ضبط حرکت

اولین و پرکاربردترین سیستم های ردیابی حرکت سیستم های اپتیکال هستند که از دوربین برای ضبط حرکات و انتقال داده ها به کامپیوتر استفاده میکنند، تاریخ استفاده از این سیستم به سال ۱۹۸۳ برمیگردد که دانشگاه MIT و موسسه تکنولوژی نیویورک برای اولین بار از چراغ های فلش زن LED و دکمه های بازتاب دهنده نور Reflective Markers با انگیزه تحقیقاتی و نظامی برای ضبط حرکت انسان استفاده کردند.

خوده سیستم اپتیکال با توجه به نوع کاربرد مارکر یا نشانگر به دو قسم فاعلی یا Active و مفعولی یا Passive تقسیم میشود.

در سیستم های اپتیکال پسیو مارکرها فقط نقش بازتاب دهندگی نور را برعهده دارند به این معنا که زمانی که اکتر در استیج حرکتی را انجام میدهد مثلاً دستش را بالا میاورد مارکرها نور پرجکتورها را به دو یا چند دوربین بسیار قوی با رزولوشن بالا بازتاب میدهند و سپس دوربین دیتای حرکت را به سیستم کامپیوتر انتقال میدهد و کامپیوتر کار سه بعدی سازی یا Triangulation حرکت زاویک های دوبعدی ضبط شده توسط دوربین را انجام میدهد و در نرم‌افزار مربوط حرکت را شبیک سازی یا Simulate میکند.

این مارکرها باید در نقاط مختلف بدن اکتر مطابق با مدل اسکلت مورد هدف در نرم‌افزار نصب بشن و این کار از قبل روی یک لباس مخصوص انجام میشود و اکتر موقع اجرا ان را میپوشد، هنگام نصب مارکرها جوینت Joint یا مفصل کاراکتر در انیمیت نقش اساسی دارد و نباید فراموش بشود، هر جوینت یک یا دو بون Bone یا استخوان را از اسکلت کاراکتر بهم وصل میکند و هرچی که تعداد مارکر ها روی بدن اکتر بیشتر باشه کار شبیه سازی توسط کامپیوتر دقیقتر و طبیعی تر خواهد بود اما برای اینکه عملیات شبیه سازی موقع همگام سازی Synchronization/Retargetting خروجی بهتری روی اسکلت کاراکتر مورد نظر داشته باشد این مارکرها باید با تعداد جوینت های کاراکتر مورد هدف تناسب داشته باشند به این معنا که هر مارکر روی بدن اکتر نقش هر مفصل اسکلت کاراکتر مورد هدف را اجرا کند. امروزه از این سیستم بیشتر در ضبط حرکات صورت استفاده میشود.

این سیستم نیز از لحاظ نحوه کار مثل سیستم مفعولی عمل میکند با این فرق که در این سیستم ما بجای مارکرهای شفاف بازتاب دهنده نور از لامپ های LED استفاده میکنیم. در این سیستم دیگر پروجکتور وجود نداره و لامپ ها وظیفه انتقال حرکت را به دوربین ها به عهد دارن. از این سیستم بیشتر در ضبط حرکت بدن استفاده میشود چون نصب لامپ روی صورت غیرممکن یا بسیار سخت هست و گاهی به خاطر کوچیک بودن حجم صورت باعث کاهش دقت کامپیوتر در تشخیص حرکات میشود.

