VR利器惯性动作捕捉系统原理及优缺点解析

　　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。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，国内则有诺亦腾、国承万通等公司。

　　那么惯性式动作捕捉系统是如何正确运用在虚拟现实中的呢？本文将对惯性动捕的工作原理、优势，及其存在的缺点进行解析，希望能与业内人士共同探讨。

　　| 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。

　　惯性式动作捕捉系统具体是如何实现的？

　　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。

　　加速度计，陀螺仪和磁力计又是如何工作的？

　　加速计是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。

　　陀螺仪的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。而又刚好磁力计可以弥补这一缺陷，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。通俗易懂地讲——

　　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”。

　　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。

　　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 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。