動作捕捉從字面意思可以直觀地理解為通過各種技術手段記錄被觀察對象（人或物，或是動物）的動作，并做有效的處理。從專業角度來看，動作捕捉是一項能夠實時地準確測量、記錄運動物體在實際三維空間中的各類運動軌跡和姿態，并在虛擬三維空間中重構這個物體每個時刻運動狀態的高新技術。

既然是一項技術，那么總是有各類不同方式實現這項技術的。動作捕捉技術現階段可以分為以下幾種：光學式，慣性式，機械式，聲學式，電磁式。

光學式動作捕捉是通過光學原理來完場物體的捕捉和定位的。是通過光學鏡頭捕捉固定在人體或是物體上面的marker的位置信息來完成動作姿態捕捉。光學動作捕捉可分為被動式和主動式兩種。這個分類是從marker來區別的。主動式是指marker是主動發光甚至可以自帶ID編碼的，這樣鏡頭在視野中可以通過marker自身發光來觀測它，并記錄捕捉到其的運動軌跡。而被動式光學動作捕捉是通過鏡頭本身自帶的燈板發出特定波長的紅外光，照射到marker上，marker是通過特殊反光處理，可以反射鏡頭燈板發出的紅外光，這樣鏡頭就能在視野里捕捉記錄該marker的運動軌跡。

慣性動作捕捉則是采用慣性導航傳感器AHRS(航姿參考系統)、IMU(慣性測量單元)測量被捕捉者或物體的運動加速度、方位、傾斜角等特性。慣性動作捕捉需要各類無線控件，電池組，傳感器等一些配件。類似一個整裝衣服穿在身上，通過各個部位的傳感器來捕捉人體或物體的數據。

機械式動作捕捉系統依靠機械裝置來跟蹤和測量運動軌跡。典型的系統由多個關節和剛性連桿組成，在可轉動的關節中裝有角度傳感器，可以測得關節轉動角度的變化情況。裝置運動時，根據角度傳感器所測得的角度變化和連桿的長度，可以得出桿件末端點在空間中的位置和運動軌跡。

聲學式動作捕捉系統一般由發送裝置、接收系統和處理系統組成。發送裝置一般是指超聲波發生器，接收系統一般由三個以上的超聲探頭組成。通過測量聲波從一個發送裝置到傳感器的時間或者相位差，確定到接受傳感器的距離，由三個呈三角排列的接收傳感器得到的距離信息解算出超聲發生器到接收器的位置和方向。

電磁式動作捕捉系統一般由發射源、接收傳感器和數據處理單元組成。發射源在空間產生按一定時空規律分布的電磁場；接收傳感器安置在表演者身體的關鍵位置，隨著表演者的動作在電磁場中運動,接收傳感器將接收到的信號通過電纜或無線方式傳送給處理單元，根據這些信號可以解算出每個傳感器的空間位置和方向。

不同原理的動作捕捉設備各有其優缺點。機械式動作捕捉雖然成本低，精度也較高，但是由于機械設備有尺寸及重量等問題，使用起來非常不方便。而聲學式動作捕捉的延遲很大，精度不高，大部分動作捕捉的應用領域都無法使用。電磁式的動作捕捉設備對于環境的要求很嚴格，如果表演場地附近有金屬物品，就會造成電磁場畸變，影響精度。所以，機械式、聲學式與電磁式的動作捕捉系統在現代已較少應用。

目前主流的動作捕捉技術是慣性動作捕捉與光學動作捕捉。光學動作捕捉中，由于主動式marker需要供電，在固定marker時需要的配件和線路會影響使用，所以現在主流使用的光學動作捕捉幾乎為被動式光學動捕。與被動式光學動作捕捉亞毫米級的精度相比，慣性動作捕捉的誤差隨著時間而累積，精度上不如被動式光學動作捕捉；在使用環境上，由于慣性動作捕捉的傳感器長時間暴露在磁場中可能會造成傳感器磁化，所以在使用時要遠離磁場（包括但不限于電腦、鍵盤、電視等）。在自動化控制、運動分析、步態分析、虛擬現實、人機工效、影視動畫等領域，被動式光學動作捕捉往往更具優勢。考慮到慣性動作捕捉相對被動式光學動作捕捉具有的價格優勢，在一些對精度要求不那么高的領域（如部分電影電視中的人群的動作捕捉），往往會選用慣性動作捕捉。

（1）無人機&無人車協同控制

光學動作捕捉系統可作為室內定位設備，采集三維空間XYZ坐標、六自由度（6Dof）、偏航角（Yaw）、橫搖角（Roll）、俯仰角（Pitch）、歐拉角等數據，為無人機無人車協同控制、運動規劃、多智能體集群與編隊、多智能體動作跟隨、多智能體自主避障提供亞毫米級的定位數據。

例1：北京理工大學-多智能體協同控制實驗平臺

場地大小：4米×4米

被捕捉物：E-puck無人車，無人機

核心配置：8個Mars 2H動作捕捉鏡頭

北京理工大學在NOKOV度量光學動作捕捉系統的基礎上搭建了一套以無人機、地面移動機器人/無人車為控制對象的異構多智能體協同/地空協同/無人機集群控制實驗平臺，該平臺可實現對多種異構智能體控制算法進行驗證，并模擬出空地協同巡邏、無人車圍捕和探測圍捕等多種軍事場景。

例2：電子科技大學-基于Crazyswarm的Crazyflie無人機編隊

場地大小：3米×4米

被捕捉物：Crazyflie無人機

核心配置：8個Mars 2H動作捕捉鏡頭

電子科技大學基于NOKOV度量室內動作捕捉系統的無人機自主建造實時控制系統和可視化界面平臺，現已完成了全部由無人機自主完成的搭建試驗，向實現空中無人機自主建造的目標更近了一步。

(2) 仿生機器人

光學動作捕捉系統可采集三維空間XYZ坐標、六自由度（6DoF）、頭和軀干、上肢（肩、肘、腕、手）、下肢（髖、膝、踝、足） 等關節角度數據，為仿生機器人的位姿控制、運動規劃提供連貫、流暢的動作數據基礎。然后將運動學數據作為機器人的運動、步態和位姿基礎數據，對仿生機器人進行動作估計和控制、步態規劃 和控制、位姿規劃和控制，使其按照預期的運動軌跡執行人類為其設定的動作任務。

例：山東大學控制學院-四足仿生機器人的步態優化

場地大小?：14米×8米

被捕捉物?：四足機器人

核心配置：?12個Mars 2H動作捕捉鏡頭

研發過程中，為了準確采集機器人的運動步態信息，研究人員借助NOKOV度量光學三維動作捕捉系統，在室外捕捉仿生機器人的運動姿態，以供他們進行調整，優化越障行為。

(3) 外骨骼機器人

光學動作捕捉系統可采集三維空間XYZ坐標、六自由度（6Dof）、頭和軀干、上肢（肩、肘、腕、手）、下肢（髖、膝、踝、足）等 關節角度數據，為外骨骼機器人的位姿控制、運動規劃提供連貫、流暢的動作數據基礎。

例：南方科技大學-生機電一體化穿戴式機器人的研發

場地大小：1.8米×2米

被捕捉物：步態、人體關節角度、外骨骼機器人

核心配置：12個Mars 2H動作捕捉鏡頭

南方科技大學基于降低殘疾人做行走、負重行走、上下樓梯、站起等復雜動作時的新陳代謝消耗的目的，研發了包含踝 關節和膝關節的機器人化動力大腿假肢。NOKOV度量三維動作捕捉系統為其提供了包括研究過程中的髖膝踝等重點 關節角度。付成龍教授將NOKOV度量光學三維動作捕捉系統與三維測力平臺、表面肌電儀、足底壓力測量儀等 設備同步運行，獲取人的六自由度（6DoF）的運動軌跡和運動學參數，進行精確的步態分析，并作為運動規劃和位姿 規劃的基礎數據，解決了相容性問題。

(4) 機械臂

光學三維捕捉系統可采集三維空間XYZ坐標、六自由度（6Dof）、手部和上肢（肩、肘、腕）的關節角度數據，為機械臂的位姿控制、 運動規劃提供連貫、流暢的動作數據基礎。再將捕捉到的人體運動學數據作為機械臂的運動基礎數據，對機械臂進行動作估計和控制、位姿規劃和控制， 使其按照預期的運動軌跡執行人類為其設定的動作任務。