در این سیستم از هیچ مارکری روی بدن اکتر استفاده نمی‌شود و دیتای حرکت اکتر به صورت Real Time یا زمان واقعی توسط دوربین به نرم‌افزار مربوط فرستاده و شبیه سازی میشود، روند سه بعدی سازی در این تکنیک بسیار آسانتر از روش مارکر هست چون در این تکنیک انیماتور این امکان را دارد تا دوربین را در زوایای مختلف صحنه حرکت بدهد در واقع در این روش به جای استفاده از زوایه دو بعدی مفاصل از زاویه سه بعدی استفاده میشود، در این روش اکتر با هر لباسی که باشد توسط دوربینی که به نرم‌افزار متصل هست اسکن و شبیه سازی شده و به اسکلت مورد هدف وصل میشود و بعد از اتصال کامل هر حرکتی که اکتر انجام بدهد به مدل دیجیتالی منتقل میشود، ما در این روش عمق میدان Depth of Field را هم همزمان با ضبط حرکت داریم، این سیستم توسط شرکت های مختلف و در انواع مختلفی ساخته شده، به این فناوری اصطلاحاً Organic Motion Capture ینی ضبط حرکت اندام دار هم گفته میشود که توسط شرکتی به همین نام تولید و منتشر شده، این تکنولوژی در سال ۲۰۰۸ توسط شرکت روسی IPI Soft هم طراحی و ابداع شد و تا امروز توسط کمپانی های مختلف در حال تقویت و توسعه هست، این سیستم به طور full body به ضبط حرکات کل بدن میپردازه، این تکنولوژی تا امروزه بیشتر در ساخت بازی های کامپیوتر و کنسول مورد استفاده قرار گرفته و هنوز فیلم سینمایی و یا انیمیشن طولانی که به طور کامل در روند ساخت خودش از این سیستم استفاده کرده باشد تولید نشده است اما از این تکنولوژی با کلاه HMC فقط برای ضبط حرکت چشم و صورت در آثار سینمایی و انیمیشن استفاده شده. در سال ۲۰۰۶ هم با ابداع سیستم جدیدی به نام Contour Reality Capture (یا ضبط نمای واقعی)، در ابتدا به طور اختصاصی ضبط حرکات صورت به نحو قابل توجهی راحت و دقیقتر شد، به این نحو که اکتر در مقابل چند ردیف دوربین قرار میگیرد و به جای استفاده از مارکر روی صورتش از ماده شفاف فسفرسنت استفاده میشود، ویژگی این روش رفع محدودیت نقاط استفاده از مارکر روی صورت هست چون با این روش میشود از ۲۵۰ تا ۱۰۰۰۰ نقطه روی صورت اکتر را ضبط کرد در حالی که با مارکر امکان ضبط حرکت به این تعداد نقطه وجود نداره و در فیلم هالک شگفت انگیز ۲۰۰۸ ضبط حرکات صورت هالک با استفاده از این سیستم انجام شد. و در آخر باید به شرکت FaceShift که اقدامات مهمی برای ضبط حرکات صورت انجام داده اشاره کنم، این شرکت با استفاده از دستگاه های معروف Kinect این امکان را فراهم کرده که اکتر بعد از اسکن چهره بدون هیچ محدودیتی حرکاتش به صورت Full Body ضبط و در نرم‌افزار مربوط شبیه سازی بشود، برای پیاده سازی این سیستم نیازی به تجهیزات زیاد و افراد متخصص و هزینه زیاد نیست و با یک دستگاه Kinect و یک کامپیوتر میشود عملیات مو کپ را به آسانی انجام داد.

در سیستم های اپتیکال امکان ضبط حرکت زیر آب هم وجود دارد که با دوربین های ضد آب به راحتی انجام میشود. کارکرد این سیستم کاملاً شبیه به سیستم های Active هست با این تفاوت که تمامی حرکات زیر آب ضبط میشود.

یکی دیگه از سیستم های اپتیکال، سیستم فیبر نوری هست، این سیستم قبلاً برای ضبط حرکت دست ها استفاده میشده ولی اخیراً امکان ضبط حرکت کل بدن با ان فراهم شده، گرچه در این سیستم از هیچ دوربینی استفاده نمی‌شود ولی انتقال دیتای محل و جهت حرکت از طریق رشته های فیبر نوری با حسگر لرزش سنج wavelength measurement به کامپیوتر انجام میشود، به این صورت که رشته های فیبر نوری دیتای حرکت را گرفته و به حسگر مرکزی انتقال میدن و این دیتا از طریق کابل یا امواج وایرلس به کامپیوتر منتقل میشود، از ویژگی های خوب این سیستم قابلیت ضبط حرکت در هر فضایی هست اما دقت ضبط حرکت در این سیستم بسیار پایین است.

قدمت این سیستم ها به حدود ۱۵ سال اخیر میرسه، در سیستم های غیر اپتیکال از هیچ دوربینی برای ضبط حرکت استفاده نمی‌شود و همچنین برای انتقال دیتا از فیبر نوری استفاده نمی‌شود، این سیستم به چند نوع تقسیم میشود:

در این سیستم از لباس مخصوصی که سنسورهای مغناطیسی Magnetic Sensors به ان متصل هستن به همراه یک انتقال دهنده مرکزی الکترومغناطیسی Electromagnetic Central Transmitter استفاده میشود، امواج الکترومغناطیسی حرکت اