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人体姿态捕捉方法综述 XXX （大连理工大学 软件学院， 辽宁 大连 116600） 摘要：人体姿态捕捉技术在人机交互和虚拟现实等领域的重要性日益突出，为了满足人们对于高精确度、高效率的动作捕捉技术的需求，科学家从各个方面进行了创新性的尝试。文章介绍了动作捕捉技术发展历史，并给出了其概念和基本组成；并阐述了目前国内外发展现状；其次详细地对主流方案进行优缺点分析；然后结合现实，给出了常见应用领域；最后对动作捕捉技术面临难题进行总结并介绍了发展趋势。 关键词： 动作捕捉； 虚拟技术； 人机交互； 算法 Overview of Human gesture capture XXX （Dalian university of technology College of Software，Liaoning Dalian 116600） Abstract：The human body gesture capture technology in human-computer interaction and virtual reality and other areas of importance is day by day prominent, in order to meet people for high accuracy, high efficiency of motion capture technology needs, scientists from all aspects of innovative attempt. This paper introduces the motion capture technology development history, and gives the concept and basic composition; And expounds the current situation of the development at home and abroad; Secondly detail schemes to mainstream advantages and disadvantages analysis; And then combining with reality, gives the common application fields; Finally, the motion capture technology difficulties was summarized and introduced the development trend. Key words: Motion capture ；Virtual technology ；Human-computer interaction ；Algorithm 0. 引言 动作捕捉(Motion Capture) ，也称为Motion Tracking（动作追踪）或简称mocap，用于记录物体移动的过程并将其模拟到数字模型中。近年来，随着计算机数据采集和传感器技术的迅速发展，动作捕捉技术在游戏、娱乐、体育、军事、运动分析，舞蹈采集，虚拟现实等技术中得到了越来越深入的应用。 简单动作捕捉概念的先驱一般认为是美籍波兰人马克思费舍尔(Max Fleischer)1915 年发明的Rotoscope技术。该技术将实际拍摄出的动作影像作为动画描绘的底样，动画师以此为基础逐帧描绘出所需的动作。20 世纪70 年代，基于仪器的运动捕捉技术开始应用于动画制作领域，美国迪斯尼公司试图通过捕捉演员的动作以改进动画效果，纽约计算机图形技术实验室设计了一种光学装置，采用了类似Rotoscope技术的实现原理，将演员表演的动作姿势投影至屏幕，为后续的动画制作提供了有益的参考[1] 李晓丹，肖明，曾莉.人体动作捕捉技术综述以及一种新的动作捕捉方案陈述[J]. 中国西部科 技2011，10(15)：35-37. 。 20 世纪80 年代，通过电脑实现的针对人体运动捕捉的研究开始出现。美国Biomechanics 实验室、MIT 等高校先后对此进行了研究。此后，运动捕捉技术逐渐被越来越多的研究人员和开发者所接受，并从试用研究逐步走向了现实中。进入20 世纪90 年代后，随着计算机软硬件技术的发展和人们对动画制作要求的提高，运动捕捉已经进入了实用阶段，有多家厂商相继推出了多种商品化的运动捕捉设备，如Motion-Analysis、Sega Interactive、Polhemus 、FilmBox、MAC等，其应用已远远超出了演示领域，并成功地用于考古、医学研究、虚拟现实、人体工程学研究、模拟训练、游戏等许多方面[2] 李明宇，赵亮，姜军. 动作捕捉技术应用研究调查报告[Z]. 科技信息 。 动作捕捉技术本身是一门很复杂的技术，涉及测量、物理定位、空间定位等多种计算方法，以及数据与计算机之间的互通和处理。一般来讲，技术本身在运动物体的关键部位设置跟踪器，由Motion capture 系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后得到三维空间坐标的数据。当数据被计算机识别后，可以应用在动画制作、步态分析、生物力学、人机工程等领域[3] 黄波上，陈福民．人体动作捕捉及运动控制的研究[J]．计算机工程与应用，2005，7 。 1. 动作捕捉的基本概念及基本组成 1.1. 动作捕捉的概念 1999年，A Menach将动作捕捉定义为“在一定空间范围内通过对特殊标记点的跟踪来记录捕捉对象运动信息，然后将其换算为可使用数学方式进行表达的运动的过程”。 换一种说法就是，一个通过在时域上跟踪一些关键点的运动来记录生物运动，然后将其转换成可用的数学表达并合成一个单独的3D运动的过程。[4] Menache A．Understanding Motion Capture for Computer Animat ion and Video Games[M]．Morgan Kaufmann，1999，10 从功能的角度说，动作捕捉技术是一种用来记录人体动作，并将其转换为数字模式的技术。从技术的角度来说, 运动捕捉的实质就是要测量、记录物体在三维空间中的运动轨迹。 在动作捕捉技术运用最普及的电影动画领域，其技术使用过程如下：首先它实时地检测、记录表演者的肢体在三维空间的运动轨迹, 捕获表演者的动作(包括方向信息), 然后转化为数字化的“抽象运动”, 以便动画软件将它“赋予”模型, 使模型做出和表演者一样的动作, 并生成最终的动画序列. 实际上, 运动捕捉的对象不仅仅是表演者的动作, 还可以包括物体的运动, 表演者的表情,以及相机、灯光的运动等[5] 冯远淑，陈福民. 基于动作捕捉的计算机动画探讨与实现[J]. 同济大学学报，2004，32(7)：956-960. . 此外, 运动捕捉技术在虚拟现实、三维游戏、人体生物工程学等许多方面都有重要的应用. 1.2. 基本组成 动作捕捉技术主要是通过对物体在三维空间中的运动进行记录，通过其速度、位置等参数获取相关的物理信息，进而进行运动轨迹的模拟。不同公司的动作捕捉设备有相对不同的配置，但一套典型的动作捕捉设备主要由以下四部分组成： 1) 传感器：动作捕捉设备中的传感器是指固定在运动物体特定部位的跟踪装置。通过传感器提供的物理信息，动作捕捉设备可以获取运动物体运动的位置、速度等信息。不同的动作捕捉任务需要的传感器数量不同，以人物捕捉为例，如果针对人的整体运动轨迹进行捕捉，需要的传感器数量较少，如果捕捉人体的局部信息如脸部、手部，由于关节和细节部分较多，则需要增加传感器的数量。 2) 信号捕捉设备：由于现在广泛采用光学动作捕捉系统，因此往往用高分辨率的红外摄像机进行信号的捕捉和获取。对于之前的机械动作捕捉系统，则是通过一块线路板收集电信号来完成的。 3) 数据传输设备：数据传输设备主要负责将获取的动作捕捉信息实时的传入电脑，然后通过电脑对相关信息进行实时分析和处理。 4) 数据处理设备：动作捕捉设备捕捉到的数据需要修正和加工后结合三维模型，借助计算机对数据高速的运算能力来完成数据的处理，才能完成相应的工作，这就需要我们借助数据处理软件或硬件来完成此项工作。[6] 李明宇，赵亮，姜军. 动作捕捉技术应用研究调查报告[Z]. 科技信息 常见动作捕捉系统主要设备组成如图1所示： 图1 动作捕捉系统基本组成 1.3. 人体关节树 在人体模型树的基础上捕获到的运动数据是人体模型中各个关节点的三维坐标的集合. 采用三维坐标来描述运动是一种非层次化方法,运动描述中各个关节点的位置参数相互独立,其中任意一点的位置变化不会引起其他点的位置变化,这样就很容易违背人体模型中的骨架长度不变的约束,导致在运动编辑时必须求解复杂的长度约束方程. 在运动编辑和运动重定向中,希望保留原运动的某些运动属性(如运动姿势). 但由于人体角色与动画角色的骨架长度不同,采用非层次化运动表示很难满足这种要求. 为建立人体的运动模型,必须对人体模型中相连各肢体和这些肢体之间的运动连带关系进行描述. 现提出一种层次化的运动描述方法,把人体关节看成是一棵树. 将关节看成点,将关节之间的骨骼看成是链,就可以按照运动关系将各肢体链接起来. 以腰关节为根结点,对于相邻的两个关节,设定靠近腰关节为父结点,连接在父结点之下的关节就设定为子结点.父结点运动时,子结点必须跟着运动. 但是子结点运动时,父结点不一定动.为了表达人体模型的层次结构,可选用树结构来进行描述（图2）。[7] 殷　俊, 张　凯, 崔　晋, 郑　洁. 游戏动画中的动作捕捉[J]. 江苏大学学报，2006，27(5):454-457. 图2 人体关节树 2. 动作捕捉技术研究现状 2.1. 研究现状 由于动作捕捉技术的重要性和未来将会对人类生活的各个方面产生极大影响，越来越多的技术人员投入到动作捕捉技术领域进行研究。目前在发达国家，由于起步较早，动作捕捉技术已经进入了实用化阶段。 电影《阿凡达》的上映，引出了一股3D潮流。在我们身临其境地欣赏着美轮美奂的影片时，我们不知道，这背后的一切都离不开动作捕捉技术的应用[8] 鲍玉珩，李 悦. 《阿凡达》 的奇幻影视空间—用技术演绎电影的华丽[J]. 电影评价，2010,6:53-54. 。动作捕捉技术在很早以前就已经应用在电脑动画的制作中，随着技术的成熟，越来越多的影视工作室将其运用到电影制作中，以卡梅隆为代表的好莱坞导演，一直都是新金属的引领者。说道动作捕捉技术，就不得不提新西兰的威塔工作室，其先进的动作捕捉技术不仅为阿凡达的制作添上浓墨重彩的一笔，同时也在《指环王》三部曲、《金刚》等大片中起着决定性作用。[9] 朱梁 . 法师归来——威塔与《指环王》的视觉效果制作[J]. 北京电影学院学报，2004，03：78-80. 同时美国公司开发的3D suit动作捕捉套装，主要应用于动画电影领域。 不仅在电影制作领域，动作捕捉技术已经见见走进人们的日常生活。微软的Kinect[10] 林填锋，杨洁霞.基于kinect 的人体识别技术的一些改进[J]. 电脑知识与技术,2012,8(27):5220-5223 是视频式动作捕捉技术的集大成者，应用于体感领域，开辟了新式游戏玩法。微软公司最近又发布了基于SoundWave技术的手势捕捉技术，用于人机交互，极大地改进了人机交互体验。另外，基于手势的人机交互开发，leap motion公司推出了精确度达0.01毫米的leap 3D设备。 除以公司为代表的研发外，许多高校也进行了人体动作捕捉技术的研究。其中，MIT的媒体实验室的有形媒体小组，研发出了一种基于动作捕捉技术的增强现实技术--T(ether)。只需要一个特制手套和一台ipad，用户就可以实现像科幻电影中那样的虚拟场景。 由于国内这方面