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VR里的惯性式动作捕捉系统究竟是什么？

　　编者按：本文为投稿，来自G-Wearables。G-Wearable 的产品 StepVR 是一套全沉浸式虚拟现实设备，集成了室内定位、动作捕捉、手势识别等多种 VR 技术，属于国内惯性式动作捕捉产品。

　　2016 年，全球范围内 VR 商业化、普及化的浪潮正在向我们走来。VR 是一场交互方式的新革命，人们正在实现由界面到空间的交互方式变迁，这样的交互极其强调沉浸感，而用户想要获得完全的沉浸感，真正 “进入” 虚拟世界，动作捕捉系统是必须的，可以说动作捕捉技术是 VR 产业隐形钥匙。

　　目前动作捕捉系统有惯性式和光学式两大主流技术路线，惯性式虽然后于光学式出现，但以其超低廉成本和简便成熟的处理流程，以及完全实时的数据计算和回传机制，成为了更加炙手可热的技术。接下来为大家解析一下惯性式动作捕捉系统。

　　惯性式动作捕捉系统原理？

　　动作捕捉系统的一般性结构主要分为三个部分：

数据采集设备
数据传输设备
数据处理单元

　　惯性式动作捕捉系统即是将惯性传感器应用到数据采集端，数据处理单元通过惯性导航原理对采集到的数据进行处理，从而完成运动目标的姿态角度测量。

　　具体实现流程如下：

　　在运动物体的重要节点佩戴集成加速度计，陀螺仪和磁力计等惯性传感器设备，传感器设备捕捉目标物体的运动数据，包括身体部位的姿态、方位等信息，再将这些数据通过数据传输设备传输到数据处理设备中，经过数据修正、处理后，最终建立起三维模型，并使得三维模型随着运动物体真正、自然地运动起来。经过处理后的动捕数据，可以应用在动画制作，步态分析，生物力学，人机工程等领域。

　　接下来我们具体看一下加速度计，陀螺仪和磁力计是如何工作的。

　　加速计：用来检测传感器受到的加速度的大小和方向的，它通过测量组件在某个轴向的受力情况来得到结果，表现形式为轴向的加速度大小和方向（XYZ），但用来测量设备相对于地面的摆放姿势，则精确度不高，该缺陷可以通过陀螺仪得到补偿。

　　陀螺仪：工作原理是通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角，并计算角速度，通过夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态。它的强项在于测量设备自身的旋转运动，但不能确定设备的方位。

　　磁力计：磁力计又刚好可以弥补上面陀螺仪的那个缺陷，它的强项在于定位设备的方位，可以测量出当前设备与东南西北四个方向上的夹角。

　　在动作捕捉系统中，陀螺仪传感器用于处理旋转运动，加速计用来处理直线运动，磁力计用来处理方向。通俗易懂的讲，陀螺仪知道 “我们是否转了身”，加速计知道 “我们运动多长距离”，而磁力计则知道 “我们的运动方向” 的，在动作捕捉系统中三种传感器充分利用各自的特长，来跟踪目标物体的运动。

　　惯性式动作捕捉系统优势在哪里？

　　首先是技术优势：惯性式动作捕捉系统采集到的信号量少，便于实时完成姿态跟踪任务，解算得到的姿态信息范围大、灵敏度高、动态性能好；对捕捉环境适应性高，不受光照、背景等外界环境干扰，并且克服了光学动捕系统摄像机监测区域受限的缺点；克服了 VR 设备常有的遮挡问题，可以准确实时地还原如下蹲、拥抱、扭打等动作。此外，惯性式动作捕捉系统还可以实现多目标捕捉。

　　其次是使用便捷的优势：使用方便，设备小巧轻便，便于佩戴。

　　还有成本优势：相比于光学动作捕捉成本低廉，使得其不但可以应用于影视、游戏等行业，也有利于推动 VR 设备更快的走进大众生活。

　　总的来说，惯性式动作捕捉技术有着对捕捉环境的高适应性，它的技术优势、成本优势和使用便捷的优势，使得它在影视动画、体验式互动游戏、虚拟演播室、真人模拟演练、体育训练、医疗康复等领域都有着优异的表现。

　　惯性式动作捕捉系统产品有哪些？

　　目前国际上最富代表性的产品是荷兰 Xsens 公司研发的 Xsens MVN 惯性式动作捕捉系统以及美国 Innalabs 公司研发的 3DSuit 惯性式动作捕捉系统。

　　MVN 是一种全身莱卡套装（也可以采用绑带），使用方便，用户可以在 15 分钟内设置好整个系统。它采用先进的微型惯性传感器、生物力学模型、以及传感器融合算法，带有 17 个惯性跟踪器，可以在 6 自由度跟踪身体移动。

　　Xsens MVN 则具有快速的周转时间且数据传输稳定、无误，可节约高达 80% 的后期处理时间。

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