光学动作捕捉技术，让人由Qualisys公司联想到“阿凡达”

文|刘乔宁

今天要介绍的Qualisys公司可能尔等老百姓并不了解，但“阿凡达”这部电影估计连乳臭未干的小孩都知道，但笔者今天要揭晓的是：“阿凡达”整部电影的技术基础-动作捕捉技术，正是Qualisys公司的核心所在，一起来了解下这家位于瑞典的历史悠久的公司。

Qualisys公司于1989年在瑞典成立，总公司位于哥德堡区的中心部分，靠近瑞典西海岸。Qualisys公司是精密运动捕捉和3D定位跟踪系统的领先提供商，旗下产品涵盖工程、生物力学、动画、虚拟现实、机器人和运动科学等各个方面，为医疗和工程研究提供技术。该公司已获得ISO 9001：2015认证，旗下医疗相关产品符合医疗器械指令93/42/EEC标准，致力于为客户提供高质量的产品和服务。

CEO：Henrik Wiberg

Henrik Wiberg毕业于哥德堡大学经济与法律学院，并取得工商管理学位。曾任职于福特瑞典公司，担任该公司的销售总监。Henrik Wiberg在公司的销售管理上的丰富的经验促使Qualisys公司飞快发展，并使其成为全球范围内精密运动捕捉和3D定位跟踪系统的领先提供商。

AMTI公司

AMTI公司提供的生物力学平台实现了步态平衡和运动数据的精确测量

Bertec公司

Bertec公司在生物力学力测量技术上，是该行业的国际领导者。该公司主要从事传感器的研发，为Qualisys公司的光学追踪技术提供良好的技术保障，完善了光学追踪技术的感应性能。

C-Motion公司

C-Motion公司与Qualisys公司达成合作关系，其为Qualisys公司旗下产品-Visual3D™提供用于可视化和分析3D运动捕捉数据的最先进和强大的软件包。

Manfrotto集团

Manfrotto集团为Qualisys公司旗下产品提供设计和制造摄影和摄像机支持。曼富图集团在照明、专业摄影、视频、广播和摄影方面的悬挂设备处于世界领先地位。

帮助人们测量和分析运动

Qualisys公司采用的光学跟踪技术在测量快速移动物体的位置上具有极高的精准度，且不受周围环境的影响，不论室外还是室内，地面或水下均能保持其性能。Qualisys公司旨在运用其先进的光学技术，为来自世界各地的研究人员、生物医学家、医生和工程师提供研究便利，使其在该项技术中受益。

Qualisys公司是一家主要从事光学动作捕捉和分析的公司，其产品分为两大类，一类是用于捕捉光学动作的高速精准动作捕捉相机，另一类是与相机相配套的动作数据跟踪分析软件。高速精准动作捕捉相机将以“Oqus”为代表进行介绍，而运动数据跟踪分析软件将主要介绍“QTM（Qualisys Track Manager）跟踪管理软件”。

在介绍Oqus相机的功能前，笔者先科普跟Oqus相机密切相关的“光学式动作捕捉”的知识。

光学式动作捕捉是基于计算机视觉原理，由多个高速相机从不同角度对目标特征点的监视和跟踪来进行动作捕捉的技术。理论上对于空间中的任意一个点，只要它能同时为两部相机所见，就可以确定这一时刻该点在空间中的位置，当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。

Oqus相机

Oqus相机主要针对的是标记点式的光学动作捕捉系统，该系统由光学标识点（Markers）、动作捕捉相机、信号传输设备以及数据处理工作站组成。Oqus相机属于动作捕捉相机，旨在以非常低的延迟捕获精确的动作数据，对主动式或被动式光学动作捕捉系统均适用。

Oqus相机

功能：

1. 高精度、高速的动作捕捉，实现数百个标记以数十万帧每秒测量；

2. 高速传感器模式，可以在不牺牲现场的情况下提高帧速；

3. 使用Oqus相机，可以充分利用QTM的分析模块。从广泛的模块中选择需要的模块类型，包括步态，高尔夫，棒球和跑步模块。

特色及优势：

●使用电动镜头（由QTM控制）调节对焦和光圈（仅Oqus 7+配备）

●极限像素率

●大幅度的过滤，增加捕获的能力

●无场地限制，地面、水下、户外、室内均可运用

●可以在原有参考视频上获取3D视频叠加

●采用菊花链式连接，实现少量的电缆线和简单设置，可以在没有开关的情况下设置小型系统

●提供MRI屏蔽外壳，捕获MRI扫描仪内的动作

●提供可配置的同步输入和输出端口来与外部硬件同步

●Oqus相机配置的广角镜头可以获得高达70º的水平视野

●可以进行静音操作、连接WIFI

产品类型

其他相机产品：

Miqus Video ：用于同步视频，是Qualisys公司最新的一款产品

Miqus Video

Miqus ：是Qualisys公司最小最轻巧的一款相机，主要针对小型和大型项目的运动捕捉，就像Oqus一样，Miqus相机设计用于以非常低的延迟来捕获精确的mocap数据

Miqus

QTM（Qualisys Track Manager）跟踪管理软件

QTM是Qualisys公司特有的跟踪软件，适用于Qualisys公司旗下所有类型的相机。QTM能实现对2D、3D和6DOF运动的捕捉，同时还能将数据导入第三方软件当中，是目前最实用的动作捕捉软件。

