簡介
表演動畫中的運動捕捉動作捕捉系統包含一個導航系統和一個角速率定位系統。慣性感測器與特殊設計的人體套裝集成，傳輸動態數據到電腦中。算法處理這些數據並實時的計算所有人體部位的位置和姿態。
正是使用了慣性感測器，可以在任何地方使用，因為該項技術不需要攝像機，發射體，標記者或其他動作捕捉的特殊裝備。可以直接由動畫製作者操作而無需任何協助，這就大大不同與其他系統的校準和操作。
原理
17個物理慣性感測器每個都包括陀螺儀、加速計和磁力計。它可以感應繞空間3軸的鏇轉，通過複雜的算法來計算橫滾俯仰和航向。通信設備包括感測器輸出的數據，並計算四肢相對“主心骨"的位置。同時運用特別的算法來幫助計算出主心骨相對地面的位置。所有數據將通過無線藍牙傳送到計算機。軟體處理並傳輸數據到3D動畫軟體如MotionBuilder。所有步驟都在動態中用最小時間間隔完成，真正做到實時的動作捕捉。
市場優勢
目前國內的動畫製作系統普遍價格昂貴，操作複雜，製作周期過長，而且動作捕捉系統成本需要幾十萬元到上百萬元。所有的這些因素，限制了動作捕捉技術在中國市場的廣泛套用。只能被用在寥寥無幾的大型工作室或事業單位，使得大多數中小型動畫工作室和自由動畫人望洋興嘆，使他們失去了公平參與市場競爭的機會，對產業而言，或許許多更好的創意來自大多數中小型動畫工作室和自由動畫人，但因為一些技術的限制而無法實現，限制了產業的發展。正打破傳統束縛，與光學動做捕捉系統要求專業人員操作不同，它可以適合任何人使用，甚至可以稱為個人動畫製作系統。解決了長期以來中國工作者不得不以手工製作動畫的問題，可以快速製作高品質動畫角色，提高10倍工作效率，最少節約了75%的時間，同時在經濟上也緩解了負擔。
性價比高，捕捉數據精度高，可用於全身追蹤或部分肢體追蹤，提供物體自然運動，可以達到手繪的動畫效果。不同與光學系統，演員的運動身體部分遮擋並不影響慣性動作捕捉的性能。其維護簡便，可在任何地方使用，無需特殊工作室。
捕捉設備
動作捕捉隨著計算機軟硬體技術的飛速發展和動畫製作要求的提高，在已開發國家，運動捕捉已經進入了實用化階段，有多家廠商相繼推出了多種商品化的運動捕捉設備，如 MotionAnalysis 、 Polhemus 、 Sega Interactive 、 MAC 、 X-Ist 、 FilmBox 等，成功地用於虛擬現實、遊戲、人體工程學研究、模擬訓練、生物力學研究等許多方面。
從技術的角度來說，運動捕捉的實質就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運動軌跡。典型的運動捕捉設備一般由以下幾個部分組成：
· 感測器。所謂感測器是固定在運動物體特定部位的跟蹤裝置，它將向 Motion capture 系統提供運動物體運動的位置信息，一般會隨著捕捉的細緻程度確定跟蹤器的數目。
· 信號捕捉設備。這種設備會因 Motion capture 系統的類型不同而有所區別，它們負責位置信號的捕捉。對於機械系統來說是一塊捕捉電信號的線路板，對於光學 Motion capture 系統則是高解析度紅外攝像機。
· 數據傳輸設備。 Motion capture 系統，特別是需要實時效果的 Motion capture 系統需要將大量的運動數據從信號捕捉設備快速準確地傳輸到計算機系統進行處理，而數據傳輸設備就是用來完成此項工作的。
· 數據處理設備。經過 Motion capture 系統捕捉到的數據需要修正、處理後還要有三維模型向結合才能完成計算機動畫製作的工作，這就需要我們套用數據處理軟體或硬體來完成此項工作。軟體也好硬體也罷它們都是藉助計算機對數據高速的運算能力來完成數據的處理，使三維模型真正、自然地運動起來。
