光学捕捉技术范例(3篇)

光学捕捉技术范文篇1

实现这一切的光学动作捕捉设备最少需要上百万元人民币。对于大多数中小型影视制作公司来说，如此高昂的价格实在无法承受。

一家名叫“诺亦腾”的中国创业公司，却将一套的动作捕捉设备的价格降到了9.8万元，相当于过去动作捕捉产品的1/10。诺亦腾的产品定价让动画特效制作的资金门槛瞬间降低，特效制作不再是大公司的“特权”，中小型影视制作公司也能够开始涉足这一领域。

和传统的光学动作捕捉设备不同，诺亦腾的动作捕捉设备通过传感器实现。诺亦腾分为全身和手部套件，用户可以自由组合，最多能够达到30个传感器节点。用户在全身和手掌关节的关键节点绑上指甲盖大小的红色动作传感器，人运动时身体姿态的速度、角度、高度等数据就会传输进计算机中。通过诺亦腾独立研发的校准和数据算法，计算机就能够实时模拟出人的3D全身和手部动作。

今年9月，诺亦腾动作捕捉产品PerceptionNeuron登陆美国众筹网站Kickstarter，完成了57万美元的筹款额，打破了Kickstarter上中国产品众筹金额的历史纪录。这次众筹中，诺亦腾的支持者达到1329名。按照经验，Kickstarter上的支持者和现实中的用户数量是1：10的关系。这就意味着诺亦腾的产品起码有超过1万的客户量级。

诺亦腾的两位创始人刘昊扬和戴若犁都是技术出身。他们分别在香港中文大学和美国约翰霍普金斯大学获得博士学位，有着力学和计算机的科研背景，二人最熟悉的科研领域之一就是传感器的应用。

2010年以前，传感器主要应用在工业领域，比如安装在大桥和高塔上，测量建筑物是否安全稳固。那时候的传感器一般有足球大小，价格也高达几千美元。2011年开始，传感器的技术有了突飞猛进的进展。一片指甲盖大小的传感器就能够完成以前大块头传感器才能实现的功能，价格也下降到了几美元。这些变化引起了刘昊扬和戴若犁的注意。他们意识到，传感器应用已经到了从工业领域进入消费领域的时候。

iPhone的诞生与流行，给刘昊扬和戴若犁带来了关键的创业灵感。“智能手机交流的是信息，是数据，传感器采集的就是数据。我们觉得，手机智能设备在未来是有局限的，应该依靠的是传感器，通过传感器与手机沟通交流。”2011年下半年，刘昊扬和戴若犁参加了苹果的MFI计划（MadeForiPhone/iPad/iPod）。二人提交的参赛项目创意得到了苹果高管的肯定，这让他们更加肯定了自己创业的方向。

确定将传感器作为创业方向后，刘昊扬和戴若犁仔细分析认为，传感器应用还是处于起步阶段，技术是竞争胜出的关键。如果和互联网市场类比，大概是15年前互联网刚起步的时期，那时候崛起的第一批互联网公司都是技术公司。而技术恰恰刘昊扬和戴若犁的优势。于是，他们决定放弃创意计划，专注于使用技术突破核心难点。

刘昊扬和戴若犁给自己定下了两个研发目标。首先，要做精度足以在拍摄电影时使用的动作捕捉设备。其次，价格要低到每个公司都能使用。由于价格限定条件在先，成本有限，二人购买的第一批传感器几乎是最便宜的，随之带来的问题就是对动作的捕捉误差比较大。他们只好集中精力在算法上想办法，看如何通过算法调整补偿，让用这种低廉的传感器也能够实现足够精确的动作捕捉效果。“我们当时也不确定自己能不能做出来，就想先试试看。”刘昊扬说。

2011年年底，刘昊扬、戴若犁和团队终于研发出了第一个原始样机。人穿着传感器，iPad上的小人就会和人用同样的动作一起舞蹈。他们将展示产品的视频放上了YouTube，没想到反响远远超出意料。全球各地都有感兴趣的人给他们发来邮件，表达对产品的兴趣和建议，一个获得过奥斯卡科学技术奖的美国老人还特地从美国飞到北京来见他们。刘昊扬和戴若犁受到了很大的鼓舞。从2012年开始，他们又花了整整一年继续在算法上进行研发迭代。2012年12月，二人觉得技术难点都基本被解决了，已经可以推出成型产品，便一同注册成立了诺亦腾科技公司。