例：哈爾濱工業大學（深圳）-裝配機器人（機械臂）組裝技能學習

場地大小：1m×1m

被捕捉物：手部動作

核心配置：?6個Mars 2H動作捕捉鏡頭

哈爾濱工業大學深圳機電工程與自動化專業的研究團隊運用NOKOV度量6個捕捉鏡頭獲取人手在組裝過程中的六自由度信息，該信息包括了手部的位置以及方向信息。然后通過獲取的裝配演示動作信息，由編程得出機器人的控制策略，以驅動機器人在新環境下完成相同的裝配任務。

(5) 船舶、海洋和水下應用

1. 船舶、海洋結構物及漁業

光學三維動作捕捉系統作為定位系統，可以獲得船舶和海洋結構物模型六自由度運動學參數，用于分析其在風浪流作用下運動響應，或作為位姿傳感器，驗證動力定位系統可靠性。

例：運輸部天津水運工程科學研究院水下懸浮隧道工程技術研究項目

場地大小：22米×20米

被捕捉物：懸浮隧道

運輸部天津水運工程科學研究院利用布置在試驗水池周圍的24個NOKOV度量 Mars 2H光學動作捕捉鏡頭，捕捉標志點位置，準確獲取隧道模型的運動變形響應。

2. 水下機器人

光學三維動作捕捉系統可廣泛用于水下機器人開發驗證，獲取機器人的位置信息和運動姿態。對于多水下機器人協同控制，動作捕捉系統可作為室內實驗室環境定位方案，為機器人提供自身及其他機器人位置信息。

例：哈爾濱工業大學-水下機器人

被捕捉物：水下機器人

虛擬現實，又稱虛擬技術，它利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界， 用戶可以即時地觀察虛擬空間內的事物。用戶進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的虛擬世界視頻傳回產生臨場感。光學動作捕捉系統可實現低成本低延時高精度的定位追蹤，沉浸式體驗。

例：中國科學技術大學（USTC）-動作捕捉系統用于多用戶虛擬空間行走&交互實驗

場地大小：10米×10米

被捕捉物：HMD頭盔

核心配置：12個Mars 2H動作捕捉鏡頭

通常情況下，由于虛擬空間和現實空間的幾何形狀的不匹配，雖然虛擬空間范圍很大，但是實際空間范圍比較小，而且多名用戶在同一空間時，存在互相碰撞的危險。為了解決用戶之間存在互相碰撞風險的問題，中國科學技術大學的劉老師團隊設計了一種利用“虛擬化身（avatars）“的方法。當兩個用戶有碰撞風險時，系統在其中一個用戶的行走路線前方生成一個動態化身，作為指示物提示用戶遠離化身，進而避免用戶間發生碰撞。中科大的多用戶虛擬空間行走&交互實驗中使用了12個NOKOV度量 Mars 2H紅外光學動作捕捉相機獲取用戶在三維空間中的位置。

（1）步態分析

步態分析是研究步行規律的檢查方法，旨在通過生物力學和運動學手段，結合步態異常的關鍵環節及影響因素，從而指導康復評估和治療，同時也有助于臨床診斷、療效評估及機理研究等。正確且高效的步態分析，對于醫療工作者與與病患都是極其重要的。光學動作捕捉系統可實時進行動作數據采集，與 三維測力平臺、 三維測力跑臺、 表面肌電儀、 足底壓力測量儀等設備同步，采集行走、跑步等運動學數據。

例：上海岳陽醫院-步態分析

場地大小?12米×8米

被捕捉物?人體動作

核心配置?12個Mars 2H動作捕捉鏡頭

由姜淑云主任領導的上海中醫藥大學附屬岳陽中西醫結合醫院的步態與運動分析中心基于NOKOV度量動作捕捉工程師團隊的設計與協作，在兩個不同大小的實驗室內，分別布置了12個、24個動作捕捉鏡頭，以及不同數量的三維測力臺和表面肌電。用戶通過三維步態分析系統，采集受試者行走過程的動作，根據系統所出的報告，獲取以髖膝踝為主的下肢關節角度、關節間作用力、力矩、特定肌肉的表面肌電數據，進而根據這些數據判斷患者異常發生的原因，制定個性化的干預方案。

（2） 運動分析

運動科學領域研究中，全面了解人體運動方式，獲取精確的運動數據是十分重要的。光學動作捕捉系統可以采集研究對象亞毫米級精準的位置信息、路徑形狀和運動行為數據，供進一步進行可用性分析、用戶體驗分析、舒適度分析、用戶行為觀察等人機工效學研究，適應不同大小的實驗空間。

例：中國殘疾人體育運動管理中心-殘疾人滑雪運動數據庫建立

場地大小?4米×4米

被捕捉物?滑雪運動員

核心配置?8個Mars 2H動作捕捉鏡頭

中國殘疾人體育運動管理中心通過引入了NOKOV度量光學動作捕捉系統來高效、快捷地獲取大量基于三維的殘疾人運動數據集，用于評價和糾正殘疾人滑雪運動時的動作和姿態等。

（1）??? 影視動畫游戲

光學動作捕捉系統可實時采集演員動作數據，進行動畫角色匹配和綁定；驅動動畫角色與演員同步運動，實時觀看捕捉效果；驅動虛擬攝像機，合成真實角度布景。除此以外，整套動作捕捉鏡頭硬件與操作及分析處理軟件可對數據進行快速人工修復，包括刪除、填補、平滑等處理，使任務或動物的動作更加逼真自然，提高動畫制作的效率和質量。

例：游戲制作籃球動作捕捉

場地大小：8M × 6M

被捕捉物：人體動作

核心配置：36個Mars 4H動作捕捉鏡頭

北京全時天地在線網絡信息股份有限公司借助NOKOV度量光學動作捕捉系統，通過光學鏡頭實時采集固定在人體關鍵部位的反光標識點位置信息，實時傳輸到電腦中由動捕軟件對數據進行處理，獲得三維坐標、加速度等運動數據，得到這些數據后可以導入Maya、Motion Builder等三維模型軟件用于游戲制作，或影視動畫、虛擬拍攝、虛擬綜藝、虛擬演出、TVC等應用領域。

（2）虛擬直播

虛擬直播將虛擬場景、虛擬形象實時顯示在觀眾面前，虛擬場景與人物替代了原有的耗費較大搭建成本的實景場景與真人出鏡，為觀眾帶來全新的視覺體驗，同時新技術降低了原有場景搭建成本，是近些年繼AI、VR、動作捕捉等技術出現后新興的一項集成技術，繼疫情出現后這項技術迎來了高速發展。光學動作捕捉系統可集成面捕系統（也稱表情捕捉系統）、數據手套等硬件，精準捕捉表情、手勢，使虛擬人更加活靈活現。光學動作捕捉系統還可以實時驅動虛擬數字人，使虛擬人活躍于虛擬直播、線下全息活動、虛擬演唱會等各種場景。北京冬奧會借助冬奧主題的虛擬主播“冬冬“介紹冬奧趣事、推廣冬奧產品。受大家歡迎的電商主播李佳琦此前也邀請了虛擬偶像”洛天依“做客直播間。近年來，京東、淘寶、快手等平臺直播間也都可見虛擬主播的身影。淘寶在2020年將虛擬直播列為重點扶持項目，”虛擬主播＋真人主播“的模式給直播帶來了更多新可能。

例：Vtuber虛擬直播

被捕捉物：人體動作

虛擬主播“從仔”首次亮相NOKOV度量科技學術前沿內部分享會。結合NOKOV光學動捕系統全身驅動與VUP虛擬直播平臺AI面部驅動，虛擬主播“從仔”不僅動作流暢，且表情豐富。將萌趣十足的二次元風融入前沿學術分享會，為廣大用戶帶來全新視聽體驗。

光學動作捕捉系統的核心是動作捕捉鏡頭，NOKOV度量全產品線的動作捕捉設備可滿足不同應用場景，可根據客戶需求來預售制定解決方案。NOKOV度量官網：https://www.nokov.com/

（1）Mars系列

• 科學級性能。其中Mars12H作為科學級動作捕捉設備，分辨率1200萬像素，頻率300赫茲，可以輕松提供最細膩的動作細節。詳細鏡頭參數可見下圖。
• 相同價格，更高性能。得益于NOKOV度量光學三維動作捕捉系統完全自主研發和穩定供應鏈，使NOKOV度量的價格比其他任何光學動作捕捉系統都更具競爭力。

（2）水下鏡頭系列

• 水上水下均可使用。
• 精準定位。通過布置在被捕捉物體上的輕量無線標識點，獲取精確的六自由度位置和方向，精度可達亞毫米級。NOKOV度量水下鏡頭適用于各種應用，包括船舶設計，海軍研究，漁業和體育科學。
• 已通過水下測試。所有動作捕捉相機都經過了100m深度的壓力測試，并具有防腐蝕保護，可在鹽水罐或氯化游泳池中使用。