光学动作捕捉与惯性技术动作捕捉的比较 光学惯性混合捕捉系统

随着基于MEMS技术的微型加速度计和陀螺仪等惯性传感器的出现，使得很多动作捕捉与运动追踪与应用成为可能，惯性运动追踪技术使用惯性传感器配合先进的传感器数据融合算法，创造一种无需摄像机的人体动作捕捉系统。在以下的介绍中，简单的比较传统的基于摄像机的动作捕捉系统与惯性动作捕捉系统的区别。

一、光学动作捕捉：
基于摄像机的动作捕捉系统是人体动作捕捉的行业标准。一个典型的系统由一组摄像机与数据处理服务器组成，大多数采用8个安装在工作空间的墙体上摄像头追踪安装在人体身上的反射标记，捕捉过程中需要保证光点在摄像机可以看到的空间内。通过多个摄像机在不同的位置得到标记在人体上的光点位置推断在三维空间中的位置变化进行动作捕捉。

安装
由于光学摄像机都光线非常敏感，需要特定的房间内进行操作，并且需要多个摄像机悬挂起来，以对人体上的标记点进行不同方向的追踪，整个过程安装过程繁琐，施工要求很高，全程都需要专业人员进行指导。

精度
虽然光学系统的位置追踪精度取决于摄像头的数量和捕捉空间场地的面积等因素，典型的捕捉方案能够到达的均方根差都小于1毫米，关节角度的精度的取决于特定的身体位置标记，手臂和腿的部分很容易获得，一般可以到达0.2度的精度。虽然光学系统可以很好的描述的标记点的位置，但是皮肤与骨骼之前的相对滑动增加很大的误差。

帧率
虽然基于摄像机的光学追踪系统能够捕捉的速度超过2000Hz，通过高帧率的捕捉可以很好的对标记点进行追踪，解决光点解算的问题，使得捕捉的精度更高，但是经过必要的处理，除去冗余数据，最终的有效捕捉数据帧率常常在100Hz～400赫兹。

灵活性
基于摄像机的光学追踪系统采用的多个摄像机跟踪标记点位置变化进行运动捕捉，这是非常灵活的方式，更多的标记点可以放置在需要跟踪的物体上，例如身体背部、用户可以尽可能多的标记点进行动作捕捉。事实上，因为系统仅仅对标记点的位置进行动作捕捉，所以可以对任何物体的运动进行追踪，不仅不仅局限在人体的运动。对每一个标记点的转动量进行测量需要特殊的数学方法，并且取决于摄像机与标记点之间的位置关系。

动力学参数
对于人体运动捕捉经常需要获得关节的加速度和速度数据。采用基于摄像机的光学追踪系统仅仅是追踪到标记点的位置信息，如果需要获得速度与加速度就需要对其进行一次和二次求导计算。但是，通过摄像机获得的位置数据噪声很大，求导会对噪声起到放大的作用，导致获得的加速度、速度测量出现的误差很大。

标记点遮挡和不匹配
采用基于摄像机的光学系统在动作捕捉方面最大的问题是标记点的遮挡。标记点遮挡是指摄像机不能看到需要捕捉的光学标记点。如果摄像机看不到标记点,那么这个点的位置信息就会丢失。虽然可以采用冗余的标记点弥补，但仍然是一个非常严重的问题，尤其是多人进行动作捕捉时候。

摄像机看到的每一个标记点都是一样的点，不能够进行区分，这样就会造成标记点的不匹配，也就是错位，虽然系统在一定程度上能区分识别每一个标记，但还是会混淆，摄像机的对某一位置的标记点标记为X，获得的下一帧图像最为接近这个点的标记被预测估计为X标记，这种方式区别不同的标记点非常受限，在很短的时间内，捕捉系统就会混淆的不同的标记点，当标记点不匹配的时候，必须人为的进行干预以获得正确的捕捉数据，这个过程非常耗费时间，也最为繁琐。

校准
标定系统会采用特殊的标记装置进行，一般采用具有光学标记点的WAND在捕捉空间内进行移动，以进行初始标定，因为对人体的动作捕捉，仅仅追踪光学标记点的位置数据，所以不需要更多的校准过程。不过，这一标定方式也需要十多分钟才可以完成。