技術之一：機械式運動捕捉
機械式運動捕捉依靠機械裝置來跟蹤和測量運動軌跡。典型的系統由多個關節和剛性連桿組成，在可轉動的關節中裝有角度感測器，可以測得關節轉動角度的變化情況。裝置運動時，根據角度感測器所測得的角度變化和連桿的長度，可以得出桿件末端點在空間中的位置和運動軌跡。實際上，裝置上任何一點的運動軌跡都可以求出，剛性連桿也可以換成長度可變的伸縮桿，用位移感測器測量其長度的變化。
早期的一種機械式運動捕捉裝置是用帶角度感測器的關節和連桿構成一個 " 可調姿態的數字模型" ，其形狀可以模擬人體，也可以模擬其他動物或物體。使用者可根據劇情的需要調整模型的姿態，然後鎖定。角度感測器測量並記錄關節的轉動角度，依據這些角度和模型的機械尺寸，可計算出模型的姿態，並將這些姿態數據傳給動畫軟體，使其中的角色模型也做出一樣的姿態。這是一種較早出現的運動捕捉裝置，但直到現在仍有一定的市場。國外給這種裝置起了個很形象的名字： " 猴子 " 。
機械式運動捕捉的一種套用形式是將欲捕捉的運動物體與機械結構相連，物體運動帶動機械裝置，從而被感測器實時記錄下來。
這種方法的優點是成本低，精度也較高，可以做到實時測量，還可容許多個角色同時表演。但其缺點也非常明顯，主要是使用起來非常不方便，機械結構對表演者的動作阻礙和限制很大。而 " 猴子 " 較難用於連續動作的實時捕捉，需要操作者不斷根據劇情要求調整 " 猴子 " 的姿勢，很麻煩，主要用於靜態造型捕捉和關鍵幀的確定。
技術之二：聲學式運動捕捉
常用的聲學式運動捕捉裝置由傳送器、接收器和處理單元組成。傳送器是一個固定的超音波發生器，接收器一般由呈三角形排列的三個超聲探頭組成。通過測量聲波從傳送器到接收器的時間或者相位差，系統可以計算並確定接收器的位置和方向。
這類裝置成本較低，但對運動的捕捉有較大延遲和滯後，實時性較差，精度一般不很高，聲源和接收器間不能有大的遮擋物體，受噪聲和多次反射等干擾較大。由於空氣中聲波的速度與氣壓、濕度、溫度有關，所以還必須在算法中做出相應的補償。
技術之三：電磁式運動捕捉
電磁式運動捕捉系統是比較常用的運動捕捉設備。一般由發射源、接收感測器和數據處理單元組成。發射源在空間產生按一定時空規律分布的電磁場；接收感測器（通常有 10 ～ 20 個）安置在表演者身體的關鍵位置，隨著表演者的動作在電磁場中運動 , 通過電纜或無線方式與數據處理單元相連，見圖 2 和圖 3 所示。
表演者在電磁場內表演時，接收感測器將接收到的信號通過電纜傳送給處理單元，根據這些信號可以解算出每個感測器的空間位置和方向。 Polhemus 公司和 Ascension 公司均以生產電磁式運動捕捉設備而著稱。這類系統的採樣速率一般為每秒 15 ～ 120 次（依賴於模型和感測器的數量），為了消除抖動和干擾，採樣速率一般在 15Hz 以下。對於一些高速運動，如拳擊、籃球比賽等，該採樣速度還不能滿足要求。電磁式運動捕捉的優點首先在於它記錄的是六維信息，即不僅能得到空間位置，還能得到方向信息，這一點對某些特殊的套用場合很有價值。其次是速度快，實時性好，表演者表演時，動畫系統中的角色模型可以同時反應，便於排演、調整和修改。裝置的定標比較簡單，技術較成熟，魯棒性好，成本相對低廉。
它的缺點在於對環境要求嚴格，在表演場地附近不能有金屬物品，否則會造成電磁場畸變，影響精度。系統的允許表演範圍比光學式要小，特別是電纜對表演者的活動限制比較大，對於比較劇烈的運動和表演則不適用。
技術之四：光學式運動捕捉
