VR慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)解析及典型方案

　　虛擬現(xiàn)實(shí)成為了目前最受關(guān)注的智能設(shè)備，為了帶來(lái)良好的體驗(yàn)，VR設(shè)備對(duì)硬件提出了更高的要求，傳感器就是其中關(guān)鍵的一部分。虛擬現(xiàn)實(shí)中的傳感設(shè)備主要包括兩部分：一部分用于人機(jī)交互而穿戴于操作者身上的立體頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等，另一部分是用于正確感知而設(shè)置在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的各種視覺、聽覺、觸覺、力覺等。

　　用戶想要真正“進(jìn)入”虛擬世界，動(dòng)作捕捉系統(tǒng)是必須的，本文將帶來(lái)慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的解析以及國(guó)內(nèi)外的解決方案。

　　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，慣性式在光學(xué)式之后出現(xiàn)，但成本低廉、處理流程簡(jiǎn)便成熟、完全實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)計(jì)算和回傳機(jī)制，讓慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)成為了炙手可熱的技術(shù)。

　　組成：

　　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(cè)量。

　　實(shí)現(xiàn)流程：

　　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(lái)。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。

　　傳感器如何工作？

　　加速計(jì)：用來(lái)檢測(cè)傳感器受到的加速度的大小和方向的，它通過測(cè)量組件在某個(gè)軸向的受力情況來(lái)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(lái)測(cè)量設(shè)備相對(duì)于地面的擺放姿勢(shì)，則精確度不高，該缺陷可以通過陀螺儀得到補(bǔ)償。

　　陀螺儀：工作原理是通過測(cè)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(lái)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(cè)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。

　　磁力計(jì)：磁力計(jì)又剛好可以彌補(bǔ)上面陀螺儀的那個(gè)缺陷，它的強(qiáng)項(xiàng)在于定位設(shè)備的方位，可以測(cè)量出當(dāng)前設(shè)備與東南西北四個(gè)方向上的夾角。

　　通俗來(lái)講，陀螺儀知道我們是否轉(zhuǎn)了身，加速度計(jì)知道我們運(yùn)動(dòng)多長(zhǎng)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，這三類傳感器需要充分利用各自的特長(zhǎng)，來(lái)跟蹤目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)。

　　三大優(yōu)勢(shì)：

　　1.技術(shù)優(yōu)勢(shì)

　　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(cè)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。

　　2.使用便捷

　　使用方便，設(shè)備小巧輕便，便于佩戴。

　　3.成本優(yōu)勢(shì)

　　相比于光學(xué)動(dòng)作捕捉，慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)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)備更快的走進(jìn)大眾生活。