慣捕/光捕/光混捕捉——三種動作捕捉系統(tǒng)解決方案的對比分析
2010年，Iphone4首次采用了ST公司的三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)作為手機(jī)的慣性傳感器，這或許是Mems IMU第一次勢不可擋地沖進(jìn)了每個人的日常生活中。
慣性技術(shù)的輕量化讓許多硬件設(shè)備都煥發(fā)了新生，動作捕捉就是其中一個。之后的十年，純慣性動捕和光學(xué)動捕開始在影視制作、體育分析、醫(yī)療康復(fù)等各個領(lǐng)域的市場份上進(jìn)行了激烈地競爭。
今天筆者給大家全面分析一下，傳統(tǒng)的基于攝像機(jī)的純光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)，與基于Mems傳感器的純慣性動作捕捉系統(tǒng)，還有光慣混合系統(tǒng)的區(qū)別。
一、光學(xué)捕捉：
基于攝像機(jī)的捕捉系統(tǒng)，是人體動作捕捉曾經(jīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)由一組攝像機(jī)與數(shù)據(jù)處理服務(wù)器（通常稱為HUB）組成，相機(jī)發(fā)出紅外光，在場景中特殊材質(zhì)做成Maker球上發(fā)生反射，從而捕獲到場景中Maker點(diǎn)的絕對位置信息。
而現(xiàn)在，為了避免場景中其他反光體對捕捉造成的影響，許多公司也會采用主動式的發(fā)光體。也就是將Maker點(diǎn)換成主動發(fā)出紅外光的設(shè)備，這樣的話：
（1）不會受到場地中反光體影響
（2）光球在不同頻率下發(fā)出紅外光可以被相機(jī)捕捉到，從而區(qū)分每個主動發(fā)光體的編號，增加識別度和精度（理論上，目前還大幅受限于硬件等因素）
安裝
傳統(tǒng)的光學(xué)相機(jī)對光線非常敏感，容易受到各種各樣的影響，現(xiàn)在部分廠商已經(jīng)推出了室外光學(xué)相機(jī)。由于相機(jī)需要覆蓋在多個位置，以對捕捉場景內(nèi)人體上的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行不同方向的追蹤，施工要求很高，全程都需要專業(yè)人員進(jìn)行指導(dǎo)。在一些結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定的場地，可能因?yàn)橄鄼C(jī)抖動影響捕捉效果。
精度
國內(nèi)數(shù)量光學(xué)系統(tǒng)大多是學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室，占地面積30平米左右。光學(xué)系統(tǒng)的位置追蹤精度取決于安裝攝像頭的硬件參數(shù)，以及攝像頭鏡頭可捕捉面積大小。
目前主流的捕捉方案基本都能達(dá)到毫米級誤差精度。人體姿態(tài)的還原則更多需要依賴算法，一般可以到達(dá)0.2度的精度。雖然光學(xué)系統(tǒng)追蹤的是Maker點(diǎn)的絕對位置，但是Maker點(diǎn)碰撞不會導(dǎo)致干擾捕捉結(jié)果。
幀率
光學(xué)像機(jī)的光學(xué)追蹤系統(tǒng)能夠達(dá)到2000幀左右的相機(jī)幀數(shù)率，通過高幀率的捕捉可以很好的對標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行追蹤，解決光點(diǎn)解算的問題，使得捕捉的精度更高，但是經(jīng)過數(shù)據(jù)的算法降噪，除去冗余數(shù)據(jù)，目前最終的有效捕捉數(shù)據(jù)幀率大多在200左右，多的在400左右。
動力學(xué)參數(shù)
人體分析用途的捕捉主要目的通常是關(guān)節(jié)的加速度和速度數(shù)據(jù)。而在最早之前光學(xué)相機(jī)雖然對Maker點(diǎn)的采集實(shí)時度和精度都不低，但是姿態(tài)的算法還原是通過多次求導(dǎo)計(jì)算獲得。如果攝像機(jī)獲得的位置數(shù)據(jù)干擾較大，則計(jì)算過程中也會放大誤差數(shù)據(jù)，導(dǎo)致獲得的加速度、速度測量出現(xiàn)的誤差有較大地偏差。隨著科技的進(jìn)步通過不斷的研發(fā)，現(xiàn)在可以有效的解決這種誤差范圍，提供計(jì)算精度。
遮擋