2013年年初，诺亦腾推出了第一代动作捕捉产品。刘昊扬和戴若犁开始带着产品频繁参加各个行业展会。由于他们的产品展示常常跟游戏影音相结合，视觉效果酷炫，在许多展会上容易引人注目。他们还主动去找一些可能需要特效制作的影视制作公司，向他们展示性价比很高的动作捕捉技术。特效制作成本投入过高一直是影视制作公司的头痛之处，因此许多公司都很乐意和他们合作。“我们是以展示代替营销。”刘昊扬说。

很快，诺亦腾在影视制作的行业圈获得了不小的知名度，也陆续接到了不少重量级的项目。2014年湖南卫视春节晚会上，李谷一和20年前自己的虚拟形象对唱节目，就使用了诺亦腾公司的产品。7月巴西世界杯期间，央视5套每晚比赛开始前虚拟球员和主持人的互动，也是由他们负责动作捕捉。

跨国智能设备制造商也开始使用诺亦腾的动作捕捉技术。2013年，智能运动手表制造商Garmin跟诺亦腾签订了几千万美元的技术授权合同，在产品中使用其动作捕捉算法。据刘昊扬透露，他们还跟另外两家跨国公司也签订了几千万美元的授权合同，但由于产品并未推出，暂时处于保密状态。

在面向企业的2B市场上站住了脚跟之后，刘昊扬和戴若犁开始考虑将将重心转移到面向消费者的2C市场上来。他们希望通过在Kickstarter上的众筹看看用户的真实反应，摸清动作捕捉的消费者市场是不是已经开始成熟。因此，他们在登陆Kickstarter之前没有进行任何宣传。

光学捕捉技术范文

（浙江师范大学数理与信息工程学院，浙江金华321004）

摘要：针对动作捕捉技术教学实验实施不便、实验设备搭建和维护麻烦等问题，提出利用Kinect镜头采集骨骼运动数据，实时驱动三维虚拟角色动作并记录输出动画的方法，论述实时角色动画实验教学设计过程。

关键词：实时角色动画；Kinect镜头；实验教学；教学设计

0引言

随着增强现实、虚拟现实和动作捕捉等高级计算机视觉技术的发展，计算机三维动画[1]的应用范围日益宽广，在建筑场景交互展示、城市虚拟规划、工业产品展示、角色动画等领域均有较大市场，特别是《阿凡达》《变形金刚》《星球黎明》等一系列融合了三维建模、动作捕捉等计算机三维动画技术的电影热映以后[2-3]，以动作捕捉技术为核心，演员实时驱动三维虚拟角色进行动作，记录生成动画的角色动画制作方式变得流行[4]。

目前各个高校开设的三维动画课程在角色动画部分都以讲授传统动画技术为主，大致分为关键帧动画技术和渲染输出技术两大模块，对上述新兴的实时角色动画制作技术较少涉及。

1动作捕捉与实时角色动画技术的特点

近年来，随着在动画制作、影视特效、体感交互等领域的广泛应用，动作捕捉及实时角色动画技术取得了长足发展。目前普遍应用的运动捕捉方式为电磁式和光学式两大类，无论使用哪种，一般都要求演员穿着专业的运动捕捉服记录动作，如图1所示。

运动捕捉基于计算机图形学原理，通过传感器——光学摄像头或电磁传感器将运动物体（如人）的运动状态记录下来，最终得到基于时间维度的各个观测点的三维空间坐标，其运动数据质量的高低取决于捕捉观测点的准确程度，因此在对运动状态记录精度要求较高的应用（如大型电影、面部表情动画、运动分析、精细肢端动作交互等）中均需使用专业运动捕捉服装并在服装上准确设置观测点标志，如光学式捕捉系统用的反光球或电磁式传感器与电缆。

上述动作捕捉得到的运动状态数据精度较高，实时性好，《变形金刚》《星球黎明》等电影的拍摄普遍采用此种方式。但对于教学实验而言，角色动画实验学时有限，每次实验都穿着服装并进行标定并不现实；同时，动作捕捉服装及其附件价格较高，受设备数量和维护需要等限制也难以在本科生课程实验中应用。

