动作捕捉技术在虚拟现实与人工智能中的应用

为了实现和虚拟现实世界中场景与人物之间的自然交互，我们需要捕捉人体的基本动作，包括手势、身体运动等。实现手势识别和动作捕捉的主流技术分为两大类，一类是光学动作捕捉，一类非光学动作捕捉。光学动作捕捉包括主动光学捕捉和被动光学捕捉，而非光学动作捕捉技术则包括惯性动作捕捉、机械动作捕捉、电磁动作捕捉甚至超声波动作捕捉。而从动作捕捉的范围来看，又分为手势识别、表情捕捉和身体动作捕捉三大类。

典型的动作捕捉系统包括几个组成部分，如传感器、信号捕捉设备、数据传输设备和数据处理设备。通过不同技术实现的动作捕捉设备各有优缺点，可以从几个方面来评价：定位精度，实时性，方便程度，可捕捉的动作范围大小，抗干扰性，多目标捕捉能力等。

在众多动作捕捉技术中，机械式动作捕捉技术的成本低，精度也较高，但使用起来非常不方便。超声波式运动捕捉装备成本较低，但是延迟比较大，实时性较差，精度也不是很高，目前使用的比较少。电磁动作捕捉技术比较常见，一般由发射源、接收传感器和数据处理单元构成。发射源用于产生按一定规律分布的电磁场，接收传感器则安置在演员的关键位置，随着演员的动作在电磁场中运作，并通过有线或无线方式和数据传输单元相连。电磁式动作捕捉技术的缺点是对环境要求严格，活动限制大。

惯性动作捕捉技术也是比较主流的动作捕捉技术之一。其基本原理是通过惯性导航传感器和IMU（惯性测量单元）来测量演员动作的加速度、方位、倾斜角等特性。惯性动作捕捉技术的特点是不受环境干扰，不怕遮挡，采样速度高，精度高。2015年10月由奥飞动漫参与B轮投资的诺亦腾就是一家提供惯性动作捕捉技术的国内科技创业公司，其动作捕捉设备曾用在2015年最热门的美剧《冰与火之歌：权力的游戏》中，并帮助该剧勇夺第67届艾美奖的“最佳特效奖”。

光学动作捕捉技术最常见，基本的原理是通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成动作捕捉的任务，通常基于计算机视觉原理。典型的光学式动作捕捉系统需要若干个相机环绕表演场地，相机的视野重叠区就是演员的动作范围。演员需要在身体的关键部位，如脸部、关节、手臂等位置贴上特殊的标志，也就是“Marker”，视觉系统将识别和处理这些标志。当然，现在已经出现了不需要“Marker”标志点的光学动作捕捉技术，由视觉系统直接识别演员的身体关键位置及其运动轨迹。光学动作捕捉技术的特点是演员活动范围大，而且采样速率较高，适合实时动作捕捉，但是系统成本高，而且后期处理的工作量比较大。

从目前的情况看，并不存在一种堪称完美的动作捕捉技术。最经常使用动作捕捉技术的莫过于游戏、动画和电影行业了。早在1994年，Sega就在Virtual Fighter 2这款游戏中使用动作捕捉刻画游戏人物的动作。到了1995年，很多游戏开发公司开始使用动作捕捉技术，Acclaim Entertainmen甚至在总部弄了个动作捕捉工作室。南梦宫在《魂之利刃》这款3D格斗游戏中使用了被动光学动作捕捉系统。游戏的开场动画完全摆脱传统计算机人物模型的生涩僵硬动作，人物动作自然流畅，令人眼前一亮。(www.xing528.com)

除了游戏公司热衷于使用动作捕捉技术，好莱坞的大导演们也喜欢用这种技术来打造完美的CG效果，部分甚至完全取代了手绘动画。采用动作捕捉技术打造的经典人物形象包括《指环王》中的咕噜、《金刚》中的金刚、《加勒比海盗》中的Davy Jones、《阿凡达》中的纳威人、《创：战纪》中的Clu。当然，在影片《霍比特人：意外之旅》中的哥布林、食人妖、半兽人和巨龙史矛革等，也都是通过人体动作捕捉技术来塑造的经典形象。

《辛巴达：穿越迷雾》是首部主要使用动作捕捉打造的电影，而《指环王：双塔奇谋》则是首部使用实时动作捕捉系统的电影。通过实时动作捕捉，演员Andy Serkis的动作被完美呈现在计算机生成的咕噜身上。

从2001年开始，动作捕捉被广泛应用在拍摄具有照片级真实度的数字人物形象上。其中令人印象最深刻的莫过于《阿凡达》中的纳威人形象了。该电影使用Autodesk Motion Builder软件来生成人物角色在电影中的实际形象，从而大大提高了拍摄的效率。在2016年初上映的著名科幻电影《星球大战7》中，也采用动作捕捉技术让里面千奇百怪的外星种族战斗有栩栩如生的表现。

此外，2015年11月苹果收购的Faceshift就是一家提供实时面部表情识别和捕捉系统解决方案的公司，该公司的技术也在《星球大战》系列电影中得到了使用。