采用基于摄像机的光学追踪系统优点和缺点
优点：
1、动作捕捉的位置精准度高
2、能够同时捕捉关节转动和位移数据
3、捕捉的灵活性高

缺点：
1、使用空间有限
2、校准时间长
3、对于系统搭建的复杂，需要特殊的基础设备安装，具有一定的施工需求
4、人体模型的拖尾严重
5、标记点丢失与不匹配
6、人体运动的动力学参数数据分辨率不高
7、由于皮肤与骨骼的错位导致测量精度下降
8、成本高

二、惯性动作捕捉：

采用的惯性动作捕捉技术与基于摄像机的光学追踪系统方式技术完全不同。惯性动作捕捉系统包括多个无线运动传感设备组成的网络连接到被安装到捕捉人的身体上。每个传感器可以直接测量三维转动量以及加速度。采用摄像机的动作追踪系统需要三个标记点进行测量转动量，而惯性系统仅需要在骨骼上采用单个传感器就可以完成转动量的测量。

每个惯性传感器测量单元包含陀螺仪、加速度计、磁传感器以及数字信号处理器，加速度测量重力向量获得roll、pitch参考量，磁传感器通过地磁测量获得yaw的参考方向，通过采用陀螺仪传感器对运动进行测量得到动作捕捉数据（所以惯性动作捕捉也被称作陀螺仪动作捕捉系统），通过数字信号处理器对所有的传感器信息的数据融合（sensorfusion），以获得精确、稳定的动作捕捉数据。

系统安装便捷性
惯性传感器设备被内置在莱卡材质中的紧身衣中，捕捉演员穿上衣服就可以进行动作捕捉，没有场地施工的需求，从收到设备到进行捕捉，在仅仅的15分钟内就可以完成安装与校准，非常方便。由于输出的数据就是直接的动作捕捉数据，无需进行二次处理，可以直接与第三方软件集成，实时显示看到最终的捕捉结果。

精度
动作捕捉的测量精度取决于运动速度的快慢以及地磁场受干扰的程度。一般的应用中其测量精度可以达到1度以内，皮肤和骨骼之间的滑动导致的测量误差错误在其他技术中存在的问题，在惯性测量系统中依旧存在，但是由于惯性传感器采用弹力带绑定在人体上，在身体骨骼比较明显的人体上进行测量，可以在一定程度上最大的减少误差。

采样率
采用惯性技术虽然能够获得100Hz的运动数据，尽管比采用摄像机的光学系统系统1000Hz低很多，但是其测量的加速度和角速度是直接量，无需计算获得，所以获得的100Hz更新率数据价值要远远高于摄像机获得的高采样率数据，由于惯性系统获得的100Hz数据是有效的运动数据，使得动作捕捉数据更加流程，减少了冗余数据的处理，减小了后期处理时间。

人体模型的定制
惯性动作捕捉系统是专门为人体的动作捕捉设计的，提供的是17个关节的构成的人体模型，可以根据需要增加传感器数量，获得更多的自由度测量，以及更加流畅的动画效果，并且通过引入非人体的动物模型，可以完成实现非人体的动物模型的动作捕捉，例如猫、狗与马等的动作捕捉。

动力学参数
惯性动作捕捉系统可以直接获得加速度与角速度量，非常适合计算生物力学量。

标记遮挡和不匹配
惯性动作捕捉系统用来测量的运动数据取决于地心引力与地磁场指向，所以标记点的遮挡问题不存在，由于每一个传感器具有唯一的ID标识的安装位置，所以测量点的不匹配也不会出现。但是，由于工作场地内的铁磁性材料的影响会导致地磁场出现畸变，这样会导致测量误差出现。

校准
惯性系统的校准是一个非常简单的过程，最基本的校准只需要捕捉人进行T-Pose站立即可，标定的时间不到20秒就可以完成。

惯性运动追踪系统的优缺点
优点：

1. 没有使用空间的限制
2. 测量的加速度和角速度非常精准
3. 快速的进行安装部署
4. 没有光点遮挡和丢失的问题
5. 人体动作的动态性非常好
6. 成本低

缺点：

1. 由于测量的模型与真实人体的差距，获得绝对的位置数据非常困难，需要借助其他辅助手段
2. 容易受到外界磁场干扰
3. 传感器会由于安装的不牢固导致误差

光学与惯性动作捕捉系统对比总结:

随着基于MEMS技术的微型加速度计和陀螺仪等惯性传感器的出现，使得很多动作捕捉与运动追踪与应用成为可能，惯性运动追踪技术使用惯性传感器配合先进的传感器数据融合算法，创造一种无需摄像机的人体动作捕捉系统。在以下的介绍中，简单的比较传统的基于摄像机的动作捕捉系统与惯性动作捕捉系统的区别。

一、光学动作捕捉：
基于摄像机的动作捕捉系统是人体动作捕捉的行业标准。一个典型的系统由一组摄像机与数据处理服务器组成，大多数采用8个安装在工作空间的墙体上摄像头追踪安装在人体身上的反射标记，捕捉过程中需要保证光点在摄像机可以看到的空间内。通过多个摄像机在不同的位置得到标记在人体上的光点位置推断在三维空间中的位置变化进行动作捕捉。

安装
由于光学摄像机都光线非常敏感，需要特定的房间内进行操作，并且需要多个摄像机悬挂起来，以对人体上的标记点进行不同方向的追踪，整个过程安装过程繁琐，施工要求很高，全程都需要专业人员进行指导。

精度
虽然光学系统的位置追踪精度取决于摄像头的数量和捕捉空间场地的面积等因素，典型的捕捉方案能够到达的均方根差都小于1毫米，关节角度的精度的取决于特定的身体位置标记，手臂和腿的部分很容易获得，一般可以到达0.2度的精度。虽然光学系统可以很好的描述的标记点的位置，但是皮肤与骨骼之前的相对滑动增加很大的误差。

帧率
虽然基于摄像机的光学追踪系统能够捕捉的速度超过2000Hz，通过高帧率的捕捉可以很好的对标记点进行追踪，解决光点解算的问题，使得捕捉的精度更高，但是经过必要的处理，除去冗余数据，最终的有效捕捉数据帧率常常在100Hz～400赫兹。

灵活性
基于摄像机的光学追踪系统采用的多个摄像机跟踪标记点位置变化进行运动捕捉，这是非常灵活的方式，更多的标记点可以放置在需要跟踪的物体上，例如身体背部、用户可以尽可能多的标记点进行动作捕捉。事实上，因为系统仅仅对标记点的位置进行动作捕捉，所以可以对任何物体的运动进行追踪，不仅不仅局限在人体的运动。对每一个标记点的转动量进行测量需要特殊的数学方法，并且取决于摄像机与标记点之间的位置关系。

动力学参数
对于人体运动捕捉经常需要获得关节的加速度和速度数据。采用基于摄像机的光学追踪系统仅仅是追踪到标记点的位置信息，如果需要获得速度与加速度就需要对其进行一次和二次求导计算。但是，通过摄像机获得的位置数据噪声很大，求导会对噪声起到放大的作用，导致获得的加速度、速度测量出现的误差很大。

标记点遮挡和不匹配
采用基于摄像机的光学系统在动作捕捉方面最大的问题是标记点的遮挡。标记点遮挡是指摄像机不能看到需要捕捉的光学标记点。如果摄像机看不到标记点,那么这个点的位置信息就会丢失。虽然可以采用冗余的标记点弥补，但仍然是一个非常严重的问题，尤其是多人进行动作捕捉时候。

摄像机看到的每一个标记点都是一样的点，不能够进行区分，这样就会造成标记点的不匹配，也就是错位，虽然系统在一定程度上能区分识别每一个标记，但还是会混淆，摄像机的对某一位置的标记点标记为X，获得的下一帧图像最为接近这个点的标记被预测估计为X标记，这种方式区别不同的标记点非常受限，在很短的时间内，捕捉系统就会混淆的不同的标记点，当标记点不匹配的时候，必须人为的进行干预以获得正确的捕捉数据，这个过程非常耗费时间，也最为繁琐。

校准
标定系统会采用特殊的标记装置进行，一般采用具有光学标记点的WAND在捕捉空间内进行移动，以进行初始标定，因为对人体的动作捕捉，仅仅追踪光学标记点的位置数据，所以不需要更多的校准过程。不过，这一标定方式也需要十多分钟才可以完成。

采用基于摄像机的光学追踪系统优点和缺点
优点：
1、动作捕捉的位置精准度高
2、能够同时捕捉关节转动和位移数据
3、捕捉的灵活性高

缺点：
1、使用空间有限
2、校准时间长
3、对于系统搭建的复杂，需要特殊的基础设备安装，具有一定的施工需求
4、人体模型的拖尾严重
5、标记点丢失与不匹配
6、人体运动的动力学参数数据分辨率不高
7、由于皮肤与骨骼的错位导致测量精度下降
8、成本高

二、惯性动作捕捉：

采用的惯性动作捕捉技术与基于摄像机的光学追踪系统方式技术完全不同。惯性动作捕捉系统包括多个无线运动传感设备组成的网络连接到被安装到捕捉人的身体上。每个传感器可以直接测量三维转动量以及加速度。采用摄像机的动作追踪系统需要三个标记点进行测量转动量，而惯性系统仅需要在骨骼上采用单个传感器就可以完成转动量的测量。

每个惯性传感器测量单元包含陀螺仪、加速度计、磁传感器以及数字信号处理器，加速度测量重力向量获得roll、pitch参考量，磁传感器通过地磁测量获得yaw的参考方向，通过采用陀螺仪传感器对运动进行测量得到动作捕捉数据（所以惯性动作捕捉也被称作陀螺仪动作捕捉系统），通过数字信号处理器对所有的传感器信息的数据融合（sensorfusion），以获得精确、稳定的动作捕捉数据。

系统安装便捷性
惯性传感器设备被内置在莱卡材质中的紧身衣中，捕捉演员穿上衣服就可以进行动作捕捉，没有场地施工的需求，从收到设备到进行捕捉，在仅仅的15分钟内就可以完成安装与校准，非常方便。由于输出的数据就是直接的动作捕捉数据，无需进行二次处理，可以直接与第三方软件集成，实时显示看到最终的捕捉结果。

精度
动作捕捉的测量精度取决于运动速度的快慢以及地磁场受干扰的程度。一般的应用中其测量精度可以达到1度以内，皮肤和骨骼之间的滑动导致的测量误差错误在其他技术中存在的问题，在惯性测量系统中依旧存在，但是由于惯性传感器采用弹力带绑定在人体上，在身体骨骼比较明显的人体上进行测量，可以在一定程度上最大的减少误差。

采样率
采用惯性技术虽然能够获得100Hz的运动数据，尽管比采用摄像机的光学系统系统1000Hz低很多，但是其测量的加速度和角速度是直接量，无需计算获得，所以获得的100Hz更新率数据价值要远远高于摄像机获得的高采样率数据，由于惯性系统获得的100Hz数据是有效的运动数据，使得动作捕捉数据更加流程，减少了冗余数据的处理，减小了后期处理时间。

人体模型的定制

惯性动作捕捉系统是专门为人体的动作捕捉设计的，提供的是17个关节的构成的人体模型，可以根据需要增加传感器数量，获得更多的自由度测量，以及更加流畅的动画效果，并且通过引入非人体的动物模型，可以完成实现非人体的动物模型的动作捕捉，例如猫、狗与马等的动作捕捉。

动力学参数
惯性动作捕捉系统可以直接获得加速度与角速度量，非常适合计算生物力学量。

标记遮挡和不匹配
惯性动作捕捉系统用来测量的运动数据取决于地心引力与地磁场指向，所以标记点的遮挡问题不存在，由于每一个传感器具有唯一的ID标识的安装位置，所以测量点的不匹配也不会出现。但是，由于工作场地内的铁磁性材料的影响会导致地磁场出现畸变，这样会导致测量误差出现。

校准
惯性系统的校准是一个非常简单的过程，最基本的校准只需要捕捉人进行T-Pose站立即可，标定的时间不到20秒就可以完成。

惯性运动追踪系统的优缺点
优点：

1. 没有使用空间的限制
2. 测量的加速度和角速度非常精准
3. 快速的进行安装部署
4. 没有光点遮挡和丢失的问题
5. 人体动作的动态性非常好
6. 成本低

缺点：

1. 由于测量的模型与真实人体的差距，获得绝对的位置数据非常困难，需要借助其他辅助手段
2. 容易受到外界磁场干扰
3. 传感器会由于安装的不牢固导致误差

光学与惯性动作捕捉系统对比总结: