Einsteigerguide: Was versteht man eigentlich unter Motion Capture?

Dies ist unser erster Beitrag über Motion Capture. Es ist ein Teil des multimodularen Teslasuit-Systems. In Verbindung mit haptischen und thermischen Kontrollsystemen kann Motion Capture den Träger tiefer in die Spiel- und Virtual-Reality-(VR)-Umgebung eintauchen.

Was ist die Motion Capture Technologie? Motion Capture, oder Mo-Cap, ist ein Prozess der digitalen Aufzeichnung von Bewegungen von Personen oder Objekten. Motion-Capture-Technologien werden in der Unterhaltungsindustrie, insbesondere in der Spieleindustrie und im Filmgeschäft, häufig eingesetzt. Es wird auch als Full Performance Capture bezeichnet, wenn es sich auf das Entwerfen von komplexen Mustern bezieht, wie z.B. Mimik oder Fingerbewegungen.

Die Handlungen von Menschen werden aufgezeichnet und diese Informationen werden verwendet, um ein digitales 3D-Modell zu erstellen. Die Bewegungen werden mehrmals pro Sekunde gescannt und in die digitale Umgebung übertragen. Das Ergebnis ist, dass der Charakter die Bewegungen des Menschen in Echtzeit wiedergibt. Mit anderen Worten, es wird als Echtzeit Motion Capture bezeichnet.

Die Eigenschaften von Motion-Capture-Technologien.

Wie funktioniert Motion Capture? Es gibt zwei Arten von Motion Capture Systemen, optische und nicht-optische.

Optische Motion Capture Systeme.

Optisches Motion Capture verwendet mehrere eigentümliche Kameras, die ein Objekt oder eine Person aus verschiedenen Blickwinkeln betrachten. Diese Art von Technologie funktioniert wie ein binokulares Sehvermögen, durch das wir die umgebende Welt als voluminös betrachten. Auf die gleiche Weise erlaubt die Verwendung von zwei oder mehr Motion Capture Kameras, die ein oder mehrere Objekte überwachen, ein Objekt in ein dreidimensionales Modell zu transformieren.

Optische Motion Capture werden in zwei Typen unterteilt.

1. Marker Motion Capture Systeme.

• Aktive Marker
• Zeitmodulierte aktive Marker
• Passive Motion-Capture-Marker
• Semipassive, nicht wahrnehmbare Marker

2. Markerlose Motion Capture Systeme.

Marker Motion Capture Systeme

Marker Motion Capture System ist die Technologie des Motion Tracking, bei der spezielle Geräte zum Einsatz kommen. Eine Person trägt einen Motion-Tracking-Anzug mit integrierten reflektierenden Markern. Während sich der Schauspieler bewegt oder eine Haltung einnimmt, werden die Positionen der Marker durch Kameras fixiert und gelangen zum Computer, wo sie in einem einzigen dreidimensionalen Modell zusammengefasst werden, das die Bewegungen des Schauspielers in Echtzeit aktiv wiedergibt.

• Das Marker-System ermöglicht die Erfassung der Gesichtsbewegungen von Schauspielern. In diesem Fall werden Marker auf dem Gesicht benötigt, die es ermöglichen, die Hauptaktivität der Mimik zu erkennen.

Marker Motion Capture Systeme sind weit verbreitet und in mehrere Klassen unterteilt.

Aktive Marker

Aktive Motion Capture Marker sind selbst Lichtquellen. In der Regel sind dies LEDs, die ein elektromagnetisches Feld aussenden, das in Echtzeit detektiert wird. Jede LED ist einem Identifier zugeordnet, der es der mocap-Software ermöglicht, Marker miteinander zu verwechseln, sondern sie auch zu erkennen, nachdem sie blockiert und im Sichtfeld der Kameras wieder aufgetaucht sind.

Eines der Hauptprobleme des aktiven Systems ist eine große Anzahl von Drähten, die den Schauspieler daran hindern können, komplexe Bewegungen auszuführen.

In Verbindung mit hochauflösenden Motion-Capture-Kameras ermöglichen LED-Marker die Verfolgung von komplexen und kleineren Körperbewegungen wie z.B. Mimik. Darüber hinaus sind LED-Marker empfindlich und relativ teuer.

Zeitmodulierte aktive Marker

Diese Motion-Capture-Technologie ist eine ausgereiftere Variante des Vorgängermodells. Einige Marker werden pro Zeiteinheit verfolgt, wobei die Amplitude oder die Pulsbreite moduliert wird, um die Identifizierung der Marker zu gewährleisten.

• Diese Methode ermöglicht es, den Marker in höherer räumlicher und zeitlicher Auflösung und damit genauer zu identifizieren.
• Größere Genauigkeit der Bewegungsübertragung erfordert eine sorgfältigere Datenverarbeitung und damit eine leistungsfähigere Motion Capture Ausrüstung und Software.
• Typischerweise kosten solche Motion Capture Technologien zwischen 20.000 und 100.000 €.

Passive Marker

Passive Marker sind mit einem reflektierenden Material überzogen, welches die Lichtquelle reflektieren kann. Motion Capture Software ist integriert, um ein 3D-Modell zu simulieren, nachdem Daten über die Bewegung eines Objekts gewonnen werden.

• Der Nachteil von passiven Markern ist, dass sie bei schneller Bewegung oder enger Annäherung der Marker zueinander von der Motion Capture Software verwechselt werden können. Diese Technologie ermöglicht nicht die Identifizierung jedes einzelnen Markers im Gegensatz zu aktiven Markern.

Semipassive, nicht wahrnehmbare Marker

Bei dieser Technologie werden anstelle von Hochgeschwindigkeitskameras preiswerte Multi-LED-Hochgeschwindigkeitsprojektoren eingesetzt. Speziell konstruierte Multi-LED-Infrarotprojektoren kodieren den Raum optisch. Anstelle von aktiven und passiven Markern verwendet diese Motion-Capture-Technologie lichtempfindliche Marker-Tags, um die optischen Signale zu dekodieren. Marker-Tags können nicht nur in der Kleidung, sondern auch an jedem beliebigen Punkt der Szene unsichtbar platziert werden.

Marker-Tags können nicht nur den Standort bestimmen, sondern auch die Beleuchtung, die Orientierung und das Reflexionsvermögen.

• Es ist möglich eine unbegrenzte Anzahl von Tags zu installieren, die eindeutig identifizierbar sind, um eine Wiederholung der Markerindentifikation zu verhindern.
• Da die Hochgeschwindigkeitskamera und ein entsprechender Hochgeschwindigkeitsbildstrom nicht verwendet werden, ist weniger Bandbreite erforderlich. Diese Technologie eignet sich besser für Fixed Motion Capture und die Übertragung von virtuellen Sets in Echtzeit.

Markerloses Motion Capture System

Markerlose mocap-Technologie erfordert keine spezielle Motion Sensor Suit. Motion Capture ohne Marker basiert auf Technologien der Computer Vision und Mustererkennung. Die Silhouette des Schauspielers wird von einem Motion-Capture-Kamerasystem aus verschiedenen Blickwinkeln betrachtet. Das Tracking wird mit einer gewöhnlichen Kamera, einer Webcam oder einem PC durchgeführt.

• Der Schauspieler kann gewöhnliche Kleidung tragen, die es ihm ermöglicht, komplexe Bewegungen wie Stürze oder Sprünge auszuführen, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Bewegungssensoren beschädigt werden.
• Manchmal werden keine spezielle Mocap-Ausrüstüng, Beleuchtung und Platz benötigt.

Nichtoptisches Motion Capture System

Nichtoptische Motion-Capture-Systeme werden nach der Art der Sensoren getrennt.

Es gibt 3 Typen solcher Sensoren:

• Inertial Motion Sensoren
• Mechanische Bewegungsmelder
• Magnetische Sensoren

Inertial Motion Tracking Sensoren

Inertial Systeme verwenden Inertialsensoren, einschließlich Miniatur-Kreisel und Inertialsensoren, die sich auf dem Körper des Akteurs befinden, sowie Marker oder Magnete in anderen Mocap-Systemen. Die Daten von Gyroskopen und Sensoren werden an den Computer übertragen, dort verarbeitet und aufgezeichnet. Das System ermittelt nicht nur die Position des Bewegungsmelders, sondern auch den Winkel seiner Neigung.

• Inertialsysteme werden nur für die Motion-Tracking-Technologie verwendet und können keine Gesichtsausdrücke erfassen.
• Ermöglicht es, nur die Bewegung einzelner Teile des Objekts relativ zum Objekt selbst zu verfolgen, so werden z.B. die Bewegungen der Finger eines Mannes erfasst, wenn sich der gesamte Mann bewegt.
• Ein zusätzliches Mini-System (optisch oder magnetisch) wird benötigt, um die Position des Akteurs im Raum zu bestimmen. Es ist notwendig einen zusätzlichen Controller an den Akteur anzuschließen und ihn mit magnetischen Markern zu verbinden. Ein Bündel von Drähten kann sogar vom Schauspieler bis zum Computer gespannt werden.
• Je länger das Trägheitssystem genutzt wird, desto mehr driften Tracking-Punkte. In der Regel trifft der Drift nach ca. 3 Minuten ein.
• Inertialsysteme können auch 3D Motion Tracking Systeme am Bildschirm erstellen.

Das folgende Video gibt Einblick in das Motion Tracking mit After Effects:

Mechanische Motion Capture Sensoren

Mechanische Systeme folgen direkt den Biegungen der Gelenke. Auf den Schauspieler wird ein spezielles mechanisches Mocap-Skelett aufgelegt, das alle seine Bewegungen wiederholt. Im Computer werden Daten über die Falzwinkel aller Gelenke übertragen.

Mechanische Bewegungsmelder können sowohl verkabelt als auch drahtlos sein.

• Die erste Art ist das mocap-Skelett mit einem zusätzlichen Controller, der am Akteur befestigt und mit Gelenkwinkelsensoren verbunden ist. In diesem Fall schränken die vom Skelett ausgehenden Drähte die Bewegungen des Schauspielers stark ein.
• Im Vergleich zu einem Inertialsensor oder optischen Bewegungssensor ermöglicht das drahtlose mechanische Motion Capture Messsystem eine direkte Bewegungsmessung, d.h. das Objekt kann sich in einer großen Umgebung freier bewegen, unabhängig vom zentralen Kamerasystem oder vom reflektierenden Licht.
• Auch mechanische Bewegungssensoren sind nur in der Lage Körperbewegungen zu erfassen und keine Mimik.
• Bei unvorsichtigem Gebrauch besteht die Gefahr eines mechanischen Versagen.
• Im Allgemeinen sind solche Systeme recht autonom und können auf relativ billige Motion Capture Systeme bezogen werden.

Magnetische Sensoren

In magnetischen Systemen sind Marker Magnete und Empfänger fungieren als Motion-Capture-Kameras. Das System tastet ihre Positionen durch Verzerrungen des magnetischen Flusses ab. Das magnetische Mocap-System besteht aus Sensoren, von denen jeder einzelne die Position und Rotation des entsprechenden Gelenks misst. Die Sender sind in das magnetische Bewegungserfassungsgerät integriert. Sie können bis zu sechs Freiheitsgrade erzeugen, das ist mehr als bei mechanischen Motion-Systemen.

• Der Erfassungsarbeitsbereich für magnetische Systeme ist drastisch kleiner als für die optische Bewegungsnachführung.
• Magnetische Systeme mit mehreren Akteuren, die im gleichen Raum arbeiten, reduzieren die Genauigkeit der Positionsmessung aufgrund von Interferenzen, die durch Sensoren eines anderen magnetischen Erfassungssystems erzeugt werden.
• Darüber hinaus unterliegen magnetische Systeme magnetischen und elektrischen Störungen durch metallische Gegenstände und Umgebungsbedingungen wie z.B. elektrische Leitungen, Büroeinrichtungen oder Einbauten des Gebäudes. Magnete bieten nur in einer kontrollierten Umgebung eine hohe Genauigkeit.
• Magnetische Mocap-Systeme beziehen sich nicht auf die Software zur Erfassung von Gesichtsbewegungen, sie können keine Gesichtsbewegungen und -ausdrücke erfassen.
• Magneten, die als Sensoren fungieren, sind recht teuer.

Hybrides Motion Capture System

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass verschiedene Arten von Motion Capture gemischt und hybride Mo-Cap-Systeme gebildet werden können.

Das Inertial Motion Capture System ist der häufigste Typ unter den nicht-optischen Mocap-Systemen. Wegen seiner Unzulänglichkeiten wird häufig ein hybrides Erfassungssystem eingesetzt. Insbesondere kann die Drift durch eine Optik ausgeglichen werden, die die Position eines Teil des Objekts relativ zum Objekt selbst und generell die Position des Objekts im Raum genauer verfolgt. So haben hybride Motion-Tracking-Systeme die Vorteile gegenüber dem inertialen und optischen Mocap, die separat eingesetzt werden.

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