惯性动捕作为一门新兴的动作捕捉技术，它的出现打破了光学动捕占据市场绝对主导的行业格局，并且被视为动作捕捉界的新生力量。基于惯性传感器系统的动作捕捉技术是一项综合性技术，它融合了传感器技术、无线传输、人体动力学、计算机图形学等多种学科，对技术门槛的要求很高。惯性动作捕捉技术出现的时间不算长。它在各行业中开始被使用。随着在各行业中的使用，其卓越的性能迅速展现了出来。

惯性动作捕捉是一种新型人体动作捕捉技术。它通过无线动作姿态传感器来采集身体部位的姿态方位。利用人体运动学原理可以恢复人体运动模型。并且采用无线传输的方式将数据呈现在电脑软件里。

惯性动作捕捉系统出现之前，常见的是光学动捕技术。这种技术是在演员身上贴点，接着用高速摄像机捕捉点的准确位移，之后将捕捉数据传输到电脑设备上，从而完成动作捕捉的全过程。光学动捕的整套设备成本非常昂贵，架设过程很繁琐，容易受到遮挡或光干扰的影响，给后期处理工作带来诸多麻烦。对于一些遮挡情况较为严重的动作，比如下蹲、拥抱、扭打等，光学动捕难以准确且实时地还原这些动作。而随着基于惯性传感器系统的动作捕捉技术的出现，这一现状得到了极大的改善。

惯性动作捕捉技术与光学动捕技术相比，具有对捕捉环境的高适应性。其技术优势、成本优势以及使用便捷的优势，使得它在各行业都能有优异表现。在影视动画领域，惯性动作捕捉系统有明显优于其他设备的特点；在体验式互动游戏领域，惯性动作捕捉系统有明显优于其他设备的特点；在虚拟演播室领域，惯性动作捕捉系统有明显优于其他设备的特点；在真人模拟演练领域，惯性动作捕捉系统有明显优于其他设备的特点；在体育训练领域，惯性动作捕捉系统有明显优于其他设备的特点；在医疗康复领域，惯性动作捕捉系统有明显优于其他设备的特点。

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包含三个部分。其一为数据采集设备，其二是数据传输设备，其三是数据处理单元。惯性式动作捕捉系统把惯性传感器运用到了数据采集端。数据处理单元依据惯性导航原理来处理采集到的数据。通过这样的方式，就能够完成运动目标的姿态角度测量。

在运动物体的重要节点佩戴惯性传感器设备，如集成加速度计、陀螺仪和磁力计等。这些传感器设备能够捕捉目标物体的运动数据，比如身体部位的姿态和方位等信息。接着，将这些数据通过数据传输设备传输到数据处理设备中。在数据处理设备中，对这些数据进行修正和处理。最终，建立起三维模型，并且让三维模型随着运动物体真正、自然地运动起来。

处理后的动捕数据能在人机工程领域使用。

加速度计，陀螺仪和磁力计在惯性动作捕捉系统中的作用

加速计用于检测传感器所受加速度的大小和方向。它通过测量组件在某轴向的受力状况来获取结果，其表现形式为轴向的加速度大小和方向（XYZ）。然而，若用于测量设备相对于地面的摆放姿势，精确度并不高，而该缺陷可由陀螺仪予以补偿。

陀螺仪的工作原理是：测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角，同时计算角速度，然后依据夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态。它的强项在于对设备自身旋转运动的测量，然而却无法确定设备的方位。而磁力计刚好可以弥补这一缺陷，它的强项在于对设备方位的定位，能够测量出当前设备与东南西北四个方向上的夹角。

陀螺仪传感器在动作捕捉系统中用于处理旋转运动；加速计在动作捕捉系统中用来处理直线运动；磁力计在动作捕捉系统中用来处理方向。通俗来讲，陀螺仪能知晓“我们是否转了身”；加速计能知晓“我们运动了多长距离”；磁力计能知晓“我们的运动方向”。

动作捕捉系统中，三种传感器各自发挥特长，用于跟踪目标物体的运动。

惯性动作捕捉技术的优势

技术优势

惯性式动作捕捉系统采集到的信号量较少，这样便于实时完成姿态跟踪任务。它解算得到的姿态信息范围较大，灵敏度高，动态性能良好。该系统对捕捉环境的适应性较高，不会受到光照、背景等外界环境的干扰，并且克服了光学动捕系统摄像机监测区域受限的缺点。同时，它还克服了 VR 设备常有的遮挡问题，能够准确实时地还原下蹲、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。

使用便捷的优势

使用方便，设备小巧轻便，便于佩戴。

成本优势

光学动作捕捉成本低廉，这使得它不但能应用于影视、游戏等行业，还有利于推动 VR 设备更快地走进大众生活。

总的来说，惯性式动作捕捉技术对捕捉环境具有高适应性。其技术优势明显，成本有优势，使用也便捷。正因如此，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、医疗康复等领域都能有优异表现。

惯性式动作捕捉系统的劣势及解决

一般情况下，惯性式动作捕捉系统会采用由 MEMS 三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计组成的惯性测量单元（IMU）来测量传感器的运动参数。然而，IMU 所测得的传感器运动参数存在严重的噪声干扰，并且 MEMS 器件本身存在明显的零偏和漂移。正因如此，惯性式动作捕捉系统无法长时间地对人体姿态进行精确的跟踪。要使惯性式动作捕捉系统在 VR 行业充分发挥作用，就必须解决这一个问题。

针对惯性捕捉技术劣势的解决方案

首先对 IMU 所测得的传感器运动数据进行预处理工作。接着，将原始惯性数据中掺杂的噪声干扰过滤掉。

然后持续进行标定与校准的工作，也就是持续对各个惯性器件进行相应的补偿，以此来解决 MEMS 器件的零偏和漂移问题，进而提高其数据的精确度以及可靠程度。

首先进行姿态解算，然后利用姿态参考系统来验证姿态角度数据的精确度，最后实现整个惯性式动作捕捉。

此外，与之前的情况不同，国内的 G-采用 IK 加上室内定位技术来进行主动作捕捉算法，同时使用惯性式动作捕捉作为辅助算法。在这套方案里，通过室内定位技术对惯性式动作捕捉技术进行实时校准，这样就避免了一直需要校准的麻烦。

IK算法

IK 是反向运动学的缩写。在人体分层结构里，关节和骨骼构成了运动链，像肩关节、肘关节、腕关节及其子骨骼就形成了一条运动链，它是整个人体运动链的一条分支，身体通过运动链来控制运动。运动分为正向运动和反向运动。已知链上各个关节的旋转角，需要求出各关节的位置信息以及末端效应器（end）的位置信息，这属于正向运动学的问题；已知末端效应器的位置信息，反过来去求解其祖先关节的旋转角和位置，这就是反向运动学。

反向运动学的作用是根据决定运动的几个主关节的最终角度来确定整个骨架的运动。这种方法通常被应用于环节物体，这些环节物体是由不同运动约束的关节连接成的环节所构成的分级结构骨架。分级结构骨架由许多采用分级方式组合的环节链组成，其中包含分级结构关节或链、运动约束以及效应器。效应器能够带动所有部分同时运动。但要遵循特定的等级关系，这样在变换时能阻止各个部件朝不同方向散开。例如投球动作，只明确出球的起始位置、终了位置以及路径，手臂等会随着关节的转动，依据反向运动学自动计算得出。反向运动学方法在一定程度上减轻了正向运动学方法那种繁琐的工作，是生成极为逼真关节运动的较好方法之一。

IK算法在动作捕捉系统中的应用

已知末端效应器的位置信息后，反求其祖先关节的旋转角和位置，这就是反向运动学。我们通过室内定位技术获取末端效应器的位置信息，接着利用 IK 算法推算出祖先关节的旋转角和位置，以此知晓运动者的运动信息，最后利用运动信息实现实时动作跟踪显示。

利用激光定位技术，通过墙上的激光发射器扫描佩戴者机身上的位置追踪传感器（也就是 IK 算法中的末端效应器），以此获得位置和方向信息。具体而言，这种室内定位技术依靠激光和光敏传感器来确定运动物体的位置。若干个激光发射器会被安置在对角，构成一个矩形区域，该区域能够依据实际空间大小进行调整。每个激光发射器内部设计了两个扫描模块。这两个扫描模块分别在水平方向和垂直方向进行工作。它们轮流对定位空间发射激光，实现横竖激光扫描定位空间的功能。运动者的身上安装有光敏传感器。通过光敏传感器接收到激光的时间，能够计算出光敏传感器的准确位置。

利用激光室内定位技术获取传感器的精确位置后，就能够运用 IK 算法反向推算出祖先关节的旋转角和位置，进而知晓运动者的运动信息。然而，在激光定位过程中，可能会出现遮挡问题，像下蹲、拥抱、扭打等这类动作就可能导致遮挡情况的发生。应用惯性传感器进行补充跟踪。当出现遮挡情况时，IK + 室内定位相结合的动作捕捉技术无法完全准确地实现，此时利用惯性式动作捕捉技术来做补充。同时，可以利用室内定位技术对惯性式动作捕捉技术进行实时校准，无需另行校准，这样既能解决遮挡问题，又能避免惯性式动作捕捉无法长时间精确工作的弊端。

惯性捕捉技术的应用领域

在影视制作、动漫制作、游戏制作领域的应用

在影视制作方面，惯性动捕设备被加入进来。这样一来，拍摄效率得到了大大提高。同时，后期处理的难度和成本也降低了。

我们知晓，光学动捕设备在兼顾实时性与还原性方面存在不足，有些特殊动作甚至无法做到实时还原，并且还会受到空间的限制。与之进行对比，惯性传感器动作捕捉系统则有很大的不同。惯性动捕不仅能够识别更多的场景，而且在管理方面也更加智能。利用全无线传感器完成电影拍摄过程中的动作捕捉，不会影响演员的穿戴。它能够保证演员脚步真实平稳地移动，让运动还原自然流畅。甚至一些大动态动作也能被顺利捕捉。基于惯性传感器系统的动作捕捉设备，作为目前市面上性能卓越、易用精准的动作捕捉系统，一经上市就很受青睐。

在动漫制作和游戏制作领域，如今很多游戏制作里角色的动作设置，像武打游戏中的劈砍等动作，是借助动作捕捉来获取的。由于惯性动捕具备良好的实时性以及各种技术优势，所以这项技术在动漫和游戏中得到了广泛应用。它让动画画面更加逼真、自然，使游戏角色的行动更加自然细腻，对提升动画品质很有帮助。

在虚拟现实交互体验、游戏互动领域的应用

动作捕捉技术的一大应用是真人与虚拟角色的实时互动。比如在虚拟演播室中，以及电影实时预演时，还有真人与虚拟游戏角色互动等情况。

虚拟演播室现已较为成熟。在许多电视台的栏目里都能见到类似场景。其基本操作方式为：首先让主持人在绿色幕布下进行拍摄，接着实时利用抠背机将人物扣下并附着到虚拟场景中。一般的惯性动捕，因为虚拟角色会位移，所以无法实现主持人与虚拟角色的交互。然而，随着技术的不断进步，优秀的惯性动作捕捉设备已经具备了实现这一功能的能力。它不仅动捕位移误差极小，还能够实现来回运动数十米或者随意运动持续十分钟，完全能够满足虚拟演播室内主持人与虚拟角色的互动需求。

关于这一技术的应用，2014 年世界杯节目有相关例证。“我爱世界杯”和“超级世界杯”两档节目都运用了惯性动捕技术。在这两档节目的演播厅中，设置了拟真度极高的虚拟球员。在播出的节目里，虚拟球员与现场嘉宾及主持人进行了良好的实时互动。其演播方式让观众感到耳目一新。

从更前沿的视角来看，动作捕捉技术能产生革命性价值的领域会出现在虚拟现实游戏中。比如，将利用惯性传感器实现的动作捕捉与头戴式显示设备相结合，能让游戏从客厅或固定场景拓展到更自由的场景，并且动作的精度会有质的提升。目前，众多游戏界的领军企业都有意愿去尝试使用惯性传感器动作捕捉设备。业内预测，有超过 70 个游戏可能会运用这一设备来进行体验。这意味着惯性动捕技术在未来动捕界将会拥有广阔的市场前景。

