VR慣性式動作捕捉系統(tǒng)解析及典型方案

　　虛擬現(xiàn)實成為了目前最受關注的智能設備，為了帶來良好的體驗，VR設備對硬件提出了更高的要求，傳感器就是其中關鍵的一部分。虛擬現(xiàn)實中的傳感設備主要包括兩部分：一部分用于人機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置在現(xiàn)實環(huán)境中的各種視覺、聽覺、觸覺、力覺等。

　　用戶想要真正“進入”虛擬世界，動作捕捉系統(tǒng)是必須的，本文將帶來慣性式動作捕捉系統(tǒng)的解析以及國內(nèi)外的解決方案。

　　目前動作捕捉系統(tǒng)有慣性式和光學式兩大主流技術路線，慣性式在光學式之后出現(xiàn)，但成本低廉、處理流程簡便成熟、完全實時的數(shù)據(jù)計算和回傳機制，讓慣性式動作捕捉系統(tǒng)成為了炙手可熱的技術。

　　組成：

　　動作捕捉系統(tǒng)的一般性結構主要分為三個部分：

　　數(shù)據(jù)采集設備

　　數(shù)據(jù)傳輸設備

　　數(shù)據(jù)處理單元

　　慣性式動作捕捉系統(tǒng)即是將慣性傳感器應用到數(shù)據(jù)采集端，數(shù)據(jù)處理單元通過慣性導航原理對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，從而完成運動目標的姿態(tài)角度測量。

　　實現(xiàn)流程：

　　在運動物體的重要節(jié)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(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)傳輸設備傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理設備中，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動物體真正、自然地運動起來。經(jīng)過處理后的動捕數(shù)據(jù)，可以應用在動畫制作，步態(tài)分析，生物力學，人機工程等領域。

　　傳感器如何工作？

　　加速計：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(xiàn)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：工作原理是通過測量三維坐標系內(nèi)陀螺轉(zhuǎn)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(tài)。它的強項在于測量設備自身的旋轉(zhuǎn)運動，但不能確定設備的方位。

　　磁力計：磁力計又剛好可以彌補上面陀螺儀的那個缺陷，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。

　　通俗來講，陀螺儀知道我們是否轉(zhuǎn)了身，加速度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(tǒng)中，這三類傳感器需要充分利用各自的特長，來跟蹤目標物體的運動。

　　三大優(yōu)勢：

　　1.技術優(yōu)勢

　　慣性式動作捕捉系統(tǒng)采集到的信號量少，便于實時完成姿態(tài)跟蹤任務，解算得到的姿態(tài)信息范圍大、靈敏度高、動態(tài)性能好；對捕捉環(huán)境適應性高，不受光照、背景等外界環(huán)境干擾，并且克服了光學動捕系統(tǒng)攝像機監(jiān)測區(qū)域受限的缺點；克服了VR設備常有的遮擋問題，可以準確實時地還原如下蹲、擁抱、扭打等動作。此外，慣性式動作捕捉系統(tǒng)還可以實現(xiàn)多目標捕捉。

　　2.使用便捷

　　使用方便，設備小巧輕便，便于佩戴。

　　3.成本優(yōu)勢

　　相比于光學動作捕捉，慣性式動作捕捉系統(tǒng)成本低廉，使得其不但可以應用于影視、游戲等行業(yè)，也有利于推動VR設備更快的走進大眾生活。