Введение

Запись движения объектов или людей. Запись движения (иногда называемая mo cap или mocap, сокращенно) — это процесс записи движения объектов или людей. Она используется в военной, развлекательной, спортивной, медицинской областях, а также для валидации систем компьютерного зрения и робототехники. В кинопроизводстве и разработке видеоигр это относится к записи действий живых актеров и использованию этой информации для анимации цифровых моделей персонажей в 2D или 3D компьютерной анимации. Если при этом фиксируются движения лица и пальцев или улавливаются тонкие выражения, то этот процесс часто называют захватом производительности (performance capture). Во многих областях запись движения иногда называют отслеживанием движения, но в кино и играх отслеживание движения обычно относится к сопоставлению движения (match moving). Во время сеансов записи движения движения одного или нескольких актеров регистрируются много раз в секунду. В то время как ранние методы использовали изображения с нескольких камер для вычисления 3D-позиций, часто цель записи движения состоит в том, чтобы зафиксировать только движения актера, а не его внешний вид. Эти анимационные данные накладываются на 3D-модель, чтобы модель воспроизводила те же действия, что и актер. Этот процесс отличается от более старой техники ротоскопирования. Движения камеры также могут быть записаны, чтобы виртуальная камера в сцене следовала за актером, перемещаясь, наклоняясь или двигаясь вдоль направляющих под управлением оператора. Одновременно система записи движения может фиксировать движения камеры, реквизита и игру актера. Это позволяет сгенерированным компьютером персонажам, изображениям и декорациям иметь ту же перспективу, что и видеоизображение с камеры. Компьютер обрабатывает данные и отображает движения актера, обеспечивая желаемое положение камеры относительно объектов на съемочной площадке. Получение данных о движении камеры из уже отснятого материала называется сопоставлением движения или отслеживанием камеры. Первый виртуальный актер, анимированный с помощью записи движения, был создан в 1993 году Дидье Пурселем и его командой в Gribouille. Это включало в себя «клонирование» тела и лица французского комика Ришара Боринжера и последующую анимацию с использованием инструментов записи движения, находившихся на ранней стадии разработки.

Недостатки

Для получения и обработки данных требуется специальное оборудование и программное обеспечение. Стоимость программного обеспечения, оборудования и необходимого персонала может оказаться непомерно высокой для небольших студий. Система захвата может предъявлять особые требования к пространству, в котором она используется, в зависимости от угла обзора камеры или магнитных помех. В случае возникновения проблем, зачастую проще переснять сцену, чем пытаться исправить данные. Лишь немногие системы позволяют просматривать данные в режиме реального времени, чтобы определить, нужно ли переделывать дубль. Первоначальные результаты ограничены тем, что можно зафиксировать в пределах зоны захвата без дополнительной обработки данных. Движения, не подчиняющиеся законам физики, не могут быть зафиксированы. Традиционные приемы анимации, такие как усиление эффектов предвосхищения и инерции, вторичные движения или изменение формы персонажа, например, с помощью техник "сквош и стрэтч", необходимо добавлять позднее. Если пропорции компьютерной модели отличаются от пропорций объекта захвата, могут возникать артефакты. Например, если у мультяшного персонажа непропорционально большие руки, они могут пересекать его тело, если актер не будет достаточно внимателен к своим движениям.

Приложения

Существует множество применений технологии захвата движения. Наиболее распространённые – это видеоигры, фильмы и анализ движений, однако эта технология также находит применение в научных исследованиях, например, в разработке робототехники в Университете Пердью.

Видеоигры

Видеоигры часто используют захват движения для анимации спортсменов, мастеров боевых искусств и других игровых персонажей. Уже в 1988 году ранняя форма захвата движения была использована для анимации двухмерных персонажей в видеоигре Vixen от Martech (в исполнении модели Corinne Russell) и двухмерной аркадной файтинге Last Apostle Puppet Show от Magical Company (для анимации оцифрованных спрайтов). Позже захват движения заметно использовался для анимации трехмерных моделей персонажей в аркадных играх Sega Model Virtua Fighter (1993) и Virtua Fighter 2 (1994). В середине 1995 года разработчик и издатель Acclaim Entertainment построил собственную студию захвата движения в своей штаб-квартире. Захват движения также применялся с участием спортсменов в играх, основанных на анимации, таких как Crash Bandicoot от Naughty Dog, Spyro the Dragon от Insomniac Games и Dinosaur Planet от Rare.

