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光學動作捕捉系統原理

NOKOV度量光學動作捕捉系統是以紅外光學為原理的動作捕捉系統,相較於慣性原理動作捕捉系統,GPS定位系統等定位手段,具有精度高、延遲低、實時性強、多用於室內場景等特點,系統建立過程可分為系統搭建,資料採集與傳輸,資料識別與處理三部分。

1系統搭建

1.1場地搭建

一套光學動作捕捉系統由紅外光學鏡頭、動作捕捉軟體、反光標誌點、POE交換機、線纜、標定框、以及三腳架等鏡頭固定裝置組成。

首先將紅外光學鏡頭通過三腳架、夾具等鏡頭固定裝置佈置在場地周圍,確保鏡頭視野能夠覆蓋捕捉區域,然後將所有鏡頭通過網線連線到POE交換機。鏡頭通過POE交換機進行供電和資料傳輸,並連線到電腦中的動作捕捉軟體。軟體啟動後,先在頁面中實時模式操作連線上動作捕捉鏡頭。

1.2場地標定

系統軟硬體搭建並相互連線成功後,下一步就是場地的標定,分為“L”形標定與“T”形標定。其作用在於給動作捕捉區域建立XYZ座標系,計算每個鏡頭在座標系中的位置和姿態,只有完成標定後,才可以正確獲取到場地中各個Marker點的三維座標資料。

L形標定通過將“L”形標定杆置於場地中央,在軟體中進行相應設定來完成,其目的有兩個:首先是確定統一的座標系,通過對“L”形杆上四個點的定位,系統可區分出其長軸與短軸,從而定義出世界座標軸的朝向和原點位置,其次,這一過程能夠給看到L杆的鏡頭一個初始引數,作為後面引數尋優的初值。

T形標定的作用是給每個鏡頭足夠的資料,使其能夠在原有初值的基礎上進行一個引數的迭代尋優。在這一過程,軟體處於“T”形標定模式,操作人員手持“T”形杆在場地中進行揮動,鏡頭實時捕捉大量資料。

2資料採集與傳輸

2.1資料採集

完成標定後,即可進行被捕捉物空間資料的獲取。在需要定位的人或物體表面貼上反游標記點(一種表面塗有特殊反光物質的銀灰色小球),動作捕捉鏡頭上的LED燈向外發射紅外光,同時接收反游標記點反射回來的紅外光。當多個光學鏡頭同時“看到”一個標記點後,這一標記點在空間中的三維位置就會被確定。

2.2資料傳輸

鏡頭獲取到的反游標記點位置資訊需要實時傳輸到電腦中,以進行資料的處理與使用。在光學動作捕捉系統中,所有鏡頭通過網線與交換機相連,當鏡頭獲取到反游標記點空間位置資訊後,這些資訊會通過網線傳輸到交換機,再由交換機統一傳輸到相連的電腦中,並實時被動作捕捉軟體接收。

3資料識別與處理

軟體獲取到多個反游標記點的三維空間位置後,下一步是進行物體的識別。在同一物體表面貼有多個反游標記點,這些特定點之間的距離是不變的,因而,對同一物體上貼有的有的點進行命名,並將點之間用線進行連線,表示兩點間的相互關係,這一組點名稱與連線資訊在軟體中被操作記錄為一組Markerset。當具有這組Markerset資訊的物體出現在場地中時,即被系統識別為一個獨立物體。

一些人體動作捕捉需要大量貼點捕捉資料,有專門的貼點模型供選擇使用,根據所提供的貼點模型,在人體固定位置貼上反游標記點,並在軟體中進行點的識別、連線與骨骼繫結。

當系統能夠實時識別被捕捉物後,一個完整的光學動作捕捉系統就已建立完成,接下來可直接進行動作捕捉,捕捉得到的模型資料還可實時根據效果在軟體中進行調整與矯正。根據不同領域方向的需要,光學動作捕捉系統還可實現與測力臺等裝置同步進行運動與測力資料捕捉、連線三維軟體進行虛擬人物生成等操作。