件是一款直观的动作捕获软件，集捕获、编辑和输出特性于一身.
4、图形工作站
Easy Track系统需要一台含有以太网络端口的图形工作站以实现系统内数据交流及数据处理。
5、专用连接线
专用连接线将系统组件连接一体，提供诸多功能如电源供给、以太网络交流、同步信号、视频讯息和数据交流。专用连接线能够非常便捷地铺设于工作室、实验室或者户外。
6、校准套件
Easy Track系统包含了一套用于精确校正系统的校准套件和一套用于系统使用初始化的标准配件。

24镜头Easy Track系统构架示意图：
包含24个摄像机，四台HUB集线器，一台图形工作站，如下图1所示





摄像机
摄像机包括捕捉特殊波长区域光波的摄像机、发光器以及镜头、光学过滤器以及连线，摄像机是一台集成图像捕获和处理的设备。B&W CMOS图像器可以一秒捕获120帧以上的速度，快到足以捕捉最快的动作。我们独有的图像处理系统通过标准USB传输标记数据到电脑上显示和提交处理。摄像机如下图所示。




Olive动作捕捉软件
紧密集成的动作捕获工具，提供用户精确的捕获数据并且控制最终的输出成果序列.
功能
单用户控制: 利用捕获期间的用户自定义计时器和实时的3D视图反馈，一个单用户可以是动作捕获的操作员和演员。
•        简便相机校准: 多台相机可以被校准在超过36平方米（6*6）的捕获范围里，带有捕获范围预览。典型的校准时间在5分钟之内.
•        自动骨骼和标记任务: 曾经需要数小时的过程现在降低到数分钟。使用简单易学的骨骼向导来产生自动骨骼和标记任务。
•        实时的数据捕获: 实时预览你的动作捕获数据，提供全身影像.
•        内置数据编辑器: 让用户处理他们捕获的数据的先进编辑工具.
•        灵活的数据导出:导出多种格式例如BVH，C3D并且与MotionBuilder实时连接.

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