在運(yùn)動(dòng)科學(xué)中應(yīng)用 OptiTrack運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)
引言
說(shuō)到運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)，廣為人知的大概就是3D動(dòng)畫(huà)等影視娛樂(lè)作品了。然而在許多大眾視野外的領(lǐng)域，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)也在默默發(fā)光發(fā)熱。遇到障礙物能自動(dòng)轉(zhuǎn)彎的掃地機(jī)器人，小創(chuàng)面手術(shù)，運(yùn)動(dòng)員科學(xué)訓(xùn)練，都是基于運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)代科技成果。下面就讓我們深潛其中，看看動(dòng)捕技術(shù)是如何推動(dòng)這些“科學(xué)奇跡”的誕生吧。
機(jī)器人輔助訓(xùn)練
現(xiàn)代生活中，機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)用越發(fā)普及，而隨著技術(shù)的發(fā)展，各行業(yè)及終端消費(fèi)者對(duì)機(jī)器人的智能性要求也越來(lái)越高。機(jī)器人目前已被廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)、物流運(yùn)輸、汽車制造、家用電器等領(lǐng)域，而智能避障功能則成為機(jī)器人作業(yè)中不可或缺的能力之一。
在機(jī)器人避障訓(xùn)練中，實(shí)驗(yàn)人員可通過(guò)光流場(chǎng)計(jì)算法研究機(jī)器人的自主避障系統(tǒng)（光流場(chǎng)是指機(jī)器人于真實(shí)三維世界中的運(yùn)動(dòng)軌跡在二維平面上的投影），而在設(shè)計(jì)與分析測(cè)試環(huán)節(jié)，為了驗(yàn)證避障系統(tǒng)的有效性，科研人員就要用到OptiTrack運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)。
該系統(tǒng)可由6個(gè)或以上紅外攝像頭組成，在機(jī)器人向障礙物移動(dòng)時(shí)，通過(guò)捕捉分析機(jī)器人身上可反射紅外光線的Marker，在自有軟件Motive Body的坐標(biāo)系中計(jì)算機(jī)器人的坐標(biāo)與障礙物之間的距離、自身旋轉(zhuǎn)角度等。以O(shè)ptiTrack Prime系列紅外攝像頭為例，運(yùn)動(dòng)跟蹤精度誤差可達(dá)亞毫米，能定位追蹤標(biāo)記點(diǎn)位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，并在避障系統(tǒng)中計(jì)算出碰撞時(shí)間，幫助機(jī)器人判斷左右側(cè)光流場(chǎng)矢量信息（包含大小和方向數(shù)據(jù)），從而做出轉(zhuǎn)彎避讓的決策。
另一個(gè)前端行業(yè)較熱的機(jī)器人平衡訓(xùn)練研究也是基于OptiTrack生物（人體）動(dòng)捕技術(shù)。OptiTrack攝像頭通過(guò)紅外光學(xué)原理捕捉并記錄人類走路、跑步的姿態(tài)信息，甚至在崎嶇路面仍能保持平衡的動(dòng)作數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)映射到機(jī)器人身上的各個(gè)關(guān)節(jié)，來(lái)有效驅(qū)動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)。需要注意的是，在將人類動(dòng)作映射到機(jī)器人身上后，由于機(jī)器人與人類身體構(gòu)造的不完全相同，科學(xué)家在基于動(dòng)捕數(shù)據(jù)的情況下，仍需開(kāi)發(fā)相關(guān)控制器來(lái)編程控制機(jī)器人的平衡，經(jīng)過(guò)億萬(wàn)次的訓(xùn)練后，最終使機(jī)器人學(xué)習(xí)并掌握復(fù)雜路況下保持平衡的技巧。
醫(yī)療及康復(fù)訓(xùn)練
自疫情以來(lái)，國(guó)家各大醫(yī)院都采取了線上會(huì)診模式，遠(yuǎn)程或線上形式的醫(yī)療會(huì)診與交流學(xué)習(xí)成為主流，而虛擬現(xiàn)實(shí)與紅外光學(xué)動(dòng)捕技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用則使線上醫(yī)療會(huì)診、高精度手術(shù)甚至遠(yuǎn)程手術(shù)成為可能。