光學式運動捕捉通過對目標上特定光點的監視和跟蹤來完成運動捕捉的任務。常見的光學式運動捕捉大多基於計算機視覺原理。從理論上說，對於空間中的一個點，只要它能同時為兩部相機所見，則根據同一時刻兩部相機所拍攝的圖像和相機參數，可以確定這一時刻該點在空間中的位置。當相機以足夠高的速率連續拍攝時，從圖像序列中就可以得到該點的運動軌跡。
典型的光學式運動捕捉系統通常使用 6 ～ 8 個相機環繞表演場地排列，這些相機的視野重疊區域就是表演者的動作範圍。為了便於處理，通常要求表演者穿上單色的服裝，在身體的關鍵部位，如關節、髖部、肘、腕等位置貼上一些特製的標誌或發光點，稱為 "Marker" ，視覺系統將識別和處理這些標誌，如圖 4 所示。系統定標後，相機連續拍攝表演者的動作，並將圖像序列保存下來，然後再進行分析和處理，識別其中的標誌點，並計算其在每一瞬間的空間位置，進而得到其運動軌跡。為了得到準確的運動軌跡，相機應有較高的拍攝速率，一般要達到每秒 60 幀以上。
如果在表演者的臉部表情關鍵點貼上 Marker ，則可以實現表情捕捉，如圖 5 所示。大部分表情捕捉都採用光學式。
有些光學運動捕捉系統不依靠Marker 作為識別標誌，例如根據目標的側影來提取其運動信息，或者利用有格線的背景簡化處理過程等。研究人員正在研究不依靠 Marker而套用圖像識別、分析技術，由視覺系統直接識別表演者身體關鍵部位並測量其運動軌跡的技術，估計將很快投入實用。
光學式運動捕捉的優點是表演者活動範圍大，無電纜、機械裝置的限制，表演者可以自由地表演，使用很方便。其採樣速率較高，可以滿足多數高速運動測量的需要。Marker 數量可根據實際套用購置添加，便於系統擴充。
這種方法的缺點是系統價格昂貴，它可以捕捉實時運動，但後處理（包括 Marker 的識別、跟蹤、空間坐標的計算）的工作量較大，適合科研類套用。
技術之五：慣性導航式動作捕捉
通過慣性導航感測器AHRS(航姿參考系統)、IMU(慣性測量單元)測量表演者運動加速度、方位、傾斜角等特性。
不受環境干擾影響，不怕遮擋。捕捉精確度高，採樣速度高，達到每秒1000次或更高。由於採用高集成晶片、模組，體積小、尺寸小，重量輕，性價比高。慣導感測器佩戴在表演者頭上，或通過17個感測器組成數據服穿戴，通過USB線、藍牙、2.4Gzh DSSS無線等與主機相聯，分別可以跟蹤頭部、全身動作，實時顯示完整的動作。
運動捕捉技術在其他領域的套用
將運動捕捉技術用於動畫製作，可極大地提高動畫製作的水平。它極大地提高了動畫製作的效率，降低了成本，而且使動畫製作過程更為直觀，效果更為生動。隨著技術的進一步成熟，表演動畫技術將會得到越來越廣泛的套用，而運動捕捉技術作為表演動畫系統不可缺少的、最關鍵的部分，必然顯示出更加重要的地位。
運動捕捉技術不僅是表演動畫中的關鍵環節，在其他領域也有著非常廣泛的套用前景。
提供新的人機互動手段 表情和動作是人類情緒、願望的重要表達形式，運動捕捉技術完成了將表情和動作數位化的工作，提供了新的人機互動手段，比傳統的鍵盤、滑鼠更直接方便，不僅可以實現 " 三維滑鼠 " 和 " 手勢識別 " ，還使操作者能以自然的動作和表情直接控制計算機，並為最終實現可以理解人類表情、動作的計算機系統和機器人提供了技術基礎。
虛擬現實系統 為實現人與虛擬環境及系統的互動，必須確定參與者的頭部、手、身體等的位置與方向，準確地跟蹤測量參與者的動作，將這些動作實時檢測出來，以便將這些數據反饋給顯示和控制系統。這些工作對虛擬現實系統是必不可少的，這也正是運動捕捉技術的研究內容。