2基于Kinect镜头的实时角色动画实验环境搭建

微软的Kinect价格较低[5]，能实时采集RGB彩色图像和深度数据并可同时提供两人的骨骼数据追踪，镜头采用USB口与计算机相连，即插即用，硬件设置简单易行，如图2所示。

Kinect镜头可用于体感捕捉的原因是：设备本身提供了可以采集对象在立体空间中的深度信息的镜头组。基于Kinect镜头和计算机平台的实时角色动画制作实验开发环境可以用图3表示。

上图中层①为硬件基础层，核心部件是Kinect的传感器，包括镜头角度驱动马达、摄像头和麦克风阵列。实验中主要用到的是镜头组。Kinect的镜头共有2个，一个用于RGB彩色图像采集，一个用于深度信息采集。还有一个红外发射器，具体的原理可以参阅微软公司的Kinect产品网页。

层②为镜头设备的驱动层，设备通用性较高，开发系统具有良好的平台移植能力。Kinect镜头的驱动安装非常简单，需要调用的部分主要是设备访问、视频流控制和镜头组堆栈。

层③是自然人机接口NUI的API部分，也包括有音频识别等功能的API。

要实现骨骼数据的实时传输，需要借助微软的KinectSDK，这个二次开发包中提供了软件类库和开发工具，通过它可以捕获体感交互中需要的自然数据，如人体的骨骼信息（动作信息）、深度信息（距离信息）、图像信息等。Kinect镜头采集的骨骼数据如图4所示。

3Kinect骨骼数据驱动的实时角色动画实验教学设计

笔者以三维动画设计课程中的“角色动画制作实验项目”为例，给出实时角色动画实验教学设计。

3.1实验项目概述

传统的角色动画实验教学中主要利用3DSMax软件中的骨骼动画技术完成角色动作的关键帧编辑，完成后将动作存储为BIP文件，最后绑定角色模型和BIP动作并渲染生成动画。笔者给出的方法主要是利用Kinect镜头实时采集演员动作并生成BVH动作数据，通过3DSMax脚本加载后实时驱动绑定好骨骼的角色模型，进而记录为动画。使用该方法，学生实验操作简单易行，能体会到流行的实时角色动画制作流程，调动学习热情，为学生进一步学习高级角色动画技术打下基础。

3.2实验关键步骤

（1）设备连接：Kinect硬件连接后利用系统中安装的KinectforwindowsDeveloperToolkit进行测试，可以通过调用其中的SkeletonBasic-WPF来进行，以正确显示绿色的骨骼线条。

（2）角色导入：打开3DSMax软件，加载角色模型（已绑定好骨骼BIPED），加载实时BVH脚本。

（3）实时动作捕捉：实验演员在Kinect镜头前的有效范围内（离镜头1.4~3.8米）按预先编排的动作脚本进行动作。

（4）保存动作文件：设置渲染器并渲染输出动画。

Kinect骨骼数据驱动的实时动画制作如图5所示。

3.3实验设计

本实验需6学时，分两次课进行，中间间隔1周，学生有较充分的课下准备时间。第1次课要求学生熟悉硬件设备环境和操作规程，完成角色模型的骨骼绑定对齐。第2次课要求学生进行实时动作捕捉并输出结果，除了得到动画视频文件外，还可以得到相应的动作文件BIP或BVH。

通过本次实验项目实践，学生将完整掌握Kinect骨骼数据驱动的实时角色动画制作技术，熟悉动作数据文件处理，为将来进行大型或精细动作的角色动画制作打下基础。实验项目同时培养了学生的创新性思维，使学生学习的内容紧跟技术的发展。

4结语

实时角色动画制作技术与传统的关键帧编辑制作方法相比，具有效率高、效果好、制作周期短等优势，有较广泛的应用市场。该实验教学设计在学院3个专业、共计4轮的三维动画设计教学中进行了实践，深受师生欢迎。由于Kinect镜头成本低廉，动作捕捉时无须穿着专业捕捉服装，实验容易实施，且设备安装维护方便，实验效果良好；通过结合实际动画制作项目，构造虚拟教学情境，提高了学生学习的主动性和参与度，实现了科技化教学。

第一作者简介：李知菲，男，讲师，研究方向为图像处理与模式识别、虚拟现实，zjnulzf@163.com。

参考文献：

[1]倪聪奇.浅谈项目化教学在三维动画课程教学中的应用[J].中国教育学刊，2014(8):118-120.