Робототехника

Позиционирование в помещении – еще одно из применений оптических систем захвата движения. Исследователи в области робототехники часто используют системы захвата движения при разработке и оценке алгоритмов управления, оценки и восприятия, а также аппаратного обеспечения. На открытом пространстве можно достичь точности до сантиметра, используя глобальную навигационную спутниковую систему (GNSS) совместно с кинематикой в реальном времени (RTK). Однако эта точность существенно снижается при отсутствии прямой видимости до спутников, например, в помещениях. Большинство производителей коммерческих оптических систем захвата движения предоставляют доступные драйверы с открытым исходным кодом, которые интегрируются с популярным фреймворком Robotic Operating System (ROS), позволяя исследователям и разработчикам эффективно тестировать своих роботов в процессе разработки. В области исследований аэророботики системы захвата движения также широко используются для позиционирования. Нормативные ограничения на использование воздушного пространства ограничивают возможности проведения экспериментов на открытом воздухе с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Тестирование в помещении позволяет обойти эти ограничения. Многие лаборатории и учреждения по всему миру создали для этих целей внутренние объемы захвата движения. В Университете Пердью находится крупнейшая в мире система захвата движения в помещении, расположенная в исследовательском и испытательном центре Пурдью (PURT). PURT специализируется на исследованиях БПЛА и обеспечивает объем отслеживания в 600 000 кубических футов с использованием 60 камер захвата движения. Оптическая система захвата движения способна отслеживать объекты в своем объеме с миллиметровой точностью, фактически предоставляя истинное положение объектов – эталонную "наземную правду" для исследований и разработок. Результаты, полученные с помощью других датчиков и алгоритмов, затем можно сравнивать с данными "наземной правды" для оценки их производительности.

Кинофильмы

Фильмы используют захват движения для создания CGI-эффектов, в некоторых случаях заменяя традиционную покадровую анимацию, и для полностью созданных с помощью CGI существ, таких как Голлум, Мумия, Кинг-Конг, Дэви Джонс из «Пиратов Карибского моря», На’ви из фильма «Аватар» и Клу из «Tron: Legacy». Великий гоблин, три каменных тролля, многие орки и гоблины в фильме 2012 года «Хоббит: Неожиданное путешествие» и Смауг были созданы с использованием технологии захвата движения. В фильме «Бэтмен навсегда» (1995) использовался захват движения для определенных визуальных эффектов. Warner Bros. приобрела технологию захвата движения у компании Acclaim Entertainment, занимающейся разработкой аркадных видеоигр, для использования в производстве фильма. Видеоигра Acclaim 1995 года с тем же названием также использовала эту технологию захвата движения для анимации оцифрованной спрайтовой графики. «Звёздные войны. Эпизод I: Скрытая угроза» (1999) стал первым полнометражным фильмом, в котором главный персонаж был создан с использованием захвата движения (этим персонажем был Джар-Джар Бинкс, которого сыграл Ахмед Бест), а индийско-американский фильм «Синдбад: За завесой туманов» (2000) стал первым полнометражным фильмом, снятым преимущественно с использованием захвата движения, хотя над фильмом также работали многие аниматоры персонажей, и он имел ограниченный прокат. «Финальная фантазия: Духи внутри» (2001) стал первым широко распространенным фильмом, созданным с использованием технологии захвата движения. Несмотря на низкие кассовые сборы, сторонники технологии захвата движения обратили на него внимание. В фильме «Вспомнить всё» эта техника уже использовалась в сцене с рентгеновским сканером и скелетами. «Властелин колец: Две крепости» стал первым полнометражным фильмом, в котором использовалась система захвата движения в реальном времени. Этот метод транслировал действия актера Энди Серкиса в компьютерную модель кожи Голлума/Смеагола непосредственно во время исполнения. Storymind Entertainment, независимая украинская студия, создала нео-нуарный шутер от третьего лица под названием My Eyes On You, используя захват движения для анимации главного героя, Джордана Адалиена, и неигровых персонажей. Из трех номинантов на премию «Оскар» 2006 года за лучший анимационный фильм два ( «Дом монстров» и победитель «Пингвины Мадагаскара») использовали захват движения, а только «Тачки» от Disney·Pixar были анимированы без его использования. В финальных титрах мультфильма Pixar «Рататуй» появилась надпись, обозначающая фильм как «100% чистая анимация – без захвата движения!». С 2001 года захват движения широко используется для имитации или приближения к виду живого театра, с использованием почти фотореалистичных цифровых моделей персонажей. В фильме «Полярный экспресс» использовался захват движения, чтобы Том Хэнкс мог сыграть несколько различных цифровых персонажей (и озвучить их). В адаптации саги «Беовульф» 2007 года цифровые персонажи были анимированы, а их внешность частично основывалась на актерах, которые предоставили свои движения и голоса. Очень популярный «Аватар» Джеймса Кэмерона использовал эту технику для создания На’ви, населяющих Пандору. Компания Walt Disney Company выпустила «Рождественскую песню» Роберта Земекиса, используя эту технику. В 2007 году Disney приобрела ImageMovers Digital (компанию Земекиса, занимающуюся производством фильмов с использованием захвата движения), но затем закрыла её в 2011 году после кассового провала фильма «Марс нуждается в мамах». Телесериалы, полностью созданные с помощью анимации на основе захвата движения, включают Laflaque в Канаде, Sprookjesboom и vertical align=sup в Нидерландах, а также Headcases в Великобритании.

Запись движения

Поставщики виртуальной и дополненной реальности, такие как uSens и Gestigon, позволяют пользователям взаимодействовать с цифровым контентом в реальном времени, захватывая движения рук. Это может быть полезно для тренировочных симуляций, тестов визуального восприятия или выполнения виртуальных прогулок в 3D-среде. Технология захвата движения часто используется в системах цифровой кукловодческой анимации для управления компьютерными персонажами в реальном времени. Анализ походки – одно из применений захвата движения в клинической медицине. Методы позволяют клиницистам оценивать движения человека по различным биомеханическим параметрам, часто с прямой трансляцией этой информации в аналитическое программное обеспечение. Некоторые физиотерапевтические клиники используют захват движения как объективный способ количественной оценки прогресса пациентов. Во время съемок фильма Джеймса Кэмерона «Аватар» все сцены с использованием захвата движения были срежиссированы в реальном времени с помощью программного обеспечения Autodesk MotionBuilder для создания изображения на экране, которое позволяло режиссеру и актеру видеть, как они будут выглядеть в фильме, что облегчало процесс режиссуры с точки зрения зрителя. Этот метод позволял получать ракурсы и углы обзора, недоступные при предварительно отрисованной анимации. Кэмерон был настолько горд своими результатами, что пригласил Стивена Спилберга и Джорджа Лукаса на съемочную площадку, чтобы продемонстрировать систему в действии. В фильме «Мстители» от Marvel Марк Руффало использовал технологию захвата движения, чтобы сыграть своего персонажа Халка, а не полагаться исключительно на компьютерную графику, как в предыдущих фильмах, что сделало Руффало первым актером, сыгравшим как человеческую, так и версию Халка Брюса Баннера. Программное обеспечение FaceRig использует технологию распознавания лиц от ULSee. Inc для отображения мимики игрока и технологию отслеживания тела от Perception Neuron для переноса движений тела на движение 2D или 3D персонажа на экране. На конференции разработчиков игр 2016 года в Сан-Франциско Epic Games продемонстрировала захват движений всего тела в реальном времени в Unreal Engine. Вся сцена из предстоящей игры Hellblade о воительнице по имени Сенуа была отрисована в реальном времени. Ключевой доклад был результатом сотрудничества Unreal Engine, Ninja Theory, 3Lateral, Cubic Motion, IKinema и Xsens. В 2020 году двукратный олимпийский чемпион по фигурному катанию Юзуру Ханю окончил Университет Васеда. В своей диссертации, используя данные с 31 датчиков, размещенных на его теле, он проанализировал свои прыжки. Он оценил возможности использования технологий как для совершенствования системы судейства, так и для помощи фигуристам в улучшении техники прыжков. В марте 2021 года краткое изложение диссертации было опубликовано в научном журнале.

Методы и системы

Отслеживание движения, или захват движения, зародилось в 1970-х и 1980-х годах как инструмент фотограмметрического анализа в биомеханических исследованиях, а затем расширилось на образование, обучение, спорт и, в последнее время, на компьютерную анимацию для телевидения, кино и видеоигр по мере развития технологии. Начиная с XX века, исполнитель должен носить маркеры вблизи каждого сустава для определения движения по положению или углам между маркерами. Отслеживаются акустические, инерционные, светодиодные, магнитные или отражающие маркеры, либо их комбинации, оптимально – с частотой, как минимум в два раза превышающей частоту желаемого движения. Разрешение системы важно как в пространственном, так и во временном аспектах, поскольку размытие в движении вызывает проблемы, аналогичные проблемам низкого разрешения. С начала XXI века, благодаря стремительному развитию технологий, были разработаны новые методы. Большинство современных систем способны выделять силуэт исполнителя из фона. Затем все углы суставов рассчитываются путем подгонки математической модели к этому силуэту. Для движений, при которых изменение силуэта не видно, доступны гибридные системы, которые могут использовать как маркеры, так и силуэт, но с меньшим количеством маркеров. В робототехнике некоторые системы захвата движения основаны на одновременной локализации и построении карты.

Оптические системы

Оптические системы используют данные, полученные с датчиков изображения, для триангуляции трехмерной позиции объекта между двумя или более откалиброванными камерами, обеспечивающими перекрывающиеся проекции. Сбор данных традиционно реализуется с помощью специальных маркеров, прикрепленных к исполнителю; однако более современные системы способны генерировать точные данные, отслеживая поверхностные признаки, динамически определяемые для каждого конкретного объекта. Отслеживание большого числа исполнителей или расширение области захвата достигается добавлением большего количества камер. Эти системы выдают данные о трех степенях свободы для каждого маркера, а информация о вращении вычисляется на основе относительного расположения трех или более маркеров; например, маркеры плеча, локтя и запястья позволяют определить угол сгибания локтя. Новые гибридные системы объединяют инерционные датчики с оптическими датчиками для снижения взаимной перекрываемости, увеличения числа пользователей и повышения точности отслеживания без необходимости ручной обработки данных.

Пассивные маркеры

Пассивные оптические системы используют маркеры, покрытые ретрорефлекторным материалом, для отражения света, генерируемого вблизи объектива камеры. Порог камеры может быть отрегулирован таким образом, чтобы регистрировались только яркие отражающие маркеры, игнорируя кожу и ткань. Центр маркера определяется как позиция в двухмерном изображении. Значение серого цвета каждого пикселя может быть использовано для достижения субпиксельной точности путем определения центра гауссова распределения. Для калибровки камер и определения их положения используется объект с маркерами, расположенными в известных точках, а также измеряется дисторсия объектива каждой камеры. Если два откалиброванных камеры видят маркер, можно получить трехмерную координату. Обычно система состоит из 2–48 камер. Существуют системы, включающие более трехсот камер, для снижения вероятности перепутывания маркеров. Дополнительные камеры необходимы для обеспечения полного покрытия объекта захвата и работы с несколькими объектами. Производители предлагают специализированное программное обеспечение для уменьшения проблемы перепутывания маркеров, поскольку все пассивные маркеры выглядят идентично. В отличие от активных маркерных систем и магнитных систем, пассивные системы не требуют от пользователя носить провода или электронное оборудование. Вместо этого сотни резиновых шариков прикрепляются с помощью светоотражающей ленты, которую необходимо периодически заменять. Маркеры обычно прикрепляются непосредственно к коже (например, в биомеханике) или крепятся на липучках к исполнителю, одетому в облегающий костюм из спандекса/лайкры, разработанный специально для захвата движения. Этот тип системы может регистрировать большое количество маркеров с частотой кадров обычно от 120 до 160 кадров в секунду, хотя при снижении разрешения и отслеживании меньшей области интереса можно достичь частоты до 10 000 кадров в секунду.

Активный маркер

Активные оптические системы триангулируют позиции, очень быстро освещая один светодиод за раз или несколько светодиодов с использованием программного обеспечения для их идентификации по относительному положению, что в некоторой степени напоминает небесную навигацию. В отличие от отражения света, генерируемого внешним источником, сами маркеры питаются для излучения собственного света. Поскольку обратный квадратный закон обеспечивает четверть мощности на удвоенном расстоянии, это может увеличить дальность и объем захвата. Это также обеспечивает высокое отношение сигнал/шум, что приводит к очень малому дрожанию маркеров и, как следствие, к высокой точности измерений (часто до 0,1 мм в пределах откалиброванного объема). В сериале «Звёздные врата SG1» эпизоды создавались с использованием активной оптической системы для визуальных эффектов, позволяя актеру перемещаться вокруг реквизита, который затруднил бы захват движения для других неактивных оптических систем. ILM использовал активные маркеры в фильме «Ван Хельсинг», чтобы обеспечить захват летающих невест Дракулы на очень больших съемочных площадках, аналогично использованию активных маркеров компанией Weta в фильме «Восстание планеты обезьян». Питание каждого маркера может подаваться последовательно в фазе с системой захвата, обеспечивая уникальную идентификацию каждого маркера для конкретного кадра захвата, что снижает частоту кадров. Возможность идентифицировать каждый маркер таким образом полезна в приложениях реального времени. Альтернативный метод идентификации маркеров – алгоритмическая обработка данных. Также существует возможность определения положения с использованием цветных светодиодных маркеров. В этих системах каждому цвету соответствует определенная точка тела. Одной из первых активных маркерных систем в 1980-х годах была гибридная пассивно-активная система захвата движения с вращающимися зеркалами и отражающими маркерами из цветного стекла, использующая маскированные линейные детекторы.

Активный маркер с модуляцией времени

Активные маркерные системы могут быть дополнительно усовершенствованы путем последовательного включения маркеров по одному или отслеживания нескольких маркеров во времени с модуляцией амплитуды или ширины импульса для идентификации каждого маркера. Системы с модулированным пространственным разрешением 12 мегапикселей позволяют зафиксировать более тонкие движения, чем 4-мегапиксельные оптические системы, благодаря более высокому пространственному и временному разрешению. Режиссеры могут наблюдать за игрой актера в реальном времени и видеть результат на управляемом захватом движения CG-персонаже. Уникальные идентификаторы маркеров сокращают время обработки, устраняя необходимость в перестановке маркеров и обеспечивая более чистые данные по сравнению с другими технологиями. Светодиоды со встроенной обработкой и радиосинхронизацией позволяют осуществлять захват движения на открытом воздухе при прямом солнечном свете со скоростью от 120 до 960 кадров в секунду благодаря высокоскоростной электронной выдержке. Компьютерная обработка модулированных идентификаторов снижает объем ручной постобработки или фильтрации результатов, что позволяет сократить операционные расходы. Такая повышенная точность и разрешение требуют большей вычислительной мощности, чем в пассивных технологиях, но дополнительная обработка выполняется непосредственно в камере для повышения разрешения с помощью субпиксельной или центроидальной обработки, обеспечивая как высокое разрешение, так и высокую скорость. Стоимость таких систем захвата движения обычно составляет 20 000 долларов за систему с восемью камерами, пространственным разрешением 12 мегапикселей и частотой 120 Гц, предназначенную для работы с одним актером.

Полупассивный незаметный маркер

Можно изменить традиционный подход, основанный на высокоскоростных камерах. Системы, подобные Prakash, используют недорогие многодиодные высокоскоростные проекторы. Специально разработанные многодиодные ИК-проекторы оптически кодируют пространство. Вместо ретрорефлекторных или активных светодиодных маркеров, система использует фоточувствительные маркеры для декодирования оптических сигналов. Прикрепляя маркеры с фотосенсорами к точкам сцены, они могут вычислять не только положение каждой точки, но и её ориентацию, характеристики падающего освещения и отражательную способность. Эти отслеживающие маркеры работают в условиях естественного освещения и могут быть незаметно встроены в одежду или другие объекты. Система поддерживает неограниченное количество маркеров в сцене, каждый из которых имеет уникальный идентификатор, что исключает проблемы с повторным распознаванием. Поскольку система не требует использования высокоскоростной камеры и соответствующего потока изображений, ей необходима значительно меньшая пропускная способность данных. Маркеры также предоставляют данные о падающем освещении, которые можно использовать для согласования освещения сцены при добавлении синтетических элементов. Данная технология представляется идеальной для захвата движения на съемочной площадке или для трансляции виртуальных декораций в реальном времени, однако её эффективность пока не подтверждена.

Система фиксации подводного движения

Технология захвата движения существует для исследователей и ученых уже несколько десятилетий, что позволило получить новые знания во многих областях.

Подводные камеры

Важнейшая часть системы, подводная камера, имеет водонепроницаемый корпус. Корпус имеет покрытие, устойчивое к коррозии и хлору, что делает его идеальным для использования в бассейнах и плавательных бассейнах. Существует два типа камер. Промышленные высокоскоростные камеры также могут использоваться как инфракрасные камеры. Инфракрасные подводные камеры комплектуются стробоскопом с циан-подсветкой вместо стандартной ИК-подсветки для минимизации потерь сигнала под водой, а высокоскоростные камеры – светодиодной подсветкой или с возможностью использования обработки изображений.

