VR惯性式动作捕捉系统解析及典型方案

　　虚拟现实成为了目前最受关注的智能设备，为了带来良好的体验，VR设备对硬件提出了更高的要求，传感器就是其中关键的一部分。虚拟现实中的传感设备主要包括两部分：一部分用于人机交互而穿戴于操作者身上的立体头盔显示器、数据手套、数据衣等，另一部分是用于正确感知而设置在现实环境中的各种视觉、听觉、触觉、力觉等。

　　用户想要真正“进入”虚拟世界，动作捕捉系统是必须的，本文将带来惯性式动作捕捉系统的解析以及国内外的解决方案。

　　目前动作捕捉系统有惯性式和光学式两大主流技术路线，惯性式在光学式之后出现，但成本低廉、处理流程简便成熟、完全实时的数据计算和回传机制，让惯性式动作捕捉系统成为了炙手可热的技术。

　　组成：

　　动作捕捉系统的一般性结构主要分为三个部分：

　　数据采集设备

　　数据传输设备

　　数据处理单元

　　惯性式动作捕捉系统即是将惯性传感器应用到数据采集端，数据处理单元通过惯性导航原理对采集到的数据进行处理，从而完成运动目标的姿态角度测量。

　　实现流程：

　　在运动物体的重要节点佩戴集成加速度计，陀螺仪和磁力计等惯性传感器设备，传感器设备捕捉目标物体的运动数据，包括身体部位的姿态、方位等信息，再将这些数据通过数据传输设备传输到数据处理设备中，经过数据修正、处理后，最终建立起三维模型，并使得三维模型随着运动物体真正、自然地运动起来。经过处理后的动捕数据，可以应用在动画制作，步态分析，生物力学，人机工程等领域。

　　传感器如何工作？

　　加速计：用来检测传感器受到的加速度的大小和方向的，它通过测量组件在某个轴向的受力情况来得到结果，表现形式为轴向的加速度大小和方向（XYZ），但用来测量设备相对于地面的摆放姿势，则精确度不高，该缺陷可以通过陀螺仪得到补偿。

　　陀螺仪：工作原理是通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角，并计算角速度，通过夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态。它的强项在于测量设备自身的旋转运动，但不能确定设备的方位。

　　磁力计：磁力计又刚好可以弥补上面陀螺仪的那个缺陷，它的强项在于定位设备的方位，可以测量出当前设备与东南西北四个方向上的夹角。

　　通俗来讲，陀螺仪知道我们是否转了身，加速度计知道我们运动多长距离，而磁力计则知道我们的运动方向。在动作捕捉系统中，这三类传感器需要充分利用各自的特长，来跟踪目标物体的运动。

　　三大优势：

　　1.技术优势

　　惯性式动作捕捉系统采集到的信号量少，便于实时完成姿态跟踪任务，解算得到的姿态信息范围大、灵敏度高、动态性能好；对捕捉环境适应性高，不受光照、背景等外界环境干扰，并且克服了光学动捕系统摄像机监测区域受限的缺点；克服了VR设备常有的遮挡问题，可以准确实时地还原如下蹲、拥抱、扭打等动作。此外，惯性式动作捕捉系统还可以实现多目标捕捉。

　　2.使用便捷

　　使用方便，设备小巧轻便，便于佩戴。

　　3.成本优势

　　相比于光学动作捕捉，惯性式动作捕捉系统成本低廉，使得其不但可以应用于影视、游戏等行业，也有利于推动VR设备更快的走进大众生活。

　　国内外典型解决方案：

　　一、荷兰Xsens MVN惯性式动作捕捉系统

　　MVN是Xsens公司开发的一款便携式全身动作捕捉解决方案，无需使用摄像机即可对人体动作进行捕捉，具有灵活性强的特点，无论在室内室外均可使用。MVN动作捕捉流程不用进行过多的调节，避免了信号阻挡或者标记物丢失的问题。MVN采用先进的微型惯性传感器、生物力学模型、以及传感器融合算法。

