VR慣性式動作捕捉系統解析及典型方案

　　虛擬現實成為了目前最受關注的智能設備，為了帶來良好的體驗，VR設備對硬件提出了更高的要求，傳感器就是其中關鍵的一部分。虛擬現實中的傳感設備主要包括兩部分：一部分用于人機交互而穿戴于操作者身上的立體頭盔顯示器、數據手套、數據衣等，另一部分是用于正確感知而設置在現實環境中的各種視覺、聽覺、觸覺、力覺等。

　　用戶想要真正“進入”虛擬世界，動作捕捉系統是必須的，本文將帶來慣性式動作捕捉系統的解析以及國內外的解決方案。

　　目前動作捕捉系統有慣性式和光學式兩大主流技術路線，慣性式在光學式之后出現，但成本低廉、處理流程簡便成熟、完全實時的數據計算和回傳機制，讓慣性式動作捕捉系統成為了炙手可熱的技術。

　　組成：

　　動作捕捉系統的一般性結構主要分為三個部分：

　　數據采集設備

　　數據傳輸設備

　　數據處理單元

　　慣性式動作捕捉系統即是將慣性傳感器應用到數據采集端，數據處理單元通過慣性導航原理對采集到的數據進行處理，從而完成運動目標的姿態角度測量。

　　實現流程：

　　在運動物體的重要節點佩戴集成加速度計，陀螺儀和磁力計等慣性傳感器設備，傳感器設備捕捉目標物體的運動數據，包括身體部位的姿態、方位等信息，再將這些數據通過數據傳輸設備傳輸到數據處理設備中，經過數據修正、處理后，最終建立起三維模型，并使得三維模型隨著運動物體真正、自然地運動起來。經過處理后的動捕數據，可以應用在動畫制作，步態分析，生物力學，人機工程等領域。

　　傳感器如何工作？

　　加速計：用來檢測傳感器受到的加速度的大小和方向的，它通過測量組件在某個軸向的受力情況來得到結果，表現形式為軸向的加速度大小和方向（XYZ），但用來測量設備相對于地面的擺放姿勢，則精確度不高，該缺陷可以通過陀螺儀得到補償。

　　陀螺儀：工作原理是通過測量三維坐標系內陀螺轉子的垂直軸與設備之間的夾角，并計算角速度，通過夾角和角速度來判別物體在三維空間的運動狀態。它的強項在于測量設備自身的旋轉運動，但不能確定設備的方位。

　　磁力計：磁力計又剛好可以彌補上面陀螺儀的那個缺陷，它的強項在于定位設備的方位，可以測量出當前設備與東南西北四個方向上的夾角。

　　通俗來講，陀螺儀知道我們是否轉了身，加速度計知道我們運動多長距離，而磁力計則知道我們的運動方向。在動作捕捉系統中，這三類傳感器需要充分利用各自的特長，來跟蹤目標物體的運動。

　　三大優勢：

　　1.技術優勢

　　慣性式動作捕捉系統采集到的信號量少，便于實時完成姿態跟蹤任務，解算得到的姿態信息范圍大、靈敏度高、動態性能好；對捕捉環境適應性高，不受光照、背景等外界環境干擾，并且克服了光學動捕系統攝像機監測區域受限的缺點；克服了VR設備常有的遮擋問題，可以準確實時地還原如下蹲、擁抱、扭打等動作。此外，慣性式動作捕捉系統還可以實現多目標捕捉。

　　2.使用便捷

　　使用方便，設備小巧輕便，便于佩戴。

　　3.成本優勢

　　相比于光學動作捕捉，慣性式動作捕捉系統成本低廉，使得其不但可以應用于影視、游戲等行業，也有利于推動VR設備更快的走進大眾生活。

　　國內外典型解決方案：

　　一、荷蘭Xsens MVN慣性式動作捕捉系統

　　MVN是Xsens公司開發的一款便攜式全身動作捕捉解決方案，無需使用攝像機即可對人體動作進行捕捉，具有靈活性強的特點，無論在室內室外均可使用。MVN動作捕捉流程不用進行過多的調節，避免了信號阻擋或者標記物丟失的問題。MVN采用先進的微型慣性傳感器、生物力學模型、以及傳感器融合算法。

　　Xsens MVN動作捕捉解決方案配有慣性傳感器，可以安裝在全身萊卡捕捉服上，也可以安裝在捕捉帶上使用。Xsens MVN不采用攝像頭，不會對測試人員的行動造成任何限制，是一套具有極強靈活性的便攜式動作捕捉系統，同時適用于室內和室外工作環境。該產品避免了信號阻擋或者標記物混淆的問題，節省了捕捉數據清理工作花費的時間。MVN簡單易用，校準迅速，可以用15分鐘安裝完畢并馬上投入使用。

　　應用范圍

　　適用于3D角色動作、虛擬現實訓練與模擬應用、體育運動科學分析、生物力學、醫療與復健、營銷活動、娛樂、Visual Jockey、人體工程學、人機工程設計、仿真培訓、科研，教育等多領域。

　　 技術特征

　　不采用攝像頭，不會對測試人員的行動造成任何限制

　　MVN Studio軟件可以在屏幕上實時顯示圖像

　　具有極強靈活性，同時適用于室內和室外工作環境

　　Xsens MVN可提供整潔流暢的數據，節省了80%的后期處理時間

　　二、美國3DSuit慣性式動作捕捉系統

　　3DSuit是一套慣性動作捕捉套裝。該產品融合了導航系統和角定位系統，還配有Inertial Labs OSv3慣性傳感器，可將動作數據傳輸至PC機。 Joints II算法可以處理這些數據并實時計算出各身體部位的位置和運動方向。

　　 應用范圍

　　適用于虛擬現實、醫學研究、體育、教育、互動游戲等諸多領域。

　　技術特征

　　3DSuit可由動畫制作員自行操作，無需任何輔助

　　不需要攝像機、發射器、標記物或特殊設施進行動作捕捉

　　記錄前無需鋪設特殊裝置，無需進行長時間校準

　　不會出現由標記物閉塞而造成的數據損失

　　無需進行操作前培訓

　　3DSuit軟件安裝十分簡單，所需要時間不超過啟動電腦的時間

　　三、中國PERCEPTION NEURON

　　Neuron動捕系統是高性能動作捕捉系統。這個高度模塊化的系統基于Neuron傳感器：全世界最小的，集成了加速度計、陀螺儀以及磁力計的慣性測量傳感器節點。這套系統的強大之處不僅僅是因為這枚性能優秀的超小型傳感器，Neuron研發團隊對于數據融合、人體動力學和物理法則的深刻理解讓捕捉流暢、自然與低延遲的人體動作成為可能。
　　Perception Neuron系統可將其設計為可以任意配置：可以將Neuron傳感器安裝到需要的地方，從而讓整套系統可以支持從3到32個節點，捕捉單純的手臂運動直到全身并且包括手指的運動。

　　特性

　　NEURON傳感器節點

　　尺寸： 12.5mm x 13.1mm x 4.3mm*

　　動態范圍： 360 度

　　加速度測量范圍： ±16g

　　角速度測量范圍： ±2000 dps

　　精度： 0.02 度

　　靜態精度

　　橫滾角： 《 1 度

　　俯仰角： 《 1 度

　　航向角： 《 2 度

　　HUB主節點

　　尺寸： 59mm x 41mm x 23mm

　　最大支持節點數： 32

　　數據輸出： USB 2.0， WIFI 或 Micro-SD卡記錄

　　數據輸出幀率： 32節點時為60 fps， 18節點時為120 fps

　　電源： USB外接電源

　　四、中國StepVR

　　StepVR是G-Wearables于2015年9月16日發布的一套全沉浸式的交互虛擬現實設備。這套設備由搭載手部姿態識別技術的頭戴顯示器、全身動作捕捉設備、背包式中央處理器，以及空間定位系統組成，可以將真實世界里的人整體映像到虛擬世界中，讓使用者可以在虛擬空間里以自然的狀態行走、觸摸拾起物體、與其他使用者互動。

特性

　　StepMocap 動作捕捉技術

　　實時精準動作捕捉系統

　　有線及無線均可實現

　　無需校準，穿戴方便

　　高精度，低成本

　　StepPosition 室內激光定位技術

　　允許多人參與，精準實時定位

　　精度高達1mm

　　刷新率高達80赫茲

　　低延遲，低成本

　　方便擴展

　　手部姿態識別

　　基于TOF深度攝像頭的解決方案

　　不受日光或環境光線影響

　　可識別角度達到水平110度，垂直90度，距離范圍在20-120cm之內

　　可識別多種復雜手勢，使用者在不帶手套情況下即可實現自由交互和操作