機器人遙控 機器人將危險環境的信息傳送給控制者，控制者根據信息做出各種動作，運動捕捉系統將動作捕捉下來，實時傳送給機器人並控制其完成同樣的動作。與傳統的遙控方式相比，這種系統可以實現更為直觀、細緻、複雜、靈活而快速的動作控制，大大提高機器人應付複雜情況的能力。在當前機器人全自主控制尚未成熟的情況下，這一技術有著特別重要的意義。
互動式遊戲 可利用運動捕捉技術捕捉遊戲者的各種動作，用以驅動遊戲環境中角色的動作，給遊戲者以一種全新的參與感受，加強遊戲的真實感和互動性。
體育訓練 運動捕捉技術可以捕捉運動員的動作，便於進行量化分析，結合人體生理學、物理學原理，研究改進的方法，使體育訓練擺脫純粹的依靠經驗的狀態，進入理論化、數位化的時代。還可以把成績差的運動員的動作捕捉下來，將其與優秀運動員的動作進行對比分析，從而幫助其訓練。
另外，在人體工程學研究、模擬訓練、生物力學研究等領域，運動捕捉技術同樣大有可為。
可以預計，隨著技術本身的發展和相關套用領域技術水平的提高，運動捕捉技術將會得到越來越廣泛的套用。
技術對比
動作捕捉上世紀七、八十年代，動作捕捉開始是作為生物力學研究中的攝影圖像分析工具，隨著技術的日漸成熟，該技術開始拓展到教育、訓練、運動、電腦動畫、電視、電影、視頻遊戲等領域。使用者在各個關節處配備有標記點（Marker），通過標記點間位置和角度的變化來識別動作。
動作捕捉系統有機械連結、磁感測器、光感測器、聲感測器和慣性感測器。每種技術各有優點，但不論何種技術，用戶都會受到某些限制。
光學式使用光學感知來確定對象的實時位置和方向。光學式設備主要包括感光設備（接收器）、光源（發射器）以及用於信號處理的控制器。感光設備多種多樣，例如普通攝像機、光敏二極體等。光源可以是環境光，也可以是結構光。為了防止可見光的干擾，通常採用紅外線、雷射等作為光源。由於光的傳播速度很快，因此光學式設備最顯著的優點是速度快、具有較高的更新率和較低的延遲，較適合實時性強的場合，在小範圍內工作效果好。紅外被動光學式動捕工作原理：多個相機組成的捕捉空間，相機上的近紅外LED照射目標物上的反射標記點（上圖中周圍的一圈光源就是近紅外光源），相機對標記點進行紅外成像，提取標記點的二維信息，通過多個相機對同一標記點反饋的空間數據，計算出Marker點的三維位置信息，動捕系統將完成對表演者的動作連續拍攝、圖像存儲、分析、處理，完成對運動軌跡的實時記錄。
慣性式通過盲推得出被跟蹤物體的位置，也就是說完全通過運動系統內部的推算。優點是不存在發射源、不怕遮擋、沒有外界干擾，有無限大的工作空間。缺點是快速積累誤差。
機械式是比較古老的跟蹤方式，使用連桿裝置組成。是價格比較便宜、精確度較高和回響時間短的系統。它可以測量物體整個身體運動，沒有延遲，而且不受聲、光、電磁波等外界干擾。另外，它能夠與力反饋裝置組合在一起。缺點是比較笨重，不靈活，而且有慣性。由於機械連線的限制，其工作空間也受到一定的限制，而且工作空間中還有一塊中心地帶是不能進入的，俗稱機械系統死角，使機械設備不能進入。
電磁式利用磁場的強度進行位置和方位跟蹤。一般包括發射器、接收器、接口和計算機。優點是不存在遮擋問題，接收器與發射器之間允許有其他物體，也就允許用戶走動。相對於其他運動捕捉設備，它的價格較低、精度適中、採樣率高（可達120次/秒）、工作範圍大（可達60m），允許多個磁跟蹤器跟蹤整個身體運動，並且增加了跟蹤運動的範圍。缺點是易受電子設備、鐵磁場材料的干擾，可能導致磁場變形引起誤差。測量距離加大時誤差增加，時間延遲交大（33ms），有小的抖動。
被動式光學動作捕捉系統
