動作捕捉（MoCap）技術(shù)可以按時間順序?qū)⒛繕说奈恢煤妥藨B(tài)進行數(shù)字化記錄，在動畫制作和CG領(lǐng)域得到了廣泛應用。人的每只手有27根骨頭和19個關(guān)節(jié)，要捕捉整個手的動作十分困難。現(xiàn)在最常用的人手動作捕捉工具是Immersion公司的CyberGlove，但也只能捕捉80%的手部動作。因此，要想精確捕捉一位鋼琴師高速運動的手指動作基本是不可能的。
針對這一難題，Akita 大學使用Polhemus公司的LIBERTY 16電磁運動跟蹤器（其采用小型光接收器）研制出了高精度手部動作捕捉系統(tǒng)。接收器的連接線采用超細電纜，絲毫不會阻擋手指的運動。
系統(tǒng)設(shè)計
圖1
兩套LIBERTY運動跟蹤系統(tǒng)通過USB端口與電腦（IBM的ThinkPad）連接。手部運動跟蹤系統(tǒng)可同時測量出32個接收器的六自由度數(shù)據(jù)，測量頻率為240赫茲，空間分辨率為0.0038毫米，角度分辨率為0.0012度。
圖1顯示了手部運動跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成。LIBERTY位置運動跟蹤系統(tǒng)由一個發(fā)射器（23 * 28 * 16毫米）和16個接收器（9.6 * 9.6 *9.6毫米）組成，可以記錄發(fā)射器到接收器之間的距離（xyz坐標），還可以記錄接收器與發(fā)射器的相對角度（方位角、仰角、轉(zhuǎn)動）。系統(tǒng)會對每個接收器進行調(diào)整以符合手指的狀態(tài)。每根手指配有三個接收器進行測量，手背一個接收器，每只手共使用16個接收器。此外，我們對適配裝置也進行了改進，添加了彈力布帶，可以適應任何手型尺寸。接收器用彈力膠帶和液態(tài)塑料固定在手指上，可有效防止接收器滑落。
圖2
評測
Akita 大學對接收器進行評測，以確定測量數(shù)據(jù)的精確度是否因為接收器距離太近而受影響。評測表明，即使接收器距離太近，測量精確度也不會受到影響。位置數(shù)據(jù)的差量在0.1毫米以下，角度的差量在0.1度以下。這種差量范圍足以進行手指動作測量。
圖3
為了評測系統(tǒng)對手指的符合程度，Akita 大學用手部動作捕捉系統(tǒng)測量了鋼琴師的手指動作。演奏曲目是“A大調(diào)第十一號鋼琴奏鳴曲，土耳其進行曲”（莫扎特）。手部動作捕捉數(shù)據(jù)會被轉(zhuǎn)換為BVA格式，在FiLMBOX軟件中讀取。手部的骨架和模型也在FiLMBOX軟件中讀取，并與手部動作捕捉數(shù)據(jù)銜接。圖3顯示了鋼琴師演奏的CG動畫。
經(jīng)過對比，可以確認CG動畫與拍攝的視頻圖像非常相似。這表明，手部動作捕捉系統(tǒng)可以精確地記錄下手指的動作。用手部動作捕捉數(shù)據(jù)制作成CG動畫的過程一直是手動的，現(xiàn)在可以自動進行，有了很大提高。在以后的研究當中，Akita 大學會研究自動算法對手部動作捕捉數(shù)據(jù)進行校準。