所有基于光學(xué)的系統(tǒng)，不論是激光、紅外或者計(jì)算機(jī)視覺等，大的問題都來源于遮擋問題。
由于Maker點(diǎn)的捕捉存在死角，例如雙人，或者場地中需要增加實(shí)物捕捉導(dǎo)致光點(diǎn)追蹤丟失。一旦攝像機(jī)丟失Maker點(diǎn)位置，就會出現(xiàn)嚴(yán)重的姿態(tài)漂移扭曲等現(xiàn)象，現(xiàn)在的算法能對數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)和根據(jù)之前數(shù)據(jù)做預(yù)測和模擬來補(bǔ)足，可以彌補(bǔ)這種遮擋導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失問題。
另外就像我們在上面介紹中說的，攝像機(jī)捕捉到的每一個標(biāo)記點(diǎn)都是一模一樣的點(diǎn)，并不能通過編號進(jìn)行區(qū)分。大部分光學(xué)系統(tǒng)依賴剛體（Rigid），也就是將四個或者更多標(biāo)記點(diǎn)形成一個整體，通過對場地中光點(diǎn)的組合與編號，來定位一個更大的物體。
校準(zhǔn)
光學(xué)系統(tǒng)動作捕捉需要兩套標(biāo)定系統(tǒng)，第一是對相機(jī)和場地進(jìn)行標(biāo)定，也就是我們所說的：掃場。另一個則是對人體姿態(tài)進(jìn)行標(biāo)定，通常只要在場地中移除其他Maker點(diǎn)，做對應(yīng)的Pose就可以完成。
二、慣性動作捕捉：
很多客戶通過渠道聯(lián)系到我們咨詢動捕相關(guān)的問題時，喜歡拿光學(xué)和慣性某個參數(shù)直接進(jìn)行比較，但是筆者認(rèn)為，這兩種技術(shù)本身的實(shí)現(xiàn)原理和使用環(huán)境都存在一定的區(qū)別，雖然某些領(lǐng)域有一定交集，但是還是需要從整體上來分析兩種技術(shù)的使用場景。
慣性動作捕捉系統(tǒng)是通過慣性傳感器來捕捉人的關(guān)鍵骨骼旋轉(zhuǎn)信息，你沒看錯，慣性傳感器的加速度計(jì)精度不足以捕捉空間位移信息，所以加速度計(jì)采集的數(shù)據(jù)是不會直接拿來做位移計(jì)算的。每個慣性傳感器可以直接測量XYZ軸的轉(zhuǎn)動量以及加速度，這和光學(xué)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)重建不同，慣性設(shè)備的單個傳感器就是一個“剛體”。
每個慣性傳感器測量單元包含陀螺儀、加速度計(jì)、磁傳感器以及其他數(shù)字信號處理和轉(zhuǎn)化裝置，加速度測量重力向量獲得roll、pitch參考量，磁傳感器通過地磁測量獲得yaw的參考方向（這也是為啥強(qiáng)磁的物體影響慣性捕捉設(shè)備），通過采用陀螺儀傳感器對運(yùn)動進(jìn)行測量，最后這些采集的數(shù)據(jù)同樣是通過算法去還原成人體姿態(tài)的，因此慣性和光學(xué)都會存在一樣的問題，那就是算法導(dǎo)致的誤差。
系統(tǒng)安裝便捷性
慣性設(shè)備的安裝和校準(zhǔn)會比光學(xué)設(shè)備簡單不少，只要一個手提箱+一臺筆記本就是一個完整系統(tǒng)。目前市面的慣性設(shè)備都是綁帶式（類似背背佳那種綁帶+魔術(shù)貼）或者緊身服式。不需要特殊的場地，隨時隨地就可以安裝捕捉，開機(jī)僅10分鐘內(nèi)就可以完成安裝與設(shè)備校準(zhǔn)，非常方便。輸出的動作在軟件直接進(jìn)行可視化還原，也可以導(dǎo)入第三方軟件中同步，進(jìn)行二次開發(fā)等。
精度
慣性設(shè)備是無法直接通過數(shù)據(jù)來還原人體姿態(tài)的，它還需要一個“模型”，也就是我們的人體骨骼模板。他的運(yùn)動可以綁定在任何我們設(shè)置好的骨骼模板上進(jìn)行還原。而慣性傳感器（IMU）的測量精度取決于受到地磁場受干擾，這也是目前慣性設(shè)備較大的缺陷，但是現(xiàn)在很多廠商的抗干擾算法做的都算不錯，如果是短時間內(nèi)，還是可以處理干擾問題的。一般的純慣捕應(yīng)用中測量精度<1°，光學(xué)存在的Maker點(diǎn)位移導(dǎo)致偏差在慣性中也同樣存在，但是由于慣性傳感器采用綁帶綁定在人體上，因此只要處理得當(dāng)，可以更大程度地減少誤差。
采樣率
