VR利器慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)原理及優(yōu)缺點(diǎn)解析（一）
? 目前動(dòng)作捕捉系統(tǒng)有慣性式和光學(xué)式兩大主流技術(shù)路線，慣性式雖然后于光學(xué)式出現(xiàn)，但以其超低廉成本和簡便成熟的處理流程，以及完全實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)計(jì)算和回傳機(jī)制，成為了更加炙手可熱的技術(shù)。目前國際上最富代表性的產(chǎn)品是荷蘭Xsens公司研發(fā)的Xsens MVN慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)以及美國Innalabs公司研發(fā)的3DSuit慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，國內(nèi)則有諾亦騰、國承萬通等公司。
那么慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)是如何正確運(yùn)用在虛擬現(xiàn)實(shí)中的呢？本文將對(duì)慣性動(dòng)捕的工作原理、優(yōu)勢，及其存在的缺點(diǎn)進(jìn)行解析，希望能與業(yè)內(nèi)人士共同探討。
慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)原理
動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的一般性結(jié)構(gòu)主要分為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)處理單元，慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)即是將慣性傳感器應(yīng)用到數(shù)據(jù)采集端，數(shù)據(jù)處理單元通過慣性導(dǎo)航原理對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而完成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的姿態(tài)角度測量。
慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)具體是如何實(shí)現(xiàn)的？
在運(yùn)動(dòng)物體的重要節(jié)點(diǎn)佩戴集成加速度計(jì)，陀螺儀和磁力計(jì)等慣性傳感器設(shè)備，傳感器設(shè)備捕捉目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，包括身體部位的姿態(tài)、方位等信息，再將這些數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理設(shè)備中，經(jīng)過數(shù)據(jù)修正、處理后，最終建立起三維模型，并使得三維模型隨著運(yùn)動(dòng)物體真正、自然地運(yùn)動(dòng)起來。
經(jīng)過處理后的動(dòng)捕數(shù)據(jù)，可以應(yīng)用在動(dòng)畫制作，步態(tài)分析，生物力學(xué)，人機(jī)工程等領(lǐng)域。
加速度計(jì)，陀螺儀和磁力計(jì)又是如何工作的？
加速計(jì)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(gè)軸向的受力情況來得到結(jié)果，表現(xiàn)形式為軸向的加速度大小和方向（XYZ），但用來測量設(shè)備相對(duì)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(bǔ)償。
陀螺儀的工作原理是通過測量三維坐標(biāo)系內(nèi)陀螺轉(zhuǎn)子的垂直軸與設(shè)備之間的夾角，并計(jì)算角速度，通過夾角和角速度來判別物體在三維空間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。它的強(qiáng)項(xiàng)在于測量設(shè)備自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但不能確定設(shè)備的方位。而又剛好磁力計(jì)可以彌補(bǔ)這一缺陷，它的強(qiáng)項(xiàng)在于定位設(shè)備的方位，可以測量出當(dāng)前設(shè)備與東南西北四個(gè)方向上的夾角。
在動(dòng)作捕捉系統(tǒng)中，陀螺儀傳感器用于處理旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，加速計(jì)用來處理直線運(yùn)動(dòng)，磁力計(jì)用來處理方向。通俗易懂地講——
陀螺儀知道“我們是否轉(zhuǎn)了身”，加速計(jì)知道“我們運(yùn)動(dòng)多長距離”，而磁力計(jì)則知道“我們的運(yùn)動(dòng)方向”。
在動(dòng)作捕捉系統(tǒng)中三種傳感器充分利用各自的特長，來跟蹤目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)。
目前國際上最富代表性的產(chǎn)品是荷蘭Xsens公司研發(fā)的Xsens MVN慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)以及美國Innalabs公司研發(fā)的3DSuit慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)。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(nèi)設(shè)置好整個(gè)系統(tǒng)。它采用微型慣性傳感器、生物力學(xué)模型、以及傳感器融合算法，帶有 17 個(gè)慣性跟蹤器，可以在6自由度跟蹤身體移動(dòng)。Xsens MVN 具有快速的周轉(zhuǎn)時(shí)間且數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、無誤，可節(jié)約高達(dá) 80% 的后期處理時(shí)間。
慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)優(yōu)勢在哪里？
首先是技術(shù)優(yōu)勢
慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采集到的信號(hào)量少，便于實(shí)時(shí)完成姿態(tài)跟蹤任務(wù)，解算得到的姿態(tài)信息范圍大、靈敏度高、動(dòng)態(tài)性能好；對(duì)捕捉環(huán)境適應(yīng)性高，不受光照、背景等外界環(huán)境干擾，并且克服了光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)攝像機(jī)監(jiān)測區(qū)域受限的缺點(diǎn)；克服了VR設(shè)備常有的遮擋問題，可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地還原如下蹲、擁抱、扭打等動(dòng)作。此外，慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)捕捉。
其次是使用便捷的優(yōu)勢
使用方便，設(shè)備小巧輕便，便于佩戴。
還有成本優(yōu)勢
相比于光學(xué)動(dòng)作捕捉成本低廉，使得其不但可以應(yīng)用于影視、游戲等行業(yè)，也有利于推動(dòng)VR設(shè)備更快地走進(jìn)大眾生活。
總的來說，慣性式動(dòng)作捕捉技術(shù)有著對(duì)捕捉環(huán)境的高適應(yīng)性，它的技術(shù)優(yōu)勢、成本優(yōu)勢和使用便捷的優(yōu)勢，使得它在影視動(dòng)畫、體驗(yàn)式互動(dòng)游戲、虛擬演播室、真人模擬演練、體育訓(xùn)練、醫(yī)療康復(fù)等領(lǐng)域都有著優(yōu)異的表現(xiàn)。
慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的劣勢，以及，如何解決？
上文中介紹了慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)及其優(yōu)勢，那它有什么劣勢，又該如何解決？
一般情況下慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采用MEMS三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸磁力計(jì)組成的慣性測量單元（IMU， Inertial Measurement Unit）來測量傳感器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。而由IMU所測得的傳感器運(yùn)動(dòng)參數(shù)有嚴(yán)重噪聲干擾，MEMS 器件又存在明顯的零偏和漂移，慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)無法長時(shí)間地對(duì)人體姿態(tài)進(jìn)行精確的跟蹤。只有解決了這一個(gè)問題，才能使慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)在VR行業(yè)充分發(fā)揮作用。
目前，Xsens采用的解決方案如下：
首先對(duì)IMU所測得的傳感器運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)做預(yù)處理，濾掉原始慣性數(shù)據(jù)中摻雜的噪聲干擾；
然后不斷地進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)，即不斷地對(duì)各慣性器件進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償以解決MEMS器件的零偏和漂移，提高其數(shù)據(jù)的精確度和可靠程度；
接下來在進(jìn)行姿態(tài)解算，并利用姿態(tài)參考系統(tǒng)驗(yàn)證姿態(tài)角度數(shù)據(jù)的精確度，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)慣性式動(dòng)作捕捉。
此外，與之不同的是，國內(nèi)的G-Wearables則采用IK+室內(nèi)定位技術(shù)做主動(dòng)作捕捉算法，使用慣性式動(dòng)作捕捉做輔助算法。這套方案中利用室內(nèi)定位技術(shù)對(duì)慣性式動(dòng)作捕捉技術(shù)做實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，避免了不斷校準(zhǔn)的麻煩。
那么，什么是IK算法？
首先介紹下IK算法及其在動(dòng)作捕捉系統(tǒng)中的應(yīng)用。
IK是Inverse Kinematics的縮寫，即反向運(yùn)動(dòng)學(xué)。
在人體分層結(jié)構(gòu)中，關(guān)節(jié)和骨骼實(shí)際構(gòu)成了運(yùn)動(dòng)鏈，比如肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)及其子骨骼就是一條運(yùn)動(dòng)鏈，是整個(gè)人體運(yùn)動(dòng)鏈上的一條分支，身體即是利用運(yùn)動(dòng)鏈對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。運(yùn)動(dòng)分為正向運(yùn)動(dòng)和反向運(yùn)動(dòng)。已知鏈上各個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角，求各關(guān)節(jié)的位置信息和末端效應(yīng)器（end effector）的位置信息，這是正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的問題；而己知末端效應(yīng)器的位置信息，反求其祖先關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角和位置，這是就是反向運(yùn)動(dòng)學(xué)。
