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光學運動捕捉是如何工作的?

文章來源: 作者: 發布時間:2025年01月26日 點擊數: 字號:

光學傳感

光學傳感涵蓋了多種多樣的技術。基于圖像的系統通過使用多個攝像頭跟蹤受試者身體部位上的預定點(標記)來確定位置,并與特定的骨骼標志對齊。通過使用工作體積的多個 2D 圖像來估計位置。立體測量技術將每個圖像中跟蹤對象上的公共跟蹤點關聯起來,并使用此信息以及有關每個圖像和相機參數之間關系的知識來計算位置。標記可以是被動的(反射)或主動的(發光)。反射系統使用安裝在相機鏡頭周圍的紅外 (IR) LED,以及放置在相機鏡頭上方的紅外通濾光片,并測量從標記反射的光。

光學系統

基于脈沖LED的光學系統測量放置在身體部位上的LED發出的紅外光。此外,無需標記即可使用攝像機跟蹤自然物體,但通常不太準確。它主要基于用于模式識別的計算機視覺技術,通常需要大量計算資源。結構化光系統使用激光或光束來創建掃過圖像的光平面。它們更適合測繪應用,而不是動態跟蹤人體運動。每當所需的光路被阻擋時,光學系統就會出現遮擋(視線)問題。來自其他光源或反射的干擾也可能是一個問題,這會導致所謂的鬼影標記。
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光學運動捕捉主要通過光學傳感器對目標物體上的標記點進行監測和分析,來實現對物體運動的捕捉,以下是其工作原理的具體介紹:

標記點設置

? 主動式標記點:一般內置發光元件,如LED,能主動發出特定波長的光,可通過控制發光頻率等方式進行編碼,便于系統識別。

? 被動式標記點:自身不發光,靠反射外部光源工作,通常是表面反射率高的球形或圓形,能將攝像機發出的光反射回攝像機,易于與背景區分。

攝像機標定

? 確定參數:需對攝像機的內部參數和外部參數進行標定。內部參數包括焦距、主點位置、鏡頭畸變系數等;外部參數指攝像機在世界坐標系中的位置和姿態,如平移向量和旋轉矩陣。

? 常用方法:常使用張正友標定法等,通過拍攝已知尺寸和形狀的標定板圖像,利用圖像處理算法提取標定板上的特征點,根據特征點的圖像坐標和世界坐標的對應關系,計算出攝像機的內外參數。

圖像采集

? 布置攝像機:根據捕捉場景和精度需求,在被捕捉物體周圍合理布置多個攝像機,確保物體運動時標記點能被多個攝像機同時拍攝到。

? 采集圖像:攝像機以一定幀率連續拍攝包含標記點的物體運動圖像,幀率越高,捕捉運動細節越準確,如高速運動場景常需100fps以上幀率。

數據處理

? 特征提取:對采集的圖像進行處理,利用圖像處理算法提取標記點的圖像坐標,如采用閾值分割、邊緣檢測、形態學操作等方法,將標記點從背景中分離出來,再通過質心計算等方法確定標記點的精確位置。

? 立體匹配:針對不同攝像機拍攝到的同一標記點圖像,通過立體匹配算法找到它們之間的對應關系,如基于特征的匹配算法,先提取標記點的特征描述子,再通過計算特征描述子的相似度來確定對應關系。

? 三維重建:根據多個攝像機拍攝到的標記點的圖像坐標及攝像機的標定參數,采用三角測量等方法計算標記點的三維坐標,進而得到標記點在空間中的運動軌跡,實現對物體運動的捕捉。

數據輸出與應用

? 輸出數據:將處理后的運動數據以特定格式輸出,如C3D、BVH等格式,便于導入到動畫制作軟件、虛擬現實軟件等中。

? 應用領域:在影視制作中,可為角色動畫制作提供真實的運動數據;在游戲開發中,能實現更逼真的角色動作;在體育訓練里,可幫助運動員分析動作,提升訓練效果。

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