在多人模拟仿真演练领域的应用

惯性动作捕捉系统可为军队训练和消防演练提供多种服务。它能提供虚拟仿真环境，还能进行野外演习以及角色扮演训练等。虚拟军事环境仿真使得大批教员和学员无需进入真实野战环境就能完成训练，从而极大地节省了人力物力以及其他方面的消耗。目前，惯性动作捕捉技术已被应用于世界领先的军事模拟训练系统开发中，并且取得了很好的仿真演练效果。

在体育训练及运动分析领域的应用

在动作分析与运动医学研究领域，研究者需对众多运动数据展开分析，像速度、加速度、角速度等。这些数据不仅数量极为庞大，还时常会受到诸如较大视角、较远距离、人为理解偏差等因素的影响。惯性传感器动作捕捉系统从原理层面彻底化解了上述问题，其能够精准捕捉运动人体的动作细节，从而为运动员和教练分析运动状况提供依据。在这方面有成功的案例。比如针对高尔夫运动者的姿势矫正产品。用户使用这款产品时，将其夹在球杆上，就能捕捉到挥杆的节奏、速度，以及杆头的轨迹、角度等数据。这些数据有助于锻炼者改进姿势，提升球技。

另外，通过惯性动捕能够计算出打篮球过程中的运球次数、传球次数、投篮次数以及篮板球数量等；还能够计算出打台球时的击球次数和进球概率等。这样一来，体育教学与训练步入了数字化时代，训练水平得到了大幅提升。与此同时，它让远程教学成为了可能，尤其对帆船、攀岩等具有特殊要求的运动较为适合。总的来说，这种利用惯性动作捕捉设备获取的分析、评估数据是实时且准确的。它在提高运动成绩方面有很大帮助，在预防损伤方面有很大帮助，在状态恢复方面也有很大帮助。

在医疗健康虚拟体验领域的应用

惯性动作捕捉技术还可应用于动力学仿真评估，效果显著，为医疗机构提供了高效、低成本的解决方案。骨病患者或行动不便者可使用惯性动作捕捉系统进行全身、半身以及个别部位的测量并获得报告。医生分析传感器传输的数据，就能为患者提供迅速简洁的解决方案。

目前，国内的一些医疗实验室已开始尝试利用惯性动捕开发来辅助癫痫病人进行诊断和康复训练。医生在判断病人病情时，传统做法是通过目测病人的步态和体征来得出结论。而动作捕捉设备更为精准和智能，它借助数字化的精密测量方式，能更客观地进行数据统计和诊断，还能提供客观准确的数据以反映病人的治疗效果。

另外，通过对步态进行量化分析，惯性动作捕捉技术能够提供实时的运动学数据和动力学数据。这些数据对假肢的研发提供依据，也能为假肢的最优安装提供依据，还能为假肢的安全使用提供依据，并且这些依据较为准确。

在工业测量和设计领域的应用

惯性动作捕捉能为虚拟工业测量提供精准数据，能为设计用户创造交互式且非侵入式的设计环境。它可应用于工作场所设计、汽车测试、航空航天研究等工业测量设计领域。比如在汽车设计领域，研究者可用其研究汽车驾驶室内的操控性能、方向盘距离、进出车门的方便性以及车身高度等；在机械设计领域，可用于操作台的安装、洗衣机高度的设计等。它能够有效提高生产力并节约生产环境成本。在生产线的操作方面，它能够为用户提供专业的精确定位。通过这种方式，可以解决生产和控制过程中重复运动的问题。

惯性动作捕捉技术在不断完善，其精准程度日益提高，应用范围也愈发广泛。除了前文介绍的七大方面，它在舞台特效领域能有所作为，在机器人控制领域能有所作为，在人机工程领域能有所作为，在化学化工在线仿真领域能有所作为，在汽车碰撞及震动分析领域能有所作为等。

目前，动作捕捉界的市场主要由光学动捕技术主导。能够利用惯性传感器来开发人体全身运动捕捉系统的厂商数量很少。这足以表明惯性动捕系统具有不可估量的巨大潜力。以中国诺亦腾公司为代表的惯性动捕技术，凭借其技术实力，通过修炼内功，填补了中国市场的空白，并逐渐在市场中占据了先机。它必然会扛起动作捕捉行业的重要旗帜，将国内动捕行业格局全面进行扭转，能够成为与光学动捕在市场上平分秋色的技术，并且更具有市场竞争力，是重头技术。