在運動科學中應用 OptiTrack運動捕捉技術
引言
說到運動捕捉技術，廣為人知的大概就是3D動畫等影視娛樂作品了。然而在許多大眾視野外的領域，運動捕捉技術也在默默發(fā)光發(fā)熱。遇到障礙物能自動轉彎的掃地機器人，小創(chuàng)面手術，運動員科學訓練，都是基于運動捕捉系統(tǒng)實現(xiàn)的現(xiàn)代科技成果。下面就讓我們深潛其中，看看動捕技術是如何推動這些“科學奇跡”的誕生吧。
機器人輔助訓練
現(xiàn)代生活中，機器人的實際運用越發(fā)普及，而隨著技術的發(fā)展，各行業(yè)及終端消費者對機器人的智能性要求也越來越高。機器人目前已被廣泛應用到工業(yè)生產、物流運輸、汽車制造、家用電器等領域，而智能避障功能則成為機器人作業(yè)中不可或缺的能力之一。
在機器人避障訓練中，實驗人員可通過光流場計算法研究機器人的自主避障系統(tǒng)（光流場是指機器人于真實三維世界中的運動軌跡在二維平面上的投影），而在設計與分析測試環(huán)節(jié)，為了驗證避障系統(tǒng)的有效性，科研人員就要用到OptiTrack運動捕捉系統(tǒng)。
該系統(tǒng)可由6個或以上紅外攝像頭組成，在機器人向障礙物移動時，通過捕捉分析機器人身上可反射紅外光線的Marker，在自有軟件Motive Body的坐標系中計算機器人的坐標與障礙物之間的距離、自身旋轉角度等。以OptiTrack Prime系列紅外攝像頭為例，運動跟蹤精度誤差可達亞毫米，能定位追蹤標記點位置和運動軌跡，并在避障系統(tǒng)中計算出碰撞時間，幫助機器人判斷左右側光流場矢量信息（包含大小和方向數(shù)據(jù)），從而做出轉彎避讓的決策。
另一個前端行業(yè)較熱的機器人平衡訓練研究也是基于OptiTrack生物（人體）動捕技術。OptiTrack攝像頭通過紅外光學原理捕捉并記錄人類走路、跑步的姿態(tài)信息，甚至在崎嶇路面仍能保持平衡的動作數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)映射到機器人身上的各個關節(jié)，來有效驅動機器人移動。需要注意的是，在將人類動作映射到機器人身上后，由于機器人與人類身體構造的不完全相同，科學家在基于動捕數(shù)據(jù)的情況下，仍需開發(fā)相關控制器來編程控制機器人的平衡，經過億萬次的訓練后，最終使機器人學習并掌握復雜路況下保持平衡的技巧。
醫(yī)療及康復訓練
自疫情以來，國家各大醫(yī)院都采取了線上會診模式，遠程或線上形式的醫(yī)療會診與交流學習成為主流，而虛擬現(xiàn)實與紅外光學動捕技術的開發(fā)和應用則使線上醫(yī)療會診、高精度手術甚至遠程手術成為可能。
醫(yī)生可將具有光學感應作用的Marker固定在患者腿部，并通過計算機斷層掃描（CT掃描）來測量標記點相對于腿部對應內部點的位置，最終通過紅外光學技術捕捉Marker，確定跟蹤標記點的位置，并結合局部測量值，計算出患者腿部的姿勢，從而幫助機器人（手術機械臂）更好的輔助醫(yī)療活動。
此原理可以幫助醫(yī)生在操作屏幕上實時透視骨骼內部的情況，無需再實行大創(chuàng)面手術，有效減少手術時的醫(yī)源性損害，大大減輕患者痛苦。這種手術方式還為遠程手術提供了可能，醫(yī)生即使不在手術室，也可通過遠程監(jiān)視器觀察手術患部，并實時控制手術機械臂進行手術操作。
除此之外，傳統(tǒng)的醫(yī)療復健過程中，醫(yī)生只能根據(jù)普遍患者的情況給出患者大概的康復時間建議，而使用該技術后，患者則可以隨時復診并得知自己患處的實時恢復情況，并根據(jù)相應情況調整復健計劃。
運動員動作分析
以往訓練時，運動員所需掌握的動作要領常通過有經驗的教練所得，而紅外動作捕捉技術則為傳統(tǒng)的經驗型訓練提供了有力的數(shù)據(jù)支持，讓訓練過程更加高效。通過捕捉和分析世界頂尖運動員的動作數(shù)據(jù)，訓練者能更好地對比和判斷訓練動作差距，并指導其加以改正和優(yōu)化。此外，教練還能比較受訓者前后動作的差異，選取合適的運動軌跡方案。
值得一提的是，以OptiTrack產品為核心的高爾夫運動解決方案Gears Golf，得到了全球高爾夫愛好者喜愛。運動員穿上附著了Marker的運動捕捉服，手持附著了七至八個Marker、不同大小、不同型號的高爾夫球桿，進行揮桿練習。該運動捕捉服由上衣、褲子和特制鴨舌帽組成，Marker依次被附著在動捕服的關鍵骨骼位置點上。同時，不同型號、不同大小的高爾夫球桿內也嵌有一定數(shù)量的Marker。
在揮桿過程中，OptiTrack紅外攝像頭能夠捕捉到運動員的身體運動軌跡、姿態(tài)、球桿運動軌跡、揮桿角度及球桿自轉角度等，同時OptiTrack P17W高速相機通過高頻率拍攝能捕捉球桿觸球瞬間呈現(xiàn)出的角度和位置，有效幫助受訓者達成規(guī)范的訓練姿態(tài)和訓練成果。
OptiTrack運動捕捉系統(tǒng)結合測力平臺，借助運動數(shù)據(jù)解算和大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，運動員還能比較其腳跟或腳尖突然改變方向時對膝蓋的影響，預防不必要的骨骼損傷。
結語
“動”是常態(tài)，也是圖形生成、理解與呈現(xiàn)的核心研究對象。
生命在于運動，捕捉還原精彩。
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