VR慣性式動作捕捉系統(tǒng)解析及典型方案

　　虛擬現(xiàn)實成為了目前最受關(guān)注的智能設(shè)備，為了帶來良好的體驗，VR設(shè)備對硬件提出了更高的要求，傳感器就是其中關(guān)鍵的一部分。虛擬現(xiàn)實中的傳感設(shè)備主要包括兩部分：一部分用于人機交互而穿戴于操作者身上的立體頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等，另一部分是用于正確感知而設(shè)置在現(xiàn)實環(huán)境中的各種視覺、聽覺、觸覺、力覺等。

　　用戶想要真正“進(jìn)入”虛擬世界，動作捕捉系統(tǒng)是必須的，本文將帶來慣性式動作捕捉系統(tǒng)的解析以及國內(nèi)外的解決方案。

　　目前動作捕捉系統(tǒng)有慣性式和光學(xué)式兩大主流技術(shù)路線，慣性式在光學(xué)式之后出現(xiàn)，但成本低廉、處理流程簡便成熟、完全實時的數(shù)據(jù)計算和回傳機制，讓慣性式動作捕捉系統(tǒng)成為了炙手可熱的技術(shù)。

　　組成：

　　動作捕捉系統(tǒng)的一般性結(jié)構(gòu)主要分為三個部分：

　　數(shù)據(jù)采集設(shè)備

　　數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備

　　數(shù)據(jù)處理單元

　　慣性式動作捕捉系統(tǒng)即是將慣性傳感器應(yīng)用到數(shù)據(jù)采集端，數(shù)據(jù)處理單元通過慣性導(dǎo)航原理對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而完成運動目標(biāo)的姿態(tài)角度測量。

　　實現(xiàn)流程：

　　在運動物體的重要節(jié)點佩戴集成加速度計，陀螺儀和磁力計等慣性傳感器設(shè)備，傳感器設(shè)備捕捉目標(biāo)物體的運動數(shù)據(jù)，包括身體部位的姿態(tài)、方位等信息，再將這些數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理設(shè)備中，經(jīng)過數(shù)據(jù)修正、處理后，最終建立起三維模型，并使得三維模型隨著運動物體真正、自然地運動起來。經(jīng)過處理后的動捕數(shù)據(jù)，可以應(yīng)用在動畫制作，步態(tài)分析，生物力學(xué)，人機工程等領(lǐng)域。

　　傳感器如何工作？

　　加速計：用來檢測傳感器受到的加速度的大小和方向的，它通過測量組件在某個軸向的受力情況來得到結(jié)果，表現(xiàn)形式為軸向的加速度大小和方向（XYZ），但用來測量設(shè)備相對于地面的擺放姿勢，則精確度不高，該缺陷可以通過陀螺儀得到補償。

　　陀螺儀：工作原理是通過測量三維坐標(biāo)系內(nèi)陀螺轉(zhuǎn)子的垂直軸與設(shè)備之間的夾角，并計算角速度，通過夾角和角速度來判別物體在三維空間的運動狀態(tài)。它的強項在于測量設(shè)備自身的旋轉(zhuǎn)運動，但不能確定設(shè)備的方位。

　　磁力計：磁力計又剛好可以彌補上面陀螺儀的那個缺陷，它的強項在于定位設(shè)備的方位，可以測量出當(dāng)前設(shè)備與東南西北四個方向上的夾角。

　　通俗來講，陀螺儀知道我們是否轉(zhuǎn)了身，加速度計知道我們運動多長距離，而磁力計則知道我們的運動方向。在動作捕捉系統(tǒng)中，這三類傳感器需要充分利用各自的特長，來跟蹤目標(biāo)物體的運動。

　　三大優(yōu)勢：

　　1.技術(shù)優(yōu)勢

　　慣性式動作捕捉系統(tǒng)采集到的信號量少，便于實時完成姿態(tài)跟蹤任務(wù)，解算得到的姿態(tài)信息范圍大、靈敏度高、動態(tài)性能好；對捕捉環(huán)境適應(yīng)性高，不受光照、背景等外界環(huán)境干擾，并且克服了光學(xué)動捕系統(tǒng)攝像機監(jiān)測區(qū)域受限的缺點；克服了VR設(shè)備常有的遮擋問題，可以準(zhǔn)確實時地還原如下蹲、擁抱、扭打等動作。此外，慣性式動作捕捉系統(tǒng)還可以實現(xiàn)多目標(biāo)捕捉。

　　2.使用便捷

　　使用方便，設(shè)備小巧輕便，便于佩戴。

　　3.成本優(yōu)勢

　　相比于光學(xué)動作捕捉，慣性式動作捕捉系統(tǒng)成本低廉，使得其不但可以應(yīng)用于影視、游戲等行業(yè)，也有利于推動VR設(shè)備更快的走進(jìn)大眾生活。

　　國內(nèi)外典型解決方案：

　　一、荷蘭Xsens MVN慣性式動作捕捉系統(tǒng)

　　MVN是Xsens公司開發(fā)的一款便攜式全身動作捕捉解決方案，無需使用攝像機即可對人體動作進(jìn)行捕捉，具有靈活性強的特點，無論在室內(nèi)室外均可使用。MVN動作捕捉流程不用進(jìn)行過多的調(diào)節(jié)，避免了信號阻擋或者標(biāo)記物丟失的問題。MVN采用先進(jìn)的微型慣性傳感器、生物力學(xué)模型、以及傳感器融合算法。

