人類運動捕捉資料之特徵描述與資料檢索

課程 : 論文研討
日期 : 2011.09.30
時間 : 14:00 ~ 15:50
地點 : S516
作者 : 資工研一 張文銓
講者 : 義守大學資工系 杜維昌教授

隨著電腦動畫產業的興起，許多動畫公司開始著重於快速的開發時程以及擬真的視覺效果，動作捕捉器也儼然成為製作動畫不可或缺的重要工具。但由於使用運動捕捉器會產生大量的運動捕捉資料，因而如何在這些龐大散亂的運動資料庫中有效且快速找尋相似的運動資料是近幾年來熱門的研究議題。演講教授的目標是透過運動資料語意的挖掘，開發快速檢索出使用者需要的運動資料，並符合人類對運動語意的認知。一般而言，運動資料是屬於高維度的資料，現有研究多數採用三維點座標、角度、節點的分佈或使用主成份分析來降低資料維度，進而達到特徵萃取的效果，但這些特徵對於姿勢的形變大多相當敏感。其中有一種方法是採用方位關連性特徵為基礎的特徵萃取方法，具有空間和時間轉換不變性，並以直方圖形式記錄每一片段可能出現姿勢的機率作為特徵，藉以加快相似度比對的計算時間。基於運動捕捉資料的紋理特性，亦開發自動化運動資料分割方法，並以此為基礎使用高維度資料結構方法建立索引，以達到快速檢索的目的。

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杆組成，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杆的長度，可以得出杆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，剛性連杆也可以換成長度可變的伸縮杆，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杆構成一個"可調姿態的數位模型"，其形狀可以類比人體，也可以類比其他動物或物體。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"。

這種方法的優點是成本低，精度也較高，可以做到即時測量，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。

技術之二：聲學式運動捕捉

常用的聲學式運動捕捉裝置由發送器、接收器和處理單元組成。發送器是一個固定的超聲波發生器，接收器一般由呈三角形排列的三個超聲探頭組成。通過測量聲波從發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，即時性較差，精度一般不很高，聲源和接收器間不能有大的遮擋物體，受雜訊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，所以還必須在演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目前比較常用的運動捕捉設備。一般由發射源、接收感測器和資料處理單元組成。發射源在空間產生按一定時空規律分佈的電磁場；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資料處理單元相連。

電磁式運動捕捉的優點首先在於它記錄的是六維資訊，即不僅能得到空間位置，還能得到方向資訊，這一點對某些特殊的應用場合很有價值。其次是速度快，即時性好，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

目前常見的光學式運動捕捉大多基於電腦視覺原理。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

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的價格便宜，便於擴充。

運動捕捉技術在其他領域的應用

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準。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應用，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。

提供新的人機交互手段

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，提供了新的人機交互手段，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電腦，並為最終實現可以理解人類表情、動作的電腦系統和機器人提供了技術基礎。

虛擬實境系統

為實現人與虛擬環境及系統的交互，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，將這些動作即時檢測出來，以便將這些資料回饋給顯示和控制系統。這些工作對虛擬實境系統是必不可少的，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資訊傳送給控制者，控制者根據資訊做出各種動作，運動捕捉系統將動作捕捉下來，即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。

參考資料來源:

http://www.cgtiger.com/news/844.html

http://www.unionvr.com/opmc.htm

http://www.yfdmt.com/animatemade/3d/animatemade/3.htm