面部表情捕捉不同原理的类型与应用现状

　　什么是面部表情捕捉

　　动作捕捉？什么是面部表情捕捉？从字面上可以直观地理解为通过各种技术手段记录被观察对象(人或物，或动物)的动作，并做有效的处理。但用专业术语来说，它是一种能够实时准确地测量和记录物体在实际三维空间中的各种运动轨迹和姿态，并在虚拟三维空间中重建这个运动物体在每一时刻的运动的高科技技术。是的，动作捕捉是一项技术。

　　面部表情捕捉原理不同的设备

　　既然是技术，总有不同的实现方式。动作捕捉技术目前可以分为以下几种:光学、惯性、机械、声学、电磁。

　　Optical动作捕捉它通过光学镜头捕捉固定在人体或物体上的标志物的位置信息，从而捕捉动作和姿态。Optical动作捕捉由一整套精密复杂的光学相机实现。基于计算机视觉原理，多个高速摄像机从不同角度跟踪目标特征点，捕捉全身动作。Optical动作捕捉可分为被动式和主动式。这种分类不同于标记。主动是指标志物主动发光甚至有自己的ID码，这样镜头就可以在视野内观察到标志物自身的光，并记录捕捉其运动轨迹。无源光学动作捕捉通过镜头本身的灯板发出特定波长的红外光，照射标识物。标识物通过特殊的反射处理，可以反射反光镜大灯板发出的红外光，使镜头捕捉并记录标识物在视野内的运动轨迹。

　　光学动作捕捉系统捕捉人体运动。

　　惯性动作捕捉是利用惯性导航传感器AHRS(姿态参考系统)和IMU(惯性测量单元)测量被捕获的人或物体的运动加速度、方位角、倾斜角等特征。惯性动作捕捉需要各种无线控制，电池组，传感器等配件。它就像穿在身上的一整套衣服，通过各个部位的传感器捕捉人体或物体的数据。

　　Mechanical动作捕捉system依靠机械装置来跟踪和测量运动轨迹。典型的系统由多个接头和刚性连杆组成。角度传感器安装在可旋转的关节中，可以测量关节旋转角度的变化。当装置运动时，根据角度传感器测得的角度变化和连杆的长度，可以得到杆的端点在空间的位置和运动轨迹。

　　Acoustic动作捕捉系统一般由发射机、接收机和处理系统组成。发射装置一般指超声波发生器，接收系统一般由三个以上的超声波探头组成。通过测量声波从发射器到传感器的时间差或相位差，确定到接收器的距离，并根据三个三角形接收传感器获得的距离信息计算超声波发生器到接收器的位置和方向。

　　电磁动作捕捉系统一般由发射机、接收机和数据处理单元组成。发射源在空间产生按一定时空规律分布的电磁场；接收传感器放置在表演者身体的关键位置。当表演者在电磁场中移动时，接收传感器通过电缆或无线将接收到的信号传输到处理单元。根据这些信号，可以计算每个传感器的空间位置和方向。

　　动作捕捉设备应用状态

　　机械动作捕捉虽然成本低，精度高，但是由于机械设备的体积和重量，使用起来非常不方便。而声学动作捕捉延迟大，精度低，在大多数应用中无法使用。电磁动作捕捉设备对环境要求严格。如果演出场地附近有金属物体，会造成电磁场畸变，影响精度。所以现代很少使用机械、声学、电磁动作捕捉系统。

　　目前主流的动作捕捉技术有惯性动作捕捉和光学动作捕捉。在optical动作捕捉中，由于主动式标记器需要电源，固定标记器所需的配件和电路会影响其使用，所以目前主流使用的optical动作捕捉几乎都是被动式光学动态捕捉。与被动光学动作捕捉亚毫米级的精度相比，惯性动作捕捉的误差随时间积累，其精度不如被动光学动作捕捉；在使用环境中，惯性动作捕捉的传感器长时间暴露在磁场中可能会被磁化，所以要远离磁场(包括但不限于电脑、键盘、电视等。)使用时。无源光学动作捕捉在自动控制、运动分析、步态分析、虚拟现实、人体工程学、影视动画等领域往往更具优势。考虑到惯性动作捕捉相对于无源光学动作捕捉的价格优势，在一些对精度要求不高的领域(比如电影、电视剧中针对某些人的动作捕捉)往往会选择惯性动作捕捉。