VR利器慣性動作捕捉系統(tǒng)原理及優(yōu)缺點解析

　　目前動作捕捉系統(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，以及完全實時的數(shù)據(jù)計算和回傳機(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慣性式動作捕捉系統(tǒng)以及美國Innalabs公司研發(fā)的3DSuit慣性式動作捕捉系統(tǒng)，國內(nèi)則有諾亦騰、國承萬通等公司。

　　那么慣性式動作捕捉系統(tǒng)是如何正確運用在虛擬現(xiàn)實中的呢？本文將對慣性動捕的工作原理、優(yōu)勢，及其存在的缺點進(jìn)行解析，希望能與業(yè)內(nèi)人士共同探討。

　　| 慣性式動作捕捉系統(tǒng)原理

　　動作捕捉系統(tǒng)的一般性結(jié)構(gòu)主要分為三個部分：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)航原理對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而完成運動目標(biāo)的姿態(tài)角度測量。

　　慣性式動作捕捉系統(tǒng)具體是如何實現(xiàn)的？

　　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(shè)備，傳感器設(shè)備捕捉目標(biāo)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(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(yīng)用在動畫制作，步態(tài)分析，生物力學(xué)，人機(jī)工程等領(lǐng)域。

　　加速度計，陀螺儀和磁力計又是如何工作的？

　　加速計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(qiáng)項在于測量設(shè)備自身的旋轉(zhuǎn)運動，但不能確定設(shè)備的方位。而又剛好磁力計可以彌補這一缺陷，它的強(qiáng)項在于定位設(shè)備的方位，可以測量出當(dāng)前設(shè)備與東南西北四個方向上的夾角。

　　在動作捕捉系統(tǒng)中，陀螺儀傳感器用于處理旋轉(zhuǎn)運動，加速計用來處理直線運動，磁力計用來處理方向。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)中三種傳感器充分利用各自的特長，來跟蹤目標(biāo)物體的運動。

　　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慣性式動作捕捉系統(tǒng)以及美國Innalabs公司研發(fā)的3DSuit慣性式動作捕捉系統(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 個慣性跟蹤器，可以在6自由度跟蹤身體移動。Xsens MVN 具有快速的周轉(zhuǎn)時間且數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、無誤，可節(jié)約高達(dá) 80% 的后期處理時間。