Объем измерения

Подводная камера обычно способна измерять на глубине от 15 до 20 метров, в зависимости от качества воды, модели камеры и типа используемого маркера. Неудивительно, что максимальная дальность достигается в чистой воде, и, как всегда, объем измерения также зависит от количества камер. Для различных условий доступны различные типы подводных маркеров.

На заказ

Разные бассейны требуют различных креплений и оснастки. Поэтому все системы захвата движений под водой разрабатываются индивидуально для каждого конкретного монтажа в бассейне. Для камер, размещаемых в центре бассейна, предоставляются специально разработанные штативы с использованием присосок.

Без маркировки

Новые методы и исследования в области компьютерного зрения приводят к быстрому развитию безмаркерного захвата движения. Системы, не требующие использования маркеров, такие как разработанные в Стэнфордском университете, Университете Мэриленда, MIT и Институте Макса Планка, не требуют от испытуемых носить специальное оборудование для отслеживания. Специальные компьютерные алгоритмы позволяют системе анализировать несколько потоков оптических данных и идентифицировать человеческие фигуры, разделяя их на составные части для отслеживания. ESC Entertainment, дочерняя компания Warner Brothers Pictures, созданная специально для виртуальной кинематографии, включая создание фотореалистичных цифровых двойников для съемок фильмов "Матрица: Перезагрузка" и "Матрица: Революция", использовала технику под названием Universal Capture, которая включала использование семи камер и отслеживание оптического потока всех пикселей во всех двухмерных плоскостях изображения с камер для захвата движения, жестов и мимики, что позволило добиться фотореалистичных результатов.

Традиционные системы

Традиционно безмаркерное оптическое отслеживание движения используется для отслеживания различных объектов, включая самолеты, ракеты-носители, ракеты и спутники. Многие из таких приложений оптического отслеживания движения реализуются на открытом воздухе, что требует различных конфигураций линз и камер. Изображения высокого разрешения отслеживаемого объекта могут предоставить больше информации, чем просто данные о движении. Изображение, полученное с помощью системы дальнего обнаружения NASA во время рокового запуска шаттла «Челленджер», предоставило важные доказательства, проливающие свет на причину катастрофы. Системы оптического отслеживания также используются для идентификации известных космических аппаратов и космического мусора, несмотря на то, что они имеют ограничение по сравнению с радарами: объекты должны отражать или излучать достаточно света. Система оптического отслеживания обычно состоит из трех подсистем: оптической системы формирования изображения, механической платформы отслеживания и компьютера отслеживания. Оптическая система формирования изображения отвечает за преобразование света от объекта в цифровое изображение, которое может быть обработано компьютером отслеживания. В зависимости от конструкции системы оптического отслеживания, оптическая система формирования изображения может быть как простой, например, стандартная цифровая камера, так и специализированной, например, астрономический телескоп, установленный на вершине горы. Характеристики оптической системы формирования изображения определяют верхний предел эффективной дальности системы отслеживания. Механическая платформа отслеживания удерживает оптическую систему формирования изображения и отвечает за ее ориентацию таким образом, чтобы она всегда была направлена на отслеживаемый объект. Динамика механической платформы отслеживания в сочетании с оптической системой формирования изображения определяет способность системы отслеживания удерживать объект, быстро меняющий скорость. Компьютер отслеживания отвечает за захват изображений с оптической системы формирования изображения, анализ изображения для определения положения объекта и управление механической платформой отслеживания для следования за объектом. Существует несколько проблем. Во-первых, компьютер отслеживания должен быть способен захватывать изображения с относительно высокой частотой кадров, что предъявляет требования к пропускной способности оборудования для захвата изображений. Вторая проблема заключается в том, что программное обеспечение обработки изображений должно уметь выделять изображение объекта на фоне и вычислять его положение. Для решения этой задачи разработано несколько стандартных алгоритмов обработки изображений. Эта задача может быть упрощена, если система отслеживания может ожидать определенных характеристик, общих для всех отслеживаемых объектов. Следующая задача – управление платформой отслеживания для следования за объектом. Это типичная задача проектирования системы управления, включающая моделирование динамики системы и разработку контроллеров для ее управления. Однако это станет проблемой, если платформа отслеживания, с которой работает система, не предназначена для работы в реальном времени. Программное обеспечение, управляющее такими системами, также настраивается под конкретные аппаратные компоненты. Одним из примеров такого программного обеспечения является OpticTracker, который управляет компьютеризированными телескопами для отслеживания движущихся объектов на больших расстояниях, таких как самолеты и спутники. Другой вариант – программное обеспечение SimiShape, которое также может использоваться в гибридном режиме в сочетании с маркерами.

