自動捕抓裝置

㈠ 動作捕捉儀的機械式捕捉

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桿組成，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桿的長度，可以得出桿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，剛性連桿也可以換成長度可變的伸縮桿，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桿構成一個可調姿態的數字模型，其形狀可以模擬人體，也可以模擬其他動物或物體。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。
機械式運動捕捉的一種應用形式是將欲捕捉的運動物體與機械結構相連，物體運動帶動機械裝置，從而被感測器實時記錄下來。X-Ist的FullBodyTracker是一種頗具代表性的機械式運動捕捉產品。
這種方法的優點是成本低，精度也較高，可以做到實時測量，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。而猴子較難用於連續動作的實時捕捉，需要操作者不斷根據劇情要求調整猴子的姿勢，很麻煩，主要用於靜態造型捕捉和關鍵幀的確定。 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。Logitech、SAC等公司都生產超聲波運動捕捉設備。
這類裝置成本較低，但對運動的捕捉有較大延遲和滯後，實時性較差，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。 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、接收感測器和數據處理單元組成。發射源在空間產生按一定時空規律分布的電磁場；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數據處理單元相連，見圖2和圖3所示。
表演者在電磁場內表演時，接收感測器將接收到的信號通過電纜傳送給處理單元，根據這些信號可以解算出每個感測器的空間位置和方向。Polhemus公司和Ascension公司均以生產電磁式運動捕捉設備而著稱。目前這類系統的采樣速率一般為每秒15～120次（依賴於模型和感測器的數量），為了消除抖動和干擾，采樣速率一般在15Hz以下。對於一些高速運動，如拳擊、籃球比賽等，該采樣速度還不能滿足要求。電磁式運動捕捉的優點首先在於它記錄的是六維信息，即不僅能得到空間位置，還能得到方向信息，這一點對某些特殊的應用場合很有價值。其次是速度快，實時性好，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。系統的允許表演范圍比光學式要小，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。 光學式運動捕捉通過對目標上特定光點的監視和跟蹤來完成運動捕捉的任務。目前常見的光學式運動捕捉大多基於計算機視覺原理。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。 MotionAnalysis公司是該領域的佼佼者。
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范圍。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志或發光點，稱為Marker，視覺系統將識別和處理這些標志，如圖4所示。系統定標後，相機連續拍攝表演者的動作，並將圖像序列保存下來，然後再進行分析和處理，識別其中的標志點，並計算其在每一瞬間的空間位置，進而得到其運動軌跡。為了得到准確的運動軌跡，相機應有較高的拍攝速率，一般要達到每秒60幀以上。
如果在表演者的臉部表情關鍵點貼上Marker，則可以實現表情捕捉，如圖5所示。目前大部分表情捕捉都採用光學式。
有些光學運動捕捉系統不依靠Marker作為識別標志，例如根據目標的側影來提取其運動信息，或者利用有網格的背景簡化處理過程等。目前研究人員正在研究不依靠Marker，而應用圖像識別、分析技術，由視覺系統直接識別表演者身體關鍵部位並測量其運動軌跡的技術，估計將很快投入實用。
光學式運動捕捉的優點是表演者活動范圍大，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。其采樣速率較高，可以滿足多數高速運動測量的需要。Marker可按實際需求增置采購，便於擴充。
這種方法的缺點是系統價格昂貴，雖然它可以捕捉實時運動，但後處理（包括Marker的識別、跟蹤、空間坐標的計算）的工作量較大，對於表演場地的光照、反射情況有一定的要求，裝置定標也較為煩瑣。特別是當運動復雜時，不同部位的Marker有可能發生混淆、遮擋，產生錯誤結果，這時需要人工干預後處理過程。