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体育行业该如何选择3D动作捕捉系统?这份选购指南快收好!

近年来,动作捕捉在运动和医疗健康行业的应用不断增长,消费、医疗、工业等不同级别的产品数量都在不断增加,体育专业人士必须紧跟最新的产品和最前沿的应用实践。

而随着技术从研究机构逐渐延伸至临床和商业培训领域,如何利用这些专业数据助力商业决策和行业扩展也面临进一步挑战。

在本文中,我们将从动作捕捉技术的工作方式出发,通过不同原理动作捕捉技术在运动领域的应用,挖掘出技术各异的动作捕捉系统的优势和局限性,最后帮助用户做出最佳的产品选择。

什么是3D动作捕捉,它如何工作?

动作捕捉是一个非常宽松的术语,通常指在三个维度上对人体运动数据进行记录。根据原理的不同,分为机械式运动作捕捉、声学式动作捕捉、电磁式动作捕捉、光学式动作捕捉和惯性式动作捕捉。当前市面上主流的三维动作捕捉设备主要是后两种技术。

动作捕捉的工作一部分是标记和跟踪身体运动,另一部分是将该信息转化为对影视、体育和医疗行业中的研究和应用都有价值的数据。

光学式动作捕捉

常见的光学式运动捕捉大多基于计算机视觉原理,它又可以分为基于Marker点和非Marker点的动作捕捉。

基于Marker点的动作捕捉需要在目标物体的关键位置贴上反光点,俗称Marker点,利用高速红外摄像机捕捉目标物体上反光点的运动轨迹,从而反映目标物体在空间中的运动情况。从理论上说,对于空间中的一个点,只要它能同时为两部相机所见,则根据同一时刻两部相机所拍摄的图像和相机参数,可以确定这一时刻该点在空间中的位置。

光学式运动捕捉Marker点

如上图,对于人体进行运动捕捉时,经常需要在人体的各个关节和骨性标志处贴上反光球,通过红外高速摄像机拍摄反光点的运动轨迹,随后进行分析和处理,还原人体在空间的运动。

近些年来,随着计算机科学的发展,另一种非Marker点的技术正在迅速发展,该方法主要利用图像识别和分析技术,直接对计算机拍摄的图像进行分析。但该技术最容易受环境干扰,光线、背景、遮挡等变量都可能对捕捉效果产生较大的影响。

图像识别技术对人体姿态的自动识别

 

惯性式动作捕捉

另外一种较为常见的动作捕捉是基于惯性传感器(Inertial Measurement Unit, IMU)的动作捕捉,实际上就是将芯片集成封装成小的模块绑定在身体的各个环节,通过芯片记录的人体环节的空间运动,后期通过计算机进行算法分析从而转化为人体的运动数据。

惯性传感器套装

由于惯性捕捉主要是在环节点固定惯性传感器,通过传感器的运动计算位置变化,因此,惯性捕捉不容易受到外界环境的影响。

动作捕捉硬件的不同选择

 

不同原理的动作捕捉系统各有优缺点,一般可从以下几个方面进行性能评估:定位精度、采样频率、动作数据质量、快速捕捉能力、多目标捕捉能力、运动范围、环境约束、使用便捷性、适用性等。

一般来说,光学式(主动和被动)定位精准,采样频率和数据质量高,能很好的进行快速动作捕捉,捕捉空间运动范围适中,适用于项目研究。缺点是在室外易受外部环境光干扰。

惯性式佩戴方便,连接简单,捕捉范围广,能实现多人动作捕捉,且标记点之间不存在遮挡和干扰现象,成本较低。但较之于光学动作捕捉,精准度和采样频率较低,惯性动作捕捉市场则倾向于以临床和运动性能为导向的体育和医疗行业的应用级市场。

目前,许多3D动作捕捉系统提供了与其他软硬件同步采集同步分析的功能,以供高级研究或特定需求使用,如测力台,无线表面肌电和足底压力测试等。

动作捕捉结合表面肌电研究

了解动作捕捉软件

大多数用户选择动作捕捉软件功能的目的都是为了将运动数据转换为3D动画模型,以用于科学研究或娱乐用途(动画制作等)。先进的软件还可以单独测量非常精确的运动,也可以根据分析方法的最佳应用创建报告。

用于体育运动的动作捕捉软件的目标是显示运动而无视觉碎片。像视频一样,动作捕捉软件有助于连接其他展示效果较差的数据集,例如肌电数据和力分析。研究人员可以更加直观的看到运动和肌肉募集之间的关系,以及地面反作用力。

动作捕捉软件结合肌电数据同步分析

软件平台的范围包括从非常昂贵的套件到简化的3D播放器。某些软件平台只是文件管理器,因为硬件提供商的期望是平台市场将允许对模拟数据进行分析。因此,他们减少了软件开发,只专注于硬件。但是,仅仅提供单硬件和单软件的公司十分少。

运动中动作捕捉的最佳用途

动作捕捉最早是在1970年代末期在生命科学领域用于步态分析,五十年后,生物力学研究仍然是该技术最普遍的应用之一。

如今,动作捕捉技术已成为尖端临床运动研究的前沿技术,光学和惯性的动作捕捉系统广泛应用于运动领域的各种实践应用中。

例如,动作捕捉正在帮助医生通过对患者的步态分析,纠正动作并改善治疗方法。在运动控制和神经科学领域,动作捕捉技术在帮助一系列复杂的神经肌肉骨骼损伤(例如脑瘫和脊髓膜膨出)患者的恢复方面取得了重大进展。

光学动作捕捉应用于步态分析

在竞技体育领域,动作捕捉和分析技术已广泛应用于教练和运动员的各种运动中,如足球、游泳、网球、高尔夫、田径、篮球等,几乎涵盖所有运动项目。主要应用于三个方面,即运动动作仿真、运动技术分析和运动器械轨迹分析。

光学动作捕捉应用于高尔夫运动研究

惯性动作捕捉应用于橄榄球运动研究

在运动康复领域,动作捕捉技术正在加速康复技术的发展,通过测量和评估确保伤员安全恢复体能,让运动员尽快重返赛场,并最大程度减少再次受伤的概率。

如何选择合适的设备&推荐

动作捕捉技术用于捕捉体育运动领域,首先要满足体育动作速率快,场地不确定,捕捉数据精准方面的现实问题,更重要的是系统设备进场安装,调试,定位佩戴,不影响受试者正常的技术动作。从上文分析可以得出:

光学式(主动和被动)能满足于运动动作迅速的高精度动作捕捉,但由于需要捕捉场景中的标记点,标记点的遮盖和环境中的反光体(玻璃、镜面)都会干扰摄像头数据的采集。因此,光学式动作捕捉适用于运动范围固定且环境中无噪点的区域。

惯性式安装佩戴方便,校准快捷,无空间范围限制可同时进行多人动作捕捉,且不受光线、环境等因素的影响,适用于环境复杂且运动区域较大的数据采集。但采集精度较光学式有所差距。

Qualisys

瑞典Qualisys运动捕捉系统可适应潮湿、水下等极端环境条件,在游泳、冲浪等运动的研究时,无疑是最为理想的选择。

Xsens

目前惯性动作捕捉成熟度较高是荷兰的一家动作捕捉公司Xsens,他们从20世纪初就开始进行该领域的探索,其模型及算法的精度高、产品体积小,在运动人体科学上有很好的应用。Xsens算法模型的高精度,支持整支足球队的动作捕捉。

相信随着更多更加实用的新兴运动捕捉技术的产生,运动捕捉将在体育科研、运动训练、运动康复和体育器材研发等领域发挥更为重大的作用。

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