工作原理：

1. QTM实时跟踪对象，将2D，3D和6DOF标记数据显示在屏幕上，实现即时准确的数据采集。

2. 将数据通过UDP / IP连接到同一LAN的计算机上运行的任何第三方软件，甚至可以同时经过连接多台计算机再连接到QTM的实时服务器。

例如，用户可以在一台计算机上同时运行实时计算，同时在另一台计算机上进行视觉反馈。 Oqus相机具有适用于低延迟的架构，提供了极低的延迟：4ms。

工作流程及分工

优势及特色：

●用户界面简单而强大

●精准的2D / 3D / 6DOF跟踪

●兼容性强

●可以从DV摄像机，网络摄像头和HDMI输入（需要PCI Express卡）捕获视频

●通过HTTP控制QTM，QTM附带一个内置的Web服务器- HTTP API，该API可以通过客户端应用程序运行命令以及阅读，创建，修改和删除PAF资源

光学跟踪技术的应用

Qualisys公司的光学跟踪技术主要应用于运动、工程、医学、音乐等领域当中。

光学跟踪技术在医学领域的应用主要体现在：Qualisys临床系统。Qualisys临床系统（QCS）是具有I类CE标志的医疗器械，主要包括：临床步态分析、心理学及神经病学、MRI这三方面

临床步态分析

PAF临床步态分析模块是Qualisys临床系统的核心，该模块包括从准备到数据处理的所有步骤，方便全面。同时还提供自定义模块，使研究人员能根据自身研究需要轻松定义模块内容

作用：诊断和治疗病理步态的临床工具，对患者治疗前后步态能力进行量化评估分析。

工作流程：数据收集-整合数据-分析数据-提供报告

可获得参数：

●动作捕捉相机收集的使用者的运动轨迹

●借以力板对地面反作用力的测量，获取使用者的力矩数据

●通过设置为Noraxon DTS或Delsys Trigno EMG系统，可获取肌肉活动的数据

所有测量工具获得的测量数据通过最后的整合分析，能得到一份综合报告，该报告包括联合角度，力矩和力量以及其他诸如速度，步幅长度，节奏和时间信息等参数，或者可以设置系统实时提供视觉生物反馈，报告形式可以是Word或PDF。

特色：

1. 兼容性优良，可以通过C-Motion与Visual3D无缝连接，允许用户执行2D，3D和6DOF捕获；（C-Motion是全球数百个生物力学实验室使用的软件）

2. 提供Microsoft Word的报告形式

3. 提供多种生物力学测量模式，满足多种研究需求

4. 支持视频和强制/标记数据的叠加（仅限Oqus 2c）

心理学及神经病学

眼睛是心灵的窗户，眼神往往能提示一个人内心真实的心理活动，所以眼睛的运动是心理学研究的重要组成部分。在针对眼睛运动的研究中，最为关键的是能捕捉眼睛细微运动的仪器，而Qualisys公司已然在这方面做出来巨大的贡献。

Qualisys提供了在心理学研究中量化动作所需的工具，其技术的核心是运动捕捉相机和跟踪软件。通过眼睛追踪仪器捕捉眼睛细微的变化

在心理学研究中，使用独立的系统进行标记跟踪，或通过模拟，EMG或眼睛跟踪集成进行扩展，将数据导出为常见的文件格式，如C3D，Matlab或纯文本文件，还可以将数据实时流式传输到其他应用程序中。

Qualisys支持一系列不同的眼睛跟踪器，包括头戴式和桌面式。眼动仪可以与完全兼容QTM，也可以与Oqus相机系统同步。

涉及的产品：Eye tracking

Eye tracking产品图

特点：

●将眼动跟踪实验推向新的台阶，可以在全球3D实验室中量化凝视矢量的起源和方向，这意味着参与者可以围绕自己的环境进行交互，同时保持能够精确重构目标向量指向的位置。

●节省时间与自动识别的标记

●与最先进的3D生物力学工具箱完全集成

●自动化的数据收集

MRI

Qualisys公司的运动捕捉系统搭配该公司专门为MRI扫描设计的Oqus MRI相机，可以实现在MRI扫描过程中获得相应的运动学数据。

相关产品：Oqus MRI

Oqus MRI产品图

特点：

●Qualisys公司的运动捕捉系统的配件不会引起任何电磁干扰，因而不会影响MRI的成像。

●除了在MRI室内进行运动捕获之外，Qualisys MRI系统还能够提供流式高清彩色视频。将Oqus 2c连接到3D运动捕捉系统中，可以提供纯视频或视频与3D数据覆盖。对于不需要3D运动捕捉数据的设置，可以设置只有Oqus 2c的系统，以提供MRI室内的视频流。该项特征便于医生在扫描期间从一个或多个角度监测患者。

工作图

Dimensional Imaging的创始人Colin Urquhart说道：“对动捕技术的需求在未来几年内绝对会继续增加。所有大型发行商现在似乎都在大力投资动捕系统，并且在测试新的动捕舞台。”

Qualisys公司是一家在光学动作捕捉技术上颇有建树的公司，光学动作捕捉技术在当代已被广泛应用，尤其在影视圈和游戏领域。这项技术使电脑合成的人物角色更为生动形象，摆脱以往呆板的“机器人”式动作，使观众或玩家更有身临其境的逼真感。此时笔者不由得想起之前看过的国产动画“秦时明月”，剧情我很喜欢，就是人物无比呆的人物动作最终让笔者选择弃剧，但“阿凡达”的出现，人物动作表情的逼真却着实让笔者惊讶于动作捕捉技术的高超之处并为之深深着迷。。最近几年大火的VR技术也与动作捕捉技术密切相关，动作捕捉技术越是高超，VR的体验感越好。

未来几年，动作捕捉技术将逐渐渗透到其他领域当中，尤其是关乎民生的医疗领域；未来几年，动作捕捉技术将对其技术进行不断地更新，力求更加精细和便捷。事物的发展总是惊人的相似，总是从大到小，从粗糙到精细，动作捕捉技术如此，医疗发展也是如此。

如果您想更深入的了解这家公司的信息，请回复公众号或留言：公司名+联系方式，我们会尽快与您联系。

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