比較好的慣性設(shè)備采集頻率應(yīng)該在800-1000左右，看上去這個數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光學(xué)。但是其測量的加速度和角速度是直接量，不需要通過計(jì)算，因此不存在計(jì)算產(chǎn)生的誤差。因此慣性獲得的100Hz更新率數(shù)據(jù)價(jià)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于攝像機(jī)獲得的100Hz，慣性設(shè)備需要對后期數(shù)據(jù)處理的量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光學(xué)設(shè)備，這也是慣性人體捕捉的一大優(yōu)勢：不需要相機(jī)和各種線纜，就能通過無線射頻達(dá)到相近的時延。
動力學(xué)參數(shù)
慣性動作捕捉系統(tǒng)可以直接獲得加速度與角速度量，非常適合計(jì)算生物力學(xué)量，是當(dāng)前主流的體育分析和人機(jī)工效分析使用的技術(shù)方案。
標(biāo)記遮擋和不匹配
慣性設(shè)備的數(shù)據(jù)大多都是通過有線（USB/POE）或者無線射頻（WIFI/藍(lán)牙/自有協(xié)議等）與計(jì)算機(jī)進(jìn)行傳輸?shù)�，因而慣性捕捉系統(tǒng)不存在環(huán)境光干擾問題，其次由于慣性捕捉單個傳感器內(nèi)有物理地址和編碼等，所以可以對每個傳感器進(jìn)行編號，使其具有唯一性。但是，由于當(dāng)前我們的日常生活中有大量帶磁設(shè)備以及帶磁環(huán)境，因此慣性設(shè)備使用的時候無法忽視這些設(shè)備產(chǎn)生的影響。
校準(zhǔn)
慣性系統(tǒng)的校準(zhǔn)是一個非常簡單的過程，目前大多數(shù)慣性設(shè)備只需要短時間內(nèi)的動作標(biāo)定就可以完成校準(zhǔn)，標(biāo)定的時間不到10秒。
三、光慣混合捕捉：
由于光學(xué)慣性各有掣肘，但是它們的技術(shù)特點(diǎn)都可以彌補(bǔ)另一方的缺陷。因此不少公司會將慣性和光學(xué)和慣性打包到一起，作為新的動作捕捉方案。這樣不但彌補(bǔ)了光學(xué)場地丟失Maker點(diǎn)追蹤的問題，同樣彌補(bǔ)了慣性在算法還原姿態(tài)時空間位置關(guān)系誤差累計(jì)的問題。
系統(tǒng)安裝便捷性
由于想要同時具備兩個系統(tǒng)的使用優(yōu)勢，因此自然整個前期的施工和布置流程會相對繁瑣。使用上的話，光混設(shè)備的搭建和純光搭建的時間接近，光學(xué)原本的貼點(diǎn)換成了穿戴慣性設(shè)備，整體時間相差不多。
精度
精度上有一個重要的點(diǎn)需要明白，并不是提高了采集的精度，而是提高了姿態(tài)的精度�；趹T性算法的主要問題在于慣性技術(shù)的算法誤差累計(jì)，而基于光學(xué)的姿態(tài)還原問題在于算法計(jì)算過多導(dǎo)致的誤差放大，而光混解決了慣性捕捉的誤差累計(jì)問題，得到了絕對位置信息；同時光學(xué)也不會因?yàn)閬G失Maker點(diǎn)的位置而瞬間產(chǎn)生漂移；并且由于采用慣性為主的采集方式，數(shù)據(jù)運(yùn)算理論上效率更高。
采樣率
理論上，由于木板效應(yīng)，光學(xué)相機(jī)的采樣頻率可以做一定的降頻，但是雖然獲取的數(shù)據(jù)量變少了，同樣幀率輸出數(shù)據(jù)的質(zhì)量卻變高了。同時這種情況下，可以一定程度減小計(jì)算機(jī)和相機(jī)的負(fù)載。
動力學(xué)參數(shù)
毫無疑問，加了絕對位置的光慣混捕捉技術(shù)，在體育訓(xùn)練、醫(yī)療康復(fù)等領(lǐng)域的運(yùn)用上可以符合更多純光或者純慣做不到的應(yīng)用場景。
標(biāo)記遮擋和不匹配
當(dāng)環(huán)境光影響的時候，可以自動切換完慣性動作捕捉。而當(dāng)檢測到光學(xué)環(huán)境的時候，可以矯正慣性捕捉帶來的空間位置偏移，并且由于慣性傳感器可以有ID識別的功能，因此也可以通過算法來進(jìn)一步識別錯誤的情況，而不需要人工干預(yù)。
綜合上面的分析，可以得出結(jié)論：
當(dāng)然，動作捕捉設(shè)備的選擇，還是要根據(jù)自己的實(shí)際需求，只有適合項(xiàng)目和研究方向需求的工具，才是適合的。如果想了解更多相關(guān)信息的，歡迎聯(lián)系交流。
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