Камеры RGB-D

Камеры RGB-D, такие как Kinect, захватывают как цветное, так и глубинное изображения. Объединяя эти два изображения, можно получить трехмерные цветные воксели, что позволяет осуществлять захват движения в трехмерном пространстве и моделирование поверхности человека в реальном времени. Поскольку используется камера с одним обзором, захваченные движения обычно содержат шум. Для автоматической реконструкции таких зашумленных движений в более качественные предлагаются методы машинного обучения, такие как ленивое обучение и гауссовские модели. Такой подход позволяет получить достаточно точные данные о движении для серьезных приложений, например, для эргономической оценки.

Инерционные системы

Технология захвата инерциального движения основана на миниатюрных инерциальных датчиках, биомеханических моделях и алгоритмах слияния данных с датчиков. Данные о движении инерциальных датчиков (инерциальной системы наведения) часто передаются беспроводным способом на компьютер, где движение записывается или отображается. Большинство инерциальных систем используют инерциальные измерительные блоки (IMU), содержащие комбинацию гироскопа, магнитометра и акселерометра, для измерения угловой скорости. Эти угловые перемещения преобразуются в скелет в программном обеспечении. Подобно оптическим маркерам, чем больше датчиков IMU, тем более естественными получаются данные. Для захвата относительных движений не требуются внешние камеры, излучатели или маркеры, хотя они необходимы для определения абсолютной позиции пользователя, если это требуется. Системы захвата инерциального движения фиксируют полное движение тела человека в шести степенях свободы в реальном времени и могут предоставлять ограниченную информацию о направлении, если они включают магнитный датчик, хотя такие датчики имеют значительно более низкое разрешение и подвержены воздействию электромагнитных помех. Преимущества использования инерциальных систем включают возможность захвата в различных условиях, включая ограниченное пространство, отсутствие необходимости в постобработке, портативность и большую площадь захвата. К недостаткам относятся более низкая точность определения позиции и дрейф позиции, который может накапливаться со временем. Эти системы похожи на контроллеры Wii, но более чувствительны, имеют более высокое разрешение и частоту обновления. Они могут точно измерять направление на землю с точностью до градуса. Популярность инерциальных систем растет среди разработчиков игр. Относительная интенсивность напряжения или тока в трех катушках позволяет этим системам вычислять как дальность, так и ориентацию, тщательно отображая область отслеживания. Выходной сигнал датчика – 6DOF, что обеспечивает полезные результаты, получаемые с использованием двух третей количества маркеров, необходимых в оптических системах; например, один на плече и один на предплечье для определения положения и угла локтя. Маркеры не блокируются неметаллическими объектами, но подвержены магнитным и электрическим помехам от металлических объектов в окружающей среде, таких как арматура (стальные стержни для армирования бетона) или проводка, которые влияют на магнитное поле, а также от электрических источников, таких как мониторы, осветительные приборы, кабели и компьютеры. Характеристика отклика датчика нелинейна, особенно по краям области захвата. Проводка от датчиков, как правило, ограничивает выполнение экстремальных движений.

Нетрадиционные системы

Был разработан альтернативный подход, при котором актеру предоставляется неограниченная площадь для ходьбы за счет использования вращающейся сферы, похожей на шар для хомяка, содержащей внутренние датчики, регистрирующие угловые перемещения, что устраняет необходимость во внешних камерах и другом оборудовании. Хотя эта технология потенциально может значительно снизить стоимость захвата движения, базовая сфера способна регистрировать только одно непрерывное направление. Для регистрации более сложных движений потребуются дополнительные датчики, носимые на теле человека. Другой вариант – использование 6DOF (шестиосевой) платформы движения с интегрированной всенаправленной беговой дорожкой и оптической системой захвата движения высокого разрешения для достижения аналогичного эффекта. Актер может свободно перемещаться по неограниченной площади, преодолевая различные неровности рельефа. Области применения включают медицинскую реабилитацию для тренировки равновесия, биомеханические исследования и виртуальную реальность.

Оценка 3D-позы

В 3D-оценке позы поза актера может быть реконструирована по изображению или карте глубины.