[2]陈熙.论电影“阿凡达”动画特效制作[J].电影文学，2014(15):46-47.

[3]许乐，朱柏宇.计算机技术与电影真实感的建立:以动作捕捉技术和奥斯卡视觉特效奖为例[J].北京电影学院学报，2014(1):64-72.

[4]刘炼，孙慧佳.虚拟现实技术在舞蹈教学中的应用现状及设计要求[J].中国电化教育，2014(6):85-88.

光学捕捉技术范文

关键词：AutoCAD；绘图；对象追踪；对象捕捉；体会

随着计算机技术的发展，尽管一些功能强大的三维绘图软件逐渐在工程领域得到推广和应用，但AutoCAD作为一个老牌产品仍然是工程上应用最广泛的绘图软件，有着其他软件不可替代的作用。这不仅是因为其进入中国市场比较早，先入为主，有大量的资源可以利用，以及国内工程领域有大量的技术人员在使用它；更是因为其具有强大的二维精确绘图能力。AutoCAD尤其适合绘制工程图样，它能精确按照给定的尺寸来绘制图形，不仅方便快捷，而且修改起来也很容易，因此当前在工程实际中应用非常广泛。作为工科大学生，今后从事的工作很难离开工程图样，所以应该尽快熟练掌握AutoCAD软件。学习AutoCAD软件，核心是如何精确按给定的尺寸绘图。如果能够掌握一些技巧，可以快速入门，缩短学习该软件的时间，提高自己绘图效率，做到事半功倍。笔者作为一个AutoCAD的老用户，对于如何精确绘图有一些自己的学习和使用体会，在此和广大读者尤其是工科大学生交流一下，希望能对AutoCAD软件的学习和使用有所帮助。

一、使用相对坐标精确定位点

数学上确定点的位置用坐标，AutoCAD中也借用了坐标的概念来确定点的位置。在AutoCAD中用到两种坐标：极坐标和直角坐标。其概念和数学中的坐标概念一样。同时，AutoCAD中引进了绝对坐标和相对坐标的概念。绝对坐标是以系统默认坐标系确定的点坐标，而相对坐标是在确定某点位置时候，把前面的一点当做坐标原点而计算得到的坐标。这样做的好处，避免了点坐标的繁琐计算，实际上可以看出把坐标系移到当前点，然后来计算所要确定的点坐标。例如，在绘制图1时候，可以用矩形命令，然后在绘图区域确定A点后，然后输入@100，50来指定C点，从而可以画出一个长100，高50的矩形。

再比如，画图2所示的边长为100的正三角形，用直线命令，先在绘图区域任意指定E点，然后用相对坐标@100，0来确定F点，在确定G点时候，用相对极坐标@100

二、使用“正交”功能精确确定水平和竖直直线

在工程制图中，用的比较多的直线段是水平或者是竖直方向的，此时，通过打开软件辅助绘图工具栏上的“正交”按钮，可以很容易实现画水平线或者竖直线，并且可以在光标方向指定的情况下，输入线段的长度来实现精确绘图。如图1所示，画矩形ABCD，在line命令下，指定A点后，把光标向右移动，输入100后回车确定，再向上移动光标，输入50回车，光标向左移动，输入100回车，再把光标向下移动，输入50回车，矩形画好，再回车一次结束命令。由于此功能用的较多，可以记住此功能的快捷键F8，来提高绘图效率。另外正交功能打开后，要把光标移动到需要的方向，才能画出正确的线段。

三、使用“对象捕捉”和“对象追踪”精确定位点

绘图过程中，经常需要定位到一些特殊点，比如圆心，线段的端点、中点等。如果凭着眼睛观察，去移动光标，那肯定是找不准的。此时需要用到对象捕捉功能，可以精确定位到特殊点，并且有捕捉对象提示以及对应的标记，可以帮助你快速找到需要的点。如图2，在三角形EFG中，把各边中点连起来，形成一个新的三角形。这时候，需要精确捕捉到中点。可以打开辅助绘图功能按钮对象捕捉，当然事先要设置一下，把对象捕捉模式下中点勾选上。

本例中也可以在绘图命令发出后，临时启用对象捕捉。此时发出直线命令，要定位到中点，按住shift键同时单击右键，在快捷菜单里面选择中点。当光标移到线段中点附近，就可以捕捉到对象的中点了。另外在绘制圆的切线，直线的平行线和垂线，也需要利用对象捕捉功能，来精确实现相切、平行和垂直等位置关系。

对象追踪是另一个用的比较多的功能。所谓追踪，是根据已知的点来定位下一个点，因此对象追踪需要和对象捕捉配合使用，即在对象追踪时候，应该先打开对象捕捉功能。还是以图2为例，把EF和FG中点用直线连起来。发出直线命令，打开追踪功能，把光标移到E点，出现端点标记后再水平移到右边，看到出现橡皮线，表示追踪成功，此时可以输入距离50，就定位到EF中点。如果没有出现橡皮线，可以再把光标移回到端点E，多试几次就可以了。类似的，可以从F点追踪到FG线段中点。对象追踪可以正交追踪，也可以按照一定的角度去追踪，这可以在草图设置对话框里面进行设置。如图3所示。在画图1中那个圆时候，需要确定圆心的位置，这也可以用对象追踪功能方便地实现。把光标移到底下线段中点，开始往上追踪，出现橡皮线后，再把光标移到左边线段中点，然后往右边追踪，两条橡皮线相交处就是要确定的圆心位置，单击左键，输入圆半径就可以了。如果圆心不是在矩形的中心，那需要使用捕捉自（from）功能或者临时追踪点来实现。如图5所示，发出画圆命令，点击对象捕捉工具栏捕捉自按钮，再用鼠标捕捉到左下角点I，输入相对坐标@30，20，再给定半径，完成画圆。或者是用工具栏上临时追踪点按钮来实现圆心定位。就是以I点往左追踪，出现橡皮线后输入30确定一个临时追踪点，再以这个临时追踪点往上追踪，出现橡皮线后输入20，同样可以确定圆心位置。可以看出，临时追踪点功能，是以某个点位基点，两次追踪，从而得到需要的点位置。

四、倾斜直线的绘制技巧

画倾斜直线，关键是给定倾角，其实现方式有多种方法。

如果知道直线端点的相对极坐标，可以很方便的画出倾斜直线。如图6所示，在定出1点以后，输入极坐标@50

绘图时，需要经常对图形进行修改，所以熟练掌握修改命令，也是提高绘图效率必须的技能。如“复制”、“镜像”、“偏移”、“阵列”、“修剪”等是经常用到的命令。例如图6中，画30度角的斜线，可以先打开正交功能，画一条水平线；然后利用旋转命令，使其绕基点旋转30度，得到需要的线段。对于图样中重复的图形，可以定义为快，然后在需要的地方插入块。这样可实现高效绘图。而且如果对块进行修改，所有的插入块的地方都同时得到修改。

图7是一个零件的三视图，其主俯视图要保证长对正，主左视图保证高平齐，俯视图和左视图要保证宽相等。前面两个画图时候，利用极轴追踪功能容易实现。可以先画出主视图、俯视图，然后再复制一个俯视图，位置在原俯视图的正右方。把复制来的俯视图绕其右上方的点（基点）逆时针旋转90度。用主视图和复制旋转后的俯视图，加对象追踪功能，就可以很方便的画出左视图。这里使用“复制”，“旋转”命令，考虑他们之间的位置，往往还要使用“移动”命令，把图形放置在合适的位置，使图样整体看上去更协调，更清晰。

六、结束语

AutoCAD是一个绘图通用软件，其应用范围非常广泛，尤其是建筑行业和机械行业，并且其使用人群也非常多。在甩掉图版后，计算机绘图普及的时代越来越多的人正在学习它。本文从一个初学者角度出发，以自己的实践经验，叙述了关于精确绘图的一些方法和技巧，希望能够对刚入门的读者有所借鉴。当然要想熟练使用这个软件，还是需要自己经常上机练习。实践出真知，熟能生巧，只要有信心，相信经过努力，初学者也一定会成为熟练使用它的行家里手，到那个时候，就可以借助软件在计算机上把自己的设计思想用图样表达出来。（作者单位：安徽建筑工业学院）

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参考文献：