3. Системы видеозахвата движений (motion capture).

Технология для записи движений актеров, которые затем используются в компьютерной графике.

3.1 Маркерная система motion capture, где используется специальное оборудование. На человека надевается костюм с датчиками, он производит движения; данные с датчиков фиксируются камерами и поступают в компьютер, где сводятся в единую трёхмерную модель, точно воспроизводящую движения актёра, на основе которой создаётся анимация персонажа.

На сегодняшний день существуют большое количество маркерных систем захвата движений. Различие между ними заключается в принципе передачи движений:

Оптические пассивные. На костюме, входящем в комплект такой системы, прикреплены датчики-маркеры, которые названы пассивными, потому что отражают только посланный на них свет, но сами не светятся. В таких системах свет на маркеры посылается с установленных на камерах высокочастотных стробоскопов и, отразившись от маркеров, попадает обратно в объектив камеры, сообщая тем самым позицию маркера.

Минус оптических пассивных систем заключается в длительности размещения маркеров на актёре. Так же иногда при быстром движении или близком расположении маркеров друг к другу система может их путать.

Оптические активные названы так потому, что вместо светоотражающих маркеров, которые крепятся к костюму актёра, в них используются светодиоды с интегрированными процессорами и радио-синхронизацией. Каждому светодиоду назначается ID, что позволяет системе не путать маркеры друг с другом, а также узнавать их, после того как они были перекрыты и снова появились в поле зрения камер. Во всём остальном принцип работы таких систем схож с пассивными системами.

Минусы активных систем:

-дополнительный контроллер, крепящийся к актёру и подключенный к маркерам-светодиодам, сковывает его движения;

-хрупкость и относительно высокая стоимость маркеров-светодиодов.

Гироскопические инертные системы для сбора информации о движении используют миниатюрные гироскопы и инертные сенсоры, расположенные на теле актёра — также как и маркеры или магниты в других mocap-системах. Данные с гироскопов и сенсоров передаются в компьютер, где происходит их обработка и запись. Система определяет не только положение сенсора, но также угол его наклона.

Минусы гироскопических / инертных систем:

-дополнительный контроллер, прикреплённый к актёру и подключенный к магнитным маркерам, или даже связка проводов, тянущаяся от актёра к компьютеру;

-высокая стоимость гироскопов и инертных сенсоров;

Механические системы напрямую следят за сгибами суставов, для этого на актёра надевается специальный механический mocap-скелет, который повторяет следом за ним все движения. В компьютер при этом передаются данные об углах сгибов всех суставов.

Минусы механических систем:

-мocap-скелет, с дополнительным контроллером, прикреплённым к актёру и подключенным к сенсорам сгибов, а в некоторых случаях и провода, тянущиеся от скелета, сильно ограничивают движения актёра;

-риск поломки механики при неосторожном использовании.

Американская компания Metamotion представляет костюм для захвата движения IGS-190. В комплект костюма входят 18 инерционных гироскопических датчиков, которые точно определяют положение тела в режиме реального времени. Данную систему можно носить под одеждой. Информация, поступающая в процессе работы системы, поступает беспроводным способом на ноутбук или компьютер. Одной из особенностей IGS-190 является возможность работы с получаемыми данными в Autodesk MotionBuilder, специальным программным пакетом, предназначенным для персонажной анимации и обработки данных Motion capture.

Также IGS-190 может быть применен в следующих областях: анимация, анализ походки, анализ движения спортсменов.

Рис.7

В качестве датчиков (сенсоров) движения используются цифровые видеокамеры. Для пометки ключевых областей фигуры человека используются цветные маркеры. При движении человека по сцене его движение фиксируют несколько видеокамер. Синхронные снимки с камер с заданной частотой (25–30 кадров в секунду) передаются на обрабатывающую станцию, где происходит их анализ — выделяются маркеры и вычисляются их трехмерные координаты. Затем маркеры ставятся в соответствие слотам модели (относительным координатам на виртуальной модели, где могут располагаться маркеры), то есть распознается положение каждого маркера на фигуре человека и вычисляется положение скелета в пространстве.

Рис.8

3.2 Безмаркерная технология видеозахвата.

Безмаркерная технология не требует специальных датчиков или специального костюма. Она основана на технологиях распознавания образов. Считается, что безмаркерные системы прогрессивнее, и (по крайней мере с технической точки зрения) это чистая правда: технологии, лежащие в их основе, более сложные и наукоёмкие. Компьютер нужно научить отличать левую и правую стороны персонажа, а бликующие поверхности (например, блестящая ткань) способны сбить безмаркерные системы с толку. Фактически тут требуется полноценное машинное зрение. Рассветом эры безмаркерного захвата стал конец 2010, когда в свет вышло революционное изобретение компании Primesence – микрочип, который в сочетании с инфракрасным проектором и камерой позволяет захватывать движение человека и интерпретировать жесты в данные, которые возможно применить к управлению электронными устройствами.

Московская компания iPi Soft разработала систему захвата движений iPi Desktop Motion Capture, в числе программного обеспечения которой содержится приложение iPi Biomech Add-on. Данное приложение позволяет проводить биомеханический анализ движений человека. Оно может быть использовано для анализа походки в процессе реабилитации, анализа движений спортсменов и исследования кинематики движений 3D моделей.

В источнике приведен подход автоматического моделирования тела человека на основе безмаркерного захвата движения. Первым шагом данного подхода является создание базы данных сканов человека с различных ракурсов с помощью нескольких камер. На основе этой базы строится трехмерная морфинг-модель (морфинг - технология в компьютерной анимации, визуальный эффект, создающий впечатление плавной трансформации одного объекта в другой). Далее, в процессе трекинга, от каждой камеры поступают данные в качестве силуэтов наблюдаемого человека. После чего происходит сопоставление 2D-изображений (силуэтов) и 3D-модели и тем самым, минимизация ошибки моделирования.

Американская компания Organic motionпредставляет программный пакет BioStage, предназначенный для пациентов с проблемами двигательной активности, страдающих такими болезнями как церебральный паралич, болезнь Паркинсона, инсульт, аутизм, гиперкинезы, повреждение головного или спинного мозга и другие нервно-мышечные проблемы. Захват движения помогает врачу не только в принятии решения перед операцией или назначением терапией, но также позволяет терапевту контролировать процесс реабилитации в послеоперационный период. Данная система может быть использована в следующих целях: оценка походки и позы человека, оценка качества движения в спортивной медицине, в неврологических и ортопедических целях.

Рис.9 BioStage

С помощью программы BioStage можно отобразить до 23 костей скелета в 3D формате. При этом автокалибровка достигается за секунды, изображение формируется в режиме реального времени, метод является безопасным и неинвазивным.

Минусом данной системы является высокая стоимость программы и сложность обработки изображения.