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光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉是如何工作的？

文章來源： 作者： 發(fā)布時(shí)間：2025年01月26日 點(diǎn)擊數(shù)： 次

光學(xué)傳感

光學(xué)傳感涵蓋了多種多樣的技術(shù),?；趫D像的系統(tǒng)通過使用多個(gè)攝像頭跟蹤受試者身體部位上的預(yù)定點(diǎn)（標(biāo)記）來確定位置，并與特定的骨骼標(biāo)志對(duì)齊,。通過使用工作體積的多個(gè) 2D 圖像來估計(jì)位置,。立體測(cè)量技術(shù)將每個(gè)圖像中跟蹤對(duì)象上的公共跟蹤點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來，并使用此信息以及有關(guān)每個(gè)圖像和相機(jī)參數(shù)之間關(guān)系的知識(shí)來計(jì)算位置,。標(biāo)記可以是被動(dòng)的（反射）或主動(dòng)的（發(fā)光）,。反射系統(tǒng)使用安裝在相機(jī)鏡頭周圍的紅外 (IR) LED，以及放置在相機(jī)鏡頭上方的紅外通濾光片,，并測(cè)量從標(biāo)記反射的光,。

光學(xué)系統(tǒng)

基于脈沖LED的光學(xué)系統(tǒng)測(cè)量放置在身體部位上的LED發(fā)出的紅外光。此外,，無需標(biāo)記即可使用攝像機(jī)跟蹤自然物體,，但通常不太準(zhǔn)確,。它主要基于用于模式識(shí)別的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，通常需要大量計(jì)算資源,。結(jié)構(gòu)化光系統(tǒng)使用激光或光束來創(chuàng)建掃過圖像的光平面,。它們更適合測(cè)繪應(yīng)用，而不是動(dòng)態(tài)跟蹤人體運(yùn)動(dòng),。每當(dāng)所需的光路被阻擋時(shí),，光學(xué)系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)遮擋（視線）問題。來自其他光源或反射的干擾也可能是一個(gè)問題,，這會(huì)導(dǎo)致所謂的鬼影標(biāo)記,。
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光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉主要通過光學(xué)傳感器對(duì)目標(biāo)物體上的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析,，來實(shí)現(xiàn)對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的捕捉,，以下是其工作原理的具體介紹：

標(biāo)記點(diǎn)設(shè)置

? 主動(dòng)式標(biāo)記點(diǎn)：一般內(nèi)置發(fā)光元件，如LED,，能主動(dòng)發(fā)出特定波長(zhǎng)的光,，可通過控制發(fā)光頻率等方式進(jìn)行編碼，便于系統(tǒng)識(shí)別,。

? 被動(dòng)式標(biāo)記點(diǎn)：自身不發(fā)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(jī)發(fā)出的光反射回?cái)z像機(jī),，易于與背景區(qū)分。

攝像機(jī)標(biāo)定

? 確定參數(shù)：需對(duì)攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,。內(nèi)部參數(shù)包括焦距,、主點(diǎn)位置、鏡頭畸變系數(shù)等,；外部參數(shù)指攝像機(jī)在世界坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài),，如平移向量和旋轉(zhuǎn)矩陣。

? 常用方法：常使用張正友標(biāo)定法等,，通過拍攝已知尺寸和形狀的標(biāo)定板圖像,，利用圖像處理算法提取標(biāo)定板上的特征點(diǎn)，根據(jù)特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)和世界坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,，計(jì)算出攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù),。

圖像采集

? 布置攝像機(jī)：根據(jù)捕捉場(chǎng)景和精度需求，在被捕捉物體周圍合理布置多個(gè)攝像機(jī),，確保物體運(yùn)動(dòng)時(shí)標(biāo)記點(diǎn)能被多個(gè)攝像機(jī)同時(shí)拍攝到,。

? 采集圖像：攝像機(jī)以一定幀率連續(xù)拍攝包含標(biāo)記點(diǎn)的物體運(yùn)動(dòng)圖像，幀率越高，捕捉運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)越準(zhǔn)確,，如高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景常需100fps以上幀率,。

數(shù)據(jù)處理

? 特征提取：對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理,，利用圖像處理算法提取標(biāo)記點(diǎn)的圖像坐標(biāo),，如采用閾值分割、邊緣檢測(cè),、形態(tài)學(xué)操作等方法,，將標(biāo)記點(diǎn)從背景中分離出來，再通過質(zhì)心計(jì)算等方法確定標(biāo)記點(diǎn)的精確位置,。

? 立體匹配：針對(duì)不同攝像機(jī)拍攝到的同一標(biāo)記點(diǎn)圖像,，通過立體匹配算法找到它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如基于特征的匹配算法,，先提取標(biāo)記點(diǎn)的特征描述子,，再通過計(jì)算特征描述子的相似度來確定對(duì)應(yīng)關(guān)系。

? 三維重建：根據(jù)多個(gè)攝像機(jī)拍攝到的標(biāo)記點(diǎn)的圖像坐標(biāo)及攝像機(jī)的標(biāo)定參數(shù),，采用三角測(cè)量等方法計(jì)算標(biāo)記點(diǎn)的三維坐標(biāo),，進(jìn)而得到標(biāo)記點(diǎn)在空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡,，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的捕捉,。

數(shù)據(jù)輸出與應(yīng)用

? 輸出數(shù)據(jù)：將處理后的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以特定格式輸出，如C3D,、BVH等格式,，便于導(dǎo)入到動(dòng)畫制作軟件、虛擬現(xiàn)實(shí)軟件等中,。

? 應(yīng)用領(lǐng)域：在影視制作中,，可為角色動(dòng)畫制作提供真實(shí)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；在游戲開發(fā)中,，能實(shí)現(xiàn)更逼真的角色動(dòng)作,；在體育訓(xùn)練里，可幫助運(yùn)動(dòng)員分析動(dòng)作,，提升訓(xùn)練效果,。