　　Xsens MVN动作捕捉解决方案配有惯性传感器，可以安装在全身莱卡捕捉服上，也可以安装在捕捉带上使用。Xsens MVN不采用摄像头，不会对测试人员的行动造成任何限制，是一套具有极强灵活性的便携式动作捕捉系统，同时适用于室内和室外工作环境。该产品避免了信号阻挡或者标记物混淆的问题，节省了捕捉数据清理工作花费的时间。MVN简单易用，校准迅速，可以用15分钟安装完毕并马上投入使用。

　　应用范围 

　　适用于3D角色动作、虚拟现实训练与模拟应用、体育运动科学分析、生物力学、医疗与复健、营销活动、娱乐、Visual Jockey、人体工程学、人机工程设计、仿真培训、科研，教育等多领域。

　　 技术特征 

　　不采用摄像头，不会对测试人员的行动造成任何限制

　　MVN Studio软件可以在屏幕上实时显示图像

　　具有极强灵活性，同时适用于室内和室外工作环境

　　Xsens MVN可提供整洁流畅的数据，节省了80%的后期处理时间

　　二、美国3DSuit惯性式动作捕捉系统

　　3DSuit是一套惯性动作捕捉套装。该产品融合了导航系统和角定位系统，还配有Inertial Labs OSv3惯性传感器，可将动作数据传输至PC机。 Joints II算法可以处理这些数据并实时计算出各身体部位的位置和运动方向。

　　 应用范围 

　　适用于虚拟现实、医学研究、体育、教育、互动游戏等诸多领域。

　　技术特征 

　　3DSuit可由动画制作员自行操作，无需任何辅助

　　不需要摄像机、发射器、标记物或特殊设施进行动作捕捉

　　记录前无需铺设特殊装置，无需进行长时间校准

　　不会出现由标记物闭塞而造成的数据损失

　　无需进行操作前培训

　　3DSuit软件安装十分简单，所需要时间不超过启动电脑的时间

　　三、中国PERCEPTION NEURON

　　Neuron动捕系统是高性能动作捕捉系统。这个高度模块化的系统基于Neuron传感器：全世界最小的，集成了加速度计、陀螺仪以及磁力计的惯性测量传感器节点。这套系统的强大之处不仅仅是因为这枚性能优秀的超小型传感器，Neuron研发团队对于数据融合、人体动力学和物理法则的深刻理解让捕捉流畅、自然与低延迟的人体动作成为可能。
　　Perception Neuron系统可将其设计为可以任意配置：可以将Neuron传感器安装到需要的地方，从而让整套系统可以支持从3到32个节点，捕捉单纯的手臂运动直到全身并且包括手指的运动。

　　特性

　　NEURON传感器节点

　　尺寸： 12.5mm x 13.1mm x 4.3mm*

　　动态范围： 360 度

　　加速度测量范围： ±16g

　　角速度测量范围： ±2000 dps

　　精度： 0.02 度

　　静态精度

　　横滚角： 《 1 度

　　俯仰角： 《 1 度

　　航向角： 《 2 度

　　HUB主节点

　　尺寸： 59mm x 41mm x 23mm

　　最大支持节点数： 32

　　数据输出： USB 2.0， WIFI 或 Micro-SD卡记录

　　数据输出帧率： 32节点时为60 fps， 18节点时为120 fps

　　电源： USB外接电源

　　四、中国StepVR

　　StepVR是G-Wearables于2015年9月16日发布的一套全沉浸式的交互虚拟现实设备。这套设备由搭载手部姿态识别技术的头戴显示器、全身动作捕捉设备、背包式中央处理器，以及空间定位系统组成，可以将真实世界里的人整体映像到虚拟世界中，让使用者可以在虚拟空间里以自然的状态行走、触摸拾起物体、与其他使用者互动。

     
      特性

　　StepMocap 动作捕捉技术

　　实时精准动作捕捉系统

　　有线及无线均可实现

　　无需校准，穿戴方便

　　高精度，低成本

　　StepPosition 室内激光定位技术

　　允许多人参与，精准实时定位

　　精度高达1mm

　　刷新率高达80赫兹

　　低延迟，低成本

　　方便扩展

　　手部姿态识别

　　基于TOF深度摄像头的解决方案

　　不受日光或环境光线影响

　　可识别角度达到水平110度，垂直90度，距离范围在20-120cm之内

　　可识别多种复杂手势，使用者在不带手套情况下即可实现自由交互和操作