目前市面上精確度最高的動作捕捉系統，精度可高達0.1mm。系統工作時，通過數字動作捕捉鏡頭光圈部分發射紅外線，照射到反光球組上（反光球組放置在被測物體上），然後再由鏡頭上的感應器矩陣接收反射回來的紅外線；接收到紅外線的感應器會激活並輸出其所在的位置信息（XY坐標）；多個數字動作捕捉鏡頭能同時接收到反光球組的反射紅外線，並將其位置信息輸出；多個鏡頭的位置信息經由連線器同步並綜合，傳送給實時操作及分析處理軟體；實時操作及分析處理軟體將該信息利用DLT算法進行分析計算，形成立體視覺，並生成標誌點的三維坐標信息（XYZ坐標）；該坐標信息經由多剛體建模軟體，可以生成運動的多剛體模型，該模型由步態分析軟體可以得到完整的動力學運動學整合數據報告。
特點
動作捕捉2、實時性好,無延遲
3、可套用於無人機、機器人、影視動漫、虛擬現實、運動分析、步態康復、人機工效等領域
4、進口被動式光學動作捕捉系統價格高昂，國產品牌Nokov——世界品質的中國動作捕捉，性價比高，降低被動式光學動作捕捉的產品價格
慣性感測器
多用途超微型3D方向感測器，由三種感測元件組成，分別為：三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速度計以及三軸磁電阻磁強計，適用於動作捕捉、載人/無人設備穩定等套用領域。可以輸出以下數據：四元數據、原始慣性感測數據、歐拉角數據等。
模組可進行獨立校準，校準時使用專門的無磁實驗室，可以設定特定溫度下設備的加速度、角速率以及磁場數據。此外，客戶還可以對設備進行自行校準，從而有效避免實際使用環境中的軟硬鐵干擾。
可選套裝樣式
系帶套裝:
使用者的每個身體部位單獨安裝捕捉裝置，提高了靈活性，適合不同體型的人士使用。
內置式套裝：
全身套裝:定製式全身套裝的感測器和線纜均為嵌入式。捕捉服可水洗，使用極其方便，可以快速安裝並且開始工作。
全身套裝
定製式全身套裝的感測器和線纜均為嵌入式。捕捉服可水洗，使用極其方便，可以快速安裝並且開始工作。
簡要技術說明
動作捕捉系統採用17個慣性感測器，可以對人體主要骨骼部位的運動進行實時測量。系統可根據反向運動學原理測算出人體關節的位置，並將數據施加到相應的骨骼上。由於慣性感測器主要依賴無處不在的地球重力和磁場，所以捕捉服在任何地點都可以正常使用，無需事先作任何準備工作。感測器和連線線的外殼具有溫度補償和防水的特性，適合在水下、雨中、或冷熱氣候中使用，只要是有生物的地方，捕捉服都可以正常使用。
動作捕捉系統的軟體開發工具包為用戶提供了高性價比的人體動作追蹤解決方案。客戶可以在任何實際的追蹤套用需要中使用業內最熱門的慣性跟蹤裝置。
SDK
直接打開和監控所有感測器數據
可與用戶自己的運動分析套用直接集成
可實現深度動作分析，包括運動速度、加速度監控等
將輸出數據與商業遊戲引擎集成，適用於虛擬現實和增強現實領域
創建自己的慣性運動跟蹤系統
用戶群
院校用戶
給各大專院校提供了高性價比的解決方案，您能夠直接在課堂中使用，不需要事先進行任何安裝和設定。可以用手提箱帶到使用地點，幾分鐘內即可開始使用。
遊戲開發者
不僅僅為您提供了動作捕捉解決方案，更能夠讓您在任何地點輕鬆完成動作捕捉。假如您在研發一款足球網路遊戲，您可以帶到球場上進行動作捕捉，非常方便。
動畫製作者
用戶甚至可以在自己的家裡進行動作捕捉，完全無需使用專業的工作室。讓您足不出戶便可輕鬆完成動作捕捉項目。
二次開發用戶
用戶可以將更深層次的擴展其套用領域，甚至可以將動作捕捉變成跟蹤互動設備。
組件
1個系帶全身套裝，或內置式套裝，帶有
動作捕捉組件
20個感測器
20條感測器連線線
1個無線控制元件
1個USB軟體狗
2個電池組（可充電）
2個感測器線分配器
1個動作捕捉系統手提箱
可選動作捕捉系統配件
感測器匯流排擴展器