醫(yī)生可將具有光學(xué)感應(yīng)作用的Marker固定在患者腿部，并通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT掃描）來(lái)測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)相對(duì)于腿部對(duì)應(yīng)內(nèi)部點(diǎn)的位置，最終通過(guò)紅外光學(xué)技術(shù)捕捉Marker，確定跟蹤標(biāo)記點(diǎn)的位置，并結(jié)合局部測(cè)量值，計(jì)算出患者腿部的姿勢(shì)，從而幫助機(jī)器人（手術(shù)機(jī)械臂）更好的輔助醫(yī)療活動(dòng)。
此原理可以幫助醫(yī)生在操作屏幕上實(shí)時(shí)透視骨骼內(nèi)部的情況，無(wú)需再實(shí)行大創(chuàng)面手術(shù)，有效減少手術(shù)時(shí)的醫(yī)源性損害，大大減輕患者痛苦。這種手術(shù)方式還為遠(yuǎn)程手術(shù)提供了可能，醫(yī)生即使不在手術(shù)室，也可通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)視器觀察手術(shù)患部，并實(shí)時(shí)控制手術(shù)機(jī)械臂進(jìn)行手術(shù)操作。
除此之外，傳統(tǒng)的醫(yī)療復(fù)健過(guò)程中，醫(yī)生只能根據(jù)普遍患者的情況給出患者大概的康復(fù)時(shí)間建議，而使用該技術(shù)后，患者則可以隨時(shí)復(fù)診并得知自己患處的實(shí)時(shí)恢復(fù)情況，并根據(jù)相應(yīng)情況調(diào)整復(fù)健計(jì)劃。
運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作分析
以往訓(xùn)練時(shí)，運(yùn)動(dòng)員所需掌握的動(dòng)作要領(lǐng)常通過(guò)有經(jīng)驗(yàn)的教練所得，而紅外動(dòng)作捕捉技術(shù)則為傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)型訓(xùn)練提供了有力的數(shù)據(jù)支持，讓訓(xùn)練過(guò)程更加高效。通過(guò)捕捉和分析世界頂尖運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作數(shù)據(jù)，訓(xùn)練者能更好地對(duì)比和判斷訓(xùn)練動(dòng)作差距，并指導(dǎo)其加以改正和優(yōu)化。此外，教練還能比較受訓(xùn)者前后動(dòng)作的差異，選取合適的運(yùn)動(dòng)軌跡方案。
值得一提的是，以O(shè)ptiTrack產(chǎn)品為核心的高爾夫運(yùn)動(dòng)解決方案Gears Golf，得到了全球高爾夫愛(ài)好者喜愛(ài)。運(yùn)動(dòng)員穿上附著了Marker的運(yùn)動(dòng)捕捉服，手持附著了七至八個(gè)Marker、不同大小、不同型號(hào)的高爾夫球桿，進(jìn)行揮桿練習(xí)。該運(yùn)動(dòng)捕捉服由上衣、褲子和特制鴨舌帽組成，Marker依次被附著在動(dòng)捕服的關(guān)鍵骨骼位置點(diǎn)上。同時(shí)，不同型號(hào)、不同大小的高爾夫球桿內(nèi)也嵌有一定數(shù)量的Marker。
在揮桿過(guò)程中，OptiTrack紅外攝像頭能夠捕捉到運(yùn)動(dòng)員的身體運(yùn)動(dòng)軌跡、姿態(tài)、球桿運(yùn)動(dòng)軌跡、揮桿角度及球桿自轉(zhuǎn)角度等，同時(shí)OptiTrack P17W高速相機(jī)通過(guò)高頻率拍攝能捕捉球桿觸球瞬間呈現(xiàn)出的角度和位置，有效幫助受訓(xùn)者達(dá)成規(guī)范的訓(xùn)練姿態(tài)和訓(xùn)練成果。
OptiTrack運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)結(jié)合測(cè)力平臺(tái)，借助運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)解算和大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)員還能比較其腳跟或腳尖突然改變方向時(shí)對(duì)膝蓋的影響，預(yù)防不必要的骨骼損傷。
結(jié)語(yǔ)
“動(dòng)”是常態(tài)，也是圖形生成、理解與呈現(xiàn)的核心研究對(duì)象。
生命在于運(yùn)動(dòng)，捕捉還原精彩。
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