　　Xsens MVN動作捕捉解決方案配有慣性傳感器，可以安裝在全身萊卡捕捉服上，也可以安裝在捕捉帶上使用。Xsens MVN不采用攝像頭，不會對測試人員的行動造成任何限制，是一套具有極強靈活性的便攜式動作捕捉系統(tǒng)，同時適用于室內(nèi)和室外工作環(huán)境。該產(chǎn)品避免了信號阻擋或者標(biāo)記物混淆的問題，節(jié)省了捕捉數(shù)據(jù)清理工作花費的時間。MVN簡單易用，校準(zhǔn)迅速，可以用15分鐘安裝完畢并馬上投入使用。

　　應(yīng)用范圍

　　適用于3D角色動作、虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練與模擬應(yīng)用、體育運動科學(xué)分析、生物力學(xué)、醫(yī)療與復(fù)健、營銷活動、娛樂、Visual Jockey、人體工程學(xué)、人機工程設(shè)計、仿真培訓(xùn)、科研，教育等多領(lǐng)域。

　　 技術(shù)特征

　　不采用攝像頭，不會對測試人員的行動造成任何限制

　　MVN Studio軟件可以在屏幕上實時顯示圖像

　　具有極強靈活性，同時適用于室內(nèi)和室外工作環(huán)境

　　Xsens MVN可提供整潔流暢的數(shù)據(jù)，節(jié)省了80%的后期處理時間

　　二、美國3DSuit慣性式動作捕捉系統(tǒng)

　　3DSuit是一套慣性動作捕捉套裝。該產(chǎn)品融合了導(dǎo)航系統(tǒng)和角定位系統(tǒng)，還配有Inertial Labs OSv3慣性傳感器，可將動作數(shù)據(jù)傳輸至PC機。 Joints II算法可以處理這些數(shù)據(jù)并實時計算出各身體部位的位置和運動方向。

　　 應(yīng)用范圍

　　適用于虛擬現(xiàn)實、醫(yī)學(xué)研究、體育、教育、互動游戲等諸多領(lǐng)域。

　　技術(shù)特征

　　3DSuit可由動畫制作員自行操作，無需任何輔助

　　不需要攝像機、發(fā)射器、標(biāo)記物或特殊設(shè)施進(jìn)行動作捕捉

　　記錄前無需鋪設(shè)特殊裝置，無需進(jìn)行長時間校準(zhǔn)

　　不會出現(xiàn)由標(biāo)記物閉塞而造成的數(shù)據(jù)損失

　　無需進(jìn)行操作前培訓(xùn)

　　3DSuit軟件安裝十分簡單，所需要時間不超過啟動電腦的時間

　　三、中國PERCEPTION NEURON

　　Neuron動捕系統(tǒng)是高性能動作捕捉系統(tǒng)。這個高度模塊化的系統(tǒng)基于Neuron傳感器：全世界最小的，集成了加速度計、陀螺儀以及磁力計的慣性測量傳感器節(jié)點。這套系統(tǒng)的強大之處不僅僅是因為這枚性能優(yōu)秀的超小型傳感器，Neuron研發(fā)團(tuán)隊對于數(shù)據(jù)融合、人體動力學(xué)和物理法則的深刻理解讓捕捉流暢、自然與低延遲的人體動作成為可能。
　　Perception Neuron系統(tǒng)可將其設(shè)計為可以任意配置：可以將Neuron傳感器安裝到需要的地方，從而讓整套系統(tǒng)可以支持從3到32個節(jié)點，捕捉單純的手臂運動直到全身并且包括手指的運動。

　　特性

　　NEURON傳感器節(jié)點

　　尺寸： 12.5mm x 13.1mm x 4.3mm*

　　動態(tài)范圍： 360 度

　　加速度測量范圍： ±16g

　　角速度測量范圍： ±2000 dps

　　精度： 0.02 度

　　靜態(tài)精度

　　橫滾角： 《 1 度

　　俯仰角： 《 1 度

　　航向角： 《 2 度

　　HUB主節(jié)點

　　尺寸： 59mm x 41mm x 23mm

　　最大支持節(jié)點數(shù)： 32

　　數(shù)據(jù)輸出： USB 2.0， WIFI 或 Micro-SD卡記錄

　　數(shù)據(jù)輸出幀率： 32節(jié)點時為60 fps， 18節(jié)點時為120 fps

　　電源： USB外接電源

　　四、中國StepVR

　　StepVR是G-Wearables于2015年9月16日發(fā)布的一套全沉浸式的交互虛擬現(xiàn)實設(shè)備。這套設(shè)備由搭載手部姿態(tài)識別技術(shù)的頭戴顯示器、全身動作捕捉設(shè)備、背包式中央處理器，以及空間定位系統(tǒng)組成，可以將真實世界里的人整體映像到虛擬世界中，讓使用者可以在虛擬空間里以自然的狀態(tài)行走、觸摸拾起物體、與其他使用者互動。

特性

　　StepMocap 動作捕捉技術(shù)

　　實時精準(zhǔn)動作捕捉系統(tǒng)

　　有線及無線均可實現(xiàn)

　　無需校準(zhǔn)，穿戴方便

　　高精度，低成本

　　StepPosition 室內(nèi)激光定位技術(shù)

　　允許多人參與，精準(zhǔn)實時定位

　　精度高達(dá)1mm

　　刷新率高達(dá)80赫茲

　　低延遲，低成本

　　方便擴展

　　手部姿態(tài)識別

　　基于TOF深度攝像頭的解決方案

　　不受日光或環(huán)境光線影響

　　可識別角度達(dá)到水平110度，垂直90度，距離范圍在20-120cm之內(nèi)

　　可識別多種復(fù)雜手勢，使用者在不帶手套情況下即可實現(xiàn)自由交互和操作