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VR利器慣性動作捕捉系統原理及優缺點解析

發布日期：2022-04-17 點擊率：64

　　目前動作捕捉系統有慣性式和光學式兩大主流技術路線，慣性式雖然后于光學式出現，但以其超低廉成本和簡便成熟的處理流程，以及完全實時的數據計算和回傳機制，成為了更加炙手可熱的技術。目前國際上最富代表性的產品是荷蘭Xsens公司研發的Xsens MVN慣性式動作捕捉系統以及美國Innalabs公司研發的3DSuit慣性式動作捕捉系統，國內則有諾亦騰、國承萬通等公司。

　　那么慣性式動作捕捉系統是如何正確運用在虛擬現實中的呢？本文將對慣性動捕的工作原理、優勢，及其存在的缺點進行解析，希望能與業內人士共同探討。

　　慣性式動作捕捉系統原理

　　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。

　　慣性式動作捕捉系統具體是如何實現的？

　　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。

　　加速度計，陀螺儀和磁力計又是如何工作的？

　　加速計是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。

　　陀螺儀的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。而又剛好磁力計可以彌補這一缺陷，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。

　　在動作捕捉系統中，陀螺儀傳感器用于處理旋轉運動，加速計用來處理直線運動，磁力計用來處理方向。通俗易懂地講——

　　陀螺儀知道“我們是否轉了身”，加速計知道“我們運動多長距離”，而磁力計則知道“我們的運動方向”。

　　在動作捕捉系統中三種傳感器充分利用各自的特長，來跟蹤目標物體的運動。

　　目前國際上最富代表性的產品是荷蘭Xsens公司研發的Xsens MVN慣性式動作捕捉系統以及美國Innalabs公司研發的3DSuit慣性式動作捕捉系統。MVN是一種全身萊卡套裝（也可以采用綁帶），使用方便，用戶可以在15分鐘內設置好整個系統。它采用微型慣性傳感器、生物力學模型、以及傳感器融合算法，帶有 17 個慣性跟蹤器，可以在6自由度跟蹤身體移動。Xsens MVN 具有快速的周轉時間且數據傳輸穩定、無誤，可節約高達 80% 的后期處理時間。