تكنولوژی motion capture  و اشنایی با سیستم هایGypsy , Vicon 8

مقایسه سیستم های مختلف  motion capture

چكیده

از جمله تجهیزات تولید برنامه های تلویزیونی سیستم های مبتنی بر تكنولوژی
برای ساخت برنامه های گرافیكی كارتون و یا بازیهای كامپیوتری سه بعدی است كه باعث بوجود امدن شرایط سهل برای اینگونه محصولات و در نتیجه تولید بیشتر با كیفیت بالاتر شده است
Real Timeاز انجا كه حركت
و طبیعی برای كاراكتر های انیمیشن مورد علاقه برنامه سازان تلویزیونی بالاخص در برنامه های زنده  میتوانند در چنین مواقعی فوق العاده موثر باشند به این ترتیب Motion Captureاست تجهیزات
كارگردان برای گذاشتن یك كارا كتر مجازی داخل صحنه واقعی و یا جاگذاری هنر پیشه های زنده در تعامل با بازیگران مجازی درون صحنه های واقعی یا مجازی با مشكلی روبرو نمی شود
همه ما كارتون زیبای داستان اسباب بازیها را با ان حركات طبیعی كاراكترهایش به خاطر داریم امروزه ساخت
  چنین كارتونهایی در بازار رقابتی تولید برنامه های تلویریونی و فیلمهای سینمای بدون و كامپیوتر معنا نخواهد داشت اراین رو بر آن شدیم ضمن معرفی این Motion Captureحضور تجهیزات
  را معرفی نموده و سازمان IBC 2000در نمایشگاه Motion Captureتكنولوژی تجهیزات ارائه شده در زمینه
را به استفاده از این تكنولوژی مفید ترغیب نماییم

مقدمه و مروری بر تكنولوژی Motion Capture

Alberto Menacheدر كتاب مفاهیم ضبط حركت برای انیمیشن كامپیوتری و بازیهای ویدئویی اثر

به معنای ایجاد یك بازنمایش سه بعدی از یك اجرای زنده تعریف شده است كه البته Motion Captureعمل
با انیمیشنی كه بوسیله دست و از طریق یك روند شناخته شده به نام كلید فریم تولید می شود  مغایر است
می نامیم یك تكنولوژی جدید و ابزاری جدال آمیز Mo Capكه از این پس أن را Motion Capture
برای خلق انیمیشن و پویا نمایی است
در گذشته برای ضبط اطلاعات حركتی اغلب از تخصیص انیمیشن كارها و طی یك روند سخت و طولانی استفاده
می شد كه مسلمآ مخارج هنگفتی را بر تهیه كنندگان برنامه های كار تونی تحمیل می كرد و نتیجه كار نیز اغلب از حركات طبیعی بدور بود و اما امروزه تكنولوژی موشن كپچر  شرایط كاری را توسط ابزارهای جدید دگرگون كرده است
ازاین پس داده های حركتی یك بازیگر واقعی توسط یك سیستم سخت شده و انیماتورها می توانند این داده های حركتی منطبق بر حركات طبیعی را با روشهای انیمیشن مبتنی بر كلید فریم سازگار سازند و توسط نرم افزارهای مختلف كنترل وسیعی از حركات واقعی تا حركات كارتونی را برای خلق كاراكتر هنری شان در اختیار داشته باشند در ادامه و قبل از این
  Mo Capنظر فنی بررسی كنیم باید یاد آور شویم كه سخت افزار Motion Captureكه تكنولوژی
كاربردهای عمده ای دارد معمول ترین و مهم ترین عمل ان گرفتن اطلاعات حركتی یك بازیگر حقیقی برای استفاده در نرم افزار های انیمیشن سه بعدی یا تجزیه و تحلیل حركت است كه باعث صرفه جویی در زمان و ساده تر شدن روند تولید در پروژه های انیمیشن می شود از آنجا كه در این سیستم بر گرداندن حركات بازیگر به یك كاراكتر انیمیشن در زمان واقعی صورت می گیرد می توان آن را نوعی انیمیشن اجرائی یا بدیهه سازی مرتبط با گرافیك كامپیوتری نامید كه كاراكتر های سه بعدی منطبق بر حركات باریگر در یك سیستم مجازی تولید شده مجازی تولید شده توسط كامپیوتر می توانند در تعامل با كاراكترهای بشری زنده در محیط واقعی  یا محیط مجازی باشند از این رو احتمالا بیشترین در سینما و تلویزیون خواهد بود  علاوه بر موارد مذكور سیستمهای Motion Captureكاربرد سیستمهای
  در تحلیلهای بیو مكانیكی از اندام بدن برای اهداف توانبخشی و مهندسی كاربرد گسترده ایMo Cap
دارد كه پرداختن به ان ازحوصله این مقاله خارج است

Mo Capتكنولوژیهای متداول

وجود دارد Mo Capسه نوع تكنولوژی برای

نوری
مغناطیسی
الكترومكانیكی
هریك از این سه نوع تكنولوژی به نوبه خویش نقاط قوتی دارد لكن یك تكنولوژی واحد كه همه قابلیتها را داشته و بدون عیب و نقص باشد وجود ندارد درادامه سعی می كنیم هر یك از این تكنولوژی ها را بطور خلاصه بررسی نماییم اما نباید فراموش كنیم كه هدف تمام این سیستم ها تبدیل اطلاعات حركتی مفاصل و بند های اسكلتی بازیگر به داده های الكترونیكی است تا بتوان این داده ها را در نرم افزار های كاربردی برای اهداف لازم استفاده كرد

مغناطیسیMo Cap سیستم های

این سیستم در حقیقت نوعی لباس مجهز به سنسور های مغناطیسی بر روی مفاصل بدن بازیگر است كه توسط یك دستگاه كنترل الكترونیكی در ارتباط با یك كامپیوتر تغییرات فركانس پایین مبتنی بر حركت سنسور های مغناطیسی را تجزیه و تحلیل كرده و در نرم افزار خاص نمایش وضعیت ها و چرخش های اسكلتی بازیگر را در فضای سه بعدی باز سازی می كند سیستم های مغناطیسی از
تعداد 6تا 12 سنسور برای ضبط حركات بدن بازیگر استفاده می كنند
از انجا كه در سیستم های مغناطیسی برای هر سنسور بایستی یك كابل كواكسیال جداگانه بكار رود لذا سیستم واقعا سنگین می شود و تداخل حاصله از دستگا ه های برقی هم داستان دیگری است این سیستم ها به میدان های مغناطیسی محیط عكس العمل های خیلی منفی دارند و اغلب بایستی صحنه اجرای بازیگر از میدان های مغناطیسی و فلزات به دور باشد لذا تنظیم یك سیستم مغناطیسی در یك محیط غیر قابل كنترل می تواند فوق العاده مشكل باشد
بطور خلاصه سیستم های مغناطیسی نواقص زیر را دارند
حساسیت به فلزات حوزه عمل محدود تفاوت مراكز بند ها و مفاصل با مراكز سنسور ها سنگینی و بارزیاد برای بازیگر مسائل تداخل ناشی از مجاورت بازیگران دیگر قیمت بالا
از این نوع سیستم نیافتم شاید به دلیل ضعف های اشاره شده مورد استقبال IBCدر نمایشگاه
صنعت رادیو وتلویزیون قرار نگرفته است

نوری Mo Capسیستمهای

در رابطه با سیستمهای نوری دو تكنولوژی اصلی وجود دارد كه عبارتند از
چشمك زن LEDتكنولوژی انعكاسی و
  های چشمك زن LEDنوری برای ردگیری و دنبال كردن حركت علامتهای انعكاسی یا Mo Capسیستمهای
استفاده می كنند در این سیستمها DSTمتصل به لباس یا بدن بازیگر از دوربینهای با دقت زیاد و
برای گرفتن حركات صورت از یك یا دو دوربین بری حركات كل بدن از سه تا شانزده دوربین استفاده می شود كه در فضای صحنه اجرا ی بازی به صورت یك چیدمان مثلثی نصب می شوند و حركات بازیگر را به صورت سه بعدی رد گیری می كنند در سیستمهای نوری انعكاسی علامتهای سفید رنگ نصب شده های مادون قرمز نصب شده دور لنز دوربین را منعكس كرده و دوربینها این LEDبر روی بدن بازیگر نور
نور انعكاسی را در یافت می كنند برای جلوگیری از مزاحمت نورهای دیگر فیلتر های مادون قرمز بر روی لنز أنها نصب می شود
های مادون قرمز بر روی بدن بازیگر LEDچشمك زن به جای علامتهای سفید رنگ LEDدرسیستمهای
ها را رد گیری می كنند LEDنصب می شود و این بار نیز دوربینها به طور مستقیم نور این
ها از LEDبطور یقین این سیسنم نسبت به سیستمها انعكاسی دقت بیشتر و بهتری دارد اما نصب
نیستند REAL TIMEنصب علامتها مشكل تر بوده و نیاز به سیم بندی دارد بیشتر این سیستمها
نمی توان دید البته سیستمهای CAPTURE بنا براین اطلاعات حركتی از و ضعیت علامتها را طی عمل
چشمك زن بهتر LEDهم وجود دارند اما خیلی گران هستند معمولأ سیستمهای مبتنی بر REAL TIMEنوری
ها توسط دوربینهای LEDعمل كنند اطلاعات رد گیری علامتها یا REAL TIMEمی توانند به صورت
یا اسكلت Mesh مختلف پس از یك پردازش الكترونیكی توسط كامپیوتر می تواند برای حركت
كاراكتر انیمیشن شده بكار رود سیستمهای نوری یك مزیت فوق العاده دارند و آن این است كه علامتها را می توان بر روی هر چیز از فیل گرفته تا پارچه وتوپ بكار برد و به این ترتیب بازیگر راحتی كامل در اجرای نمایش بالاخص حركات ژیمناستیك دارد اما معایب آن نیز كم نیست از جمله
تراكینگ و رد یابی علامتها در این سیستمها خیلی وقت گیر و سخت است زمان رد گیری می تواند
Capture داده های تمیز و تا حدود پانزده دقیقه برای هر ثانیه Capture از یك تا دودقیقه در هر ثانیه
داده های نویزی تغییر كند
گاهی اوقات علامتهایی وجود درند كه بئوسیله پاها دستها و یا اجزای بدن مسدود می شود و به وسیله دوربینها دیده نمی شوند
- فضای كاری بزرگ نظیر استودیوها مورد نیاز است
  اگر هر یك از دوربینها اشتباه تنظیم شده باشد اطلاعات خوانده شده توسط دیگر دوربینها را تحت تاثیر قرار داده و نتایج اشتباه حاصل خواهد شد به عبارت دیگر بین كالیبره و عمل چالش وجود دارد
به اپراتور متخصص و ماهر نیاز دارد
نرم افزار در حركات متقاطع اشتباه كرده و فرض می كند كه بازو های بازیگر از داخل یكدیگر عبور می كنند
  حساسیت به نور و انعكاس پچیدگی عمل پردازش به دلیلذ استنتاج اطلاعات چرخشی از اطلاعات و ضعیتی گران بودن از دیگر معایب این سیستم می باشد
IBC 2000از جمله شركتهایی كه بطور گسترده ای سیستممهای نوری را ارائه داده و در  نمایشگاه
نیز بدلیل استفاده سیستمهایش در فیلمهای سینمایی معروف مثل تایتانیك جنگ ستارگان و ازكشور انگلستان است كه VICONگلادیاتور مورد استقبال همگانی قرار گرفته است شركت  
را با مشخصات زیر به نمایش گذاشته بود VICON 8 نوری یكپارچه مدل Mo Capسیستم
قابلیت پشتیبانی از 24 دوربین با مشخصات
  رزولوشن یك میلیون نقطه-
سرعت 250 فریم در ثانیه-
  مادون قرمزدور لنز LED 120تعداد -
وزن 1.7 كیلو گرم  -
-قابلیت 24 ساعت كپچر بر روی هارد دیسك
OPTION AL به صورت REAL TIME
با سرعت100 مگابایت بر ثانیه ETHERNET كارت
- برای ساز گاری و نصب در كنار دیگر تجهیزات VITC SMPTE پشتیبانی از تمام تایم كدها نظیر
استو دیو
-  برای منابع خارجی GENLOCK
NT كار در محیط ویندوز 98 یا

برای ادیت و ویرایش حركت اسكلتی نمایش Mobiosنرم افزار

سوئیچ نرم افزاری برای كنترل دوربینها
قیمت كل سیستم 300000 دلار آمریكا
WWW.VICON.COMمی توانید به صورت VICON 8 برای اطلاعات بیشتر در مورد سیستم
مراجعه نمائید

الكترو مكانیكی Mo Capسیستم

را می توان از اولین نمونه های ساخت این گونه تجهیزات به شمار Mo Capسیستمهای الكترو مكانیكی
أوردو جالب است بدانید كه در پروژه ساخت سیستم الكترو مكانیكی شركت أنا لوگ و در اختراع ثبت مبتنی بر ساختار اسكلت یك مهندس ایرانی همكاری راهبردی داشته و برای اولین Mo Capتكنولوژی
بار در سال 1987 بعنوان شبیه سازی بازی گلف GOLF MOTION ین تكنولوژی را جهت استفاده در
بكار برده است
سیستمهای الكترو مكانیكی همچون سیستمهای مغناطیسی دارای لباس مخصوص هستند كه بازیگر بایستی أن را به تن كند میله های سبك وزن ألومینیومی تعبیه شده بر روی این لباس حركات استخوانهای بازیگر را تعقیب و دنبال می كند
و توسط پتانسیومتر هایی كه در محلهای مفاصل و بند های بدن نصب شده اند و لتاژی را متناسب با حركت زاویه ای استخوانها تغییر می دهند یك ژیروسكوپ یا گردش نما نیز ر روی لگن بدن تعبیه شده است كه برای محاسبه رفتار مفاصل كمر و در نتیجه تشخیص سمت چرخش بدن بكار می رود
ولتاژ أنا لوگ پتانسیومتر های مختلف مفاصل را به مقادیر دیجیتال تبدیل می كند A/Dیك مدل
این مقادیر دیجیتال كه در واقع نتایج حركتی بدن بازیگرمی باشد كه برای پردازش بیشتر به كامپیوتر اعمال می شود
باید توجه داشت كه نتایج حاصله از مفاصل مجازی اسكلت بازیگر منطبق بر اسكلت داخلی نیست و لذا با یستی فاصله بین مركز چرخشی پتانسیو متر ها تا مركز بند هاو مفاصل بدن توسط مقادیر
متعادل و در نتیجه سیستم كالیبره شود از این رو در این گونه سیستمها باید برای هر بازیگرOffset
جدید با ایجاد یك فایل درجه بندی و كالیبراسیون سیستم را تنظیم كند
سیستمهای الكترومكانیكی در دو نوع سیم دار و بی سیم وجود دارند در هردوی این سیستمها  اولیه داده ها و اطلاعات حاصل از سنسور ها بر روی خود لباس انجام می شود و نتایج حاصله از طریق یك كابل سریال به پی سی  اعما ل می شود

مزایای سیستمهای الكترومكانیكی

سادگی سیستم و سهولت بهره گیری
- قیمت ارزان
- بر خلاف سیستمهای نوری Real Time
- محیط كاری
بر خلاف سیستمهای مغناطیسی كه با فلزات محیط مشكل دارند و نیاز سیستمهای نوری به فضای كاری بزرگ این نوع سیستمها را در هر جائی می توان استفاده كرد و كاملآ قابل حمل ونقل هستند

Meta motion از جمله شركتهایی كه در زمینه سیستمهای الكترو مكانیكی فعالیت دارد شركت
را به معرض نمایش GYPSY , GYPSY 3W سیستمهای IBC 2000از كشور آمریكا است كه در نمایشگاه
گذاشته بود
أخرین سیتم الكترومكانیكی این شركت به صورت بی سیم بوده و بردی حدود 800 متر GYPSY 3W
در فضای بازو 180متر در محیطهای داخلی دارد
كه دارای كابل و بند می باشد در واقع از یك كابل ظریف شبكه برای اتصال به پورت GYPSY 3Wمدل
سریال كامپیوتر استفاده می كند در هر دوی این سیستمها باطریهای قابل شارژی به كار رفته است
كه در هر بار شارژ امكان 4 ساعت كار یا بیشتر را می دهند
این شكست هدف از طراحی این سیستم را ارائه سیستمی ساده تر سریعتر و طبیعی تر از تكنولوژیهای مرسوم را قابلیت حملو نقل و آزادی عمل بیشتر بیان می كند البته این شركت در شعارش  در عین سادگی حركات واقعی مفاصل بازیگر را به صورت كا ملا GYPSYموفق بوده است سیستم
نشان می دهد این سیستم با استفاده از نرم افزار منحصر بفرد داده های حركات اسكلتی را Real Time
در أورده كه می تواند به برنامه های انیمیشن سه بعدی مثل BVHبه صورت فایلهای استاندارد
اعمال شود و در نهایت حركت كاراكتر انیمیشنی در این نرم افزارFilm box. movido , Typhoon , 3dmax
ها بر حركات انسانی منطبق گردد

GYPSYگردش كار در سیستم

الف- پوشیدن لباس
ب- كالیبراسیون بازیگر جدید
ج- شروع به كار
ج-1- برای تولید از یكی از روشهای زیر استفاده می شود
- BVHضبط حركتی اسكلتی در فرمت
- Custom Driverضبط حركت اسكلتی با استفاده از
-برای ضبط حركت روی اسكلت نمایشی Film boxنوع اجرا و نمایش مثل  Mo Capاستفاده از نرم  افزار
و در نهایت انتقال داده ها به نرم افزار انیمیشن ادیت و ساختار انیمیشن مورد نظر
ج-2- برای انیمیشن اجرا و زنده یكی از روش های زیر بكار برده می شود
  برای نشان دادن حركت بازیگر برFilm box نوع اجرا و نمایش  مثل Mo Capاستفاده از یك نرم افزار
   رو ی كاراكتر انیمیشنی
-كامپیوتر به سیگنال استاندارد ویدئو و استفاده RGB استفاده از مبدل ویدئو برای تبدیل خروجی
در یك استودیوی مجازی یا واقعیChromakey أنها در محیط

GYPSYمشخصات فنی

مبتنی بر اسكلت درونی بازیگر است
تعداد سنسورهای حركتی 43عدد
  تعداد مفصل و بند هایی كه حس می شود 17 عدد
محدود به 8 حركت Captureتعداد حركت همزمان در هر
برای بی سیم داخلی 90 متر برد خارجی 800 متر Captureمحدوده
برای سیستم سیم دار به شعاع 30 متر كه با كابل های باند تر قابل افزایش است Captureمحدوده
30 60 یا 120 فریم در ثانیهCaptureنرخ
دقت سنسور 0/08 درجه
وزن لباس بدون باطری 7 كیلو گرم
تغذیی مورد نیاز 3عدد باطری 7/2 ولت قابل شارژ
عمر باطری 2 تا 4 ساعت
حدود قد بازیگر 156 تا 185 سانتی متر
NTسیستم عامل و محیط نرم افزار ویندوز
گارانتی 1 سال
قیمت 50000 دلار
  حركت Captureبرحركات كامل بدن است اما اغلب اوقات Captureیك سیستم GYPSYاگر چه سیستم
های دست و صورت نیز برای كاراكتر انیمیشن مورد نیاز است در این صورت بایستی از تجهیزات و دنبال كننده های حركت دست و صورت كه بطور جداگانه ارائه می شود استفاده كرد قابل ذكر است كه به كه Film box لیل مسائل همزمانی در حركت بهتر است كه این سیستم ها با هم بكار روند نرم افزار
از چند وسیله برای یك یا چند كاراكتر را انجام دهد ما را در این زمینه یاری Captureمی تواند عمل تركیب
خواهد كرد

دنبال كننده های حركت صورت

این دنبال كننده ها مبتنی بر تكنولوژی نوری هستند دنبال كننده صورت معمولا شامل یك یا دو دوربین
ویدئویی خیلی سبك است كه روی صورت بازیگر نشانه رفته است و از طریق بندهایی به بالا و پشت سر او وصل می شود دوربین ویدئویی مذكور حركت دو بعدی یك سری علامتها یا نقاط در صورت بازیگر تعبیه شده اند را رد گیری میكند پیكر بندیهای متفاوت و علامت گذاریهای مختلفی
   امكان پذیر است اما معمولأاز پیكر بندی زیر استفاده می شود
كناره ها و بالای لبها گونه ها و بالای ابروها و احتمالأ بالا و پایین پلكها
SoftimageوLightwareوMax دادههای این سیستم ردیاب نهایتا توسط نرم افزارهای مختلف نظی
  در انیمیشن به كار میرودMeshبرای حركت رئوس

دنبال كننده های حركت دست

می كنند وجود دارد Captureانواع متعدد و گوناگونی از دستكشهای كه حركت دست را
اختلاف در تعداد سنسورهای دستكش  تفاوت در نتیجه كار را موجب می شود دستكشهای 5سنسوره فقط
می تواند حركت دست را به صورت شست یا كف دست باز نمایش دهد اما دستكشهای 16 تا 22سنسور تمام
انواع مختلف این دستكشها را با قیمتMetamotionكند شركت Captureحركات پیچیده دست را میتواند
هر جفت از 1100 تا 2200 دلار آمریكا عرضه كرده است

ong> Mption Capture مقایسه سیستم های مختلف

شرح	مغناطیسی	نوری	GYPSY 3	GYPSY 3w
حداقل سخت افزار مورد نیاز برای یك بازیگر	از 14تا 6 كارت فرستنده و 6تا 14 كارت گیرنده	حداقل 3 كارت و 3دوربین همراه با متعلقات	یك دست لباس مخصوص	یك دست لباس وگیرنده3wمخصوص
نرم افزار مورد نیاز	میانه	پیچیده	ساده	ساده
نرخ نمونه برداری	120هرتز	250 هرتز	60-30 و 120هرتز	30-60و 120هرتز
محدوده بی سیم	حداكثر 3تا 6متر	-	-	فضای داخلی 90متر
زمان واقعی	خیر	امكان پذیر نیست	بلی	بلی
laptop با استفاده از capture	خیر	خیر	بلی	بلی
بدون اغتشاش و نویز	بلی	تقریبآ	بلی	بلی
سادگی كالیبراسیون	محدود	خیر	بلی	بلی
چند بازیگر capture	خیر	محدود	بلی	بلی
قابل استفاده خارج از استودیو	خیر	خیر	بلی	بلی
سادگی تنظیم	خیر	خیر	بلی	بلی
قیمت	متوسط	زیاد	بلی	بلی

برگرفته از سایت www.irib.ir