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日本秋田大學(xué)采用Polhemus LIBERTY系統(tǒng)研制動(dòng)作捕捉設(shè)備
介紹
人體的運(yùn)動(dòng)受運(yùn)動(dòng)神經(jīng)控制，而運(yùn)動(dòng)神經(jīng)區(qū)域按照功能進(jìn)行分區(qū)，其中，手部區(qū)域與上下肢和軀干區(qū)域的總和幾乎相同。這一生理特點(diǎn)說(shuō)明人手的運(yùn)動(dòng)需要非常復(fù)雜的控制，只有這樣才能完成類(lèi)似于傳動(dòng)裝置的精確動(dòng)作。
動(dòng)作捕捉（MoCap）技術(shù)可以按時(shí)間順序?qū)⒛繕?biāo)的位置和姿態(tài)進(jìn)行數(shù)字化記錄，在動(dòng)畫(huà)制作和CG領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。人的每只手有27根骨頭和19個(gè)關(guān)節(jié)，要捕捉整個(gè)手的動(dòng)作十分困難。現(xiàn)在最常用的人手動(dòng)作捕捉工具是Immersion公司的CyberGlove，但也只能捕捉80%的手部動(dòng)作。因此，要想精確捕捉一位鋼琴師高速運(yùn)動(dòng)的手指動(dòng)作基本是不可能的。
針對(duì)這一難題，Akita 大學(xué)使用Polhemus公司的LIBERTY 16電磁跟蹤器（其采用小型光接收器）研制出了高精度手部動(dòng)作捕捉系統(tǒng)。接收器的連接線采用超細(xì)電纜，絲毫不會(huì)阻擋手指的運(yùn)動(dòng)。
圖1
系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖1顯示了手部動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的構(gòu)成。磁力跟蹤器由一個(gè)發(fā)射器（23 * 28 * 16毫米）和16個(gè)接收器（9.6 * 9.6 *9.6毫米）組成，可以記錄發(fā)射器到接收器之間的距離（xyz坐標(biāo)），還可以記錄接收器與發(fā)射器的相對(duì)角度（方位角、仰角、轉(zhuǎn)動(dòng)）。系統(tǒng)會(huì)對(duì)每個(gè)接收器進(jìn)行調(diào)整以符合手指的狀態(tài)。每根手指配有三個(gè)接收器進(jìn)行測(cè)量，手背一個(gè)接收器，每只手共使用16個(gè)接收器。此外，我們對(duì)適配裝置也進(jìn)行了改進(jìn)，添加了彈力布帶，可以適應(yīng)任何手型尺寸。接收器用彈力膠帶和液態(tài)塑料固定在手指上，可有效防止接收器滑落。
兩套LIBERTY系統(tǒng)通過(guò)USB端口與電腦（IBM的ThinkPad）連接。手部動(dòng)作捕捉系統(tǒng)可同時(shí)測(cè)量出32個(gè)接收器的六自由度數(shù)據(jù)，測(cè)量頻率為240赫茲，空間分辨率為0.0038毫米，角度分辨率為0.0012度。
圖2
評(píng)測(cè)
Akita 大學(xué)對(duì)接收器進(jìn)行評(píng)測(cè)，以確定測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度是否因?yàn)榻邮掌骶嚯x太近而受影響。評(píng)測(cè)表明，即使接收器距離太近，測(cè)量精確度也不會(huì)受到影響。位置數(shù)據(jù)的差量在0.1毫米以下，角度的差量在0.1度以下。這種差量范圍足以進(jìn)行手指動(dòng)作測(cè)量。
圖3
為了評(píng)測(cè)系統(tǒng)對(duì)手指的符合程度，Akita 大學(xué)用手部動(dòng)作捕捉系統(tǒng)測(cè)量了鋼琴師的手指動(dòng)作。演奏曲目是“A大調(diào)第十一號(hào)鋼琴奏鳴曲，土耳其進(jìn)行曲”（莫扎特）。手部動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)會(huì)被轉(zhuǎn)換為BVA格式，在FiLMBOX軟件中讀取。手部的骨架和模型也在FiLMBOX軟件中讀取，并與手部動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)銜接。圖3顯示了鋼琴師演奏的CG動(dòng)畫(huà)。
經(jīng)過(guò)對(duì)比，可以確認(rèn)CG動(dòng)畫(huà)與拍攝的視頻圖像非常相似。這表明，手部動(dòng)作捕捉系統(tǒng)可以精確地記錄下手指的動(dòng)作。用手部動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)制作成CG動(dòng)畫(huà)的過(guò)程一直是手動(dòng)的，現(xiàn)在可以自動(dòng)進(jìn)行，有了很大提高。在以后的研究當(dāng)中，Akita 大學(xué)會(huì)研究自動(dòng)算法對(duì)手部動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。
這項(xiàng)研究由日本總務(wù)省“戰(zhàn)略信息及通信研發(fā)推廣項(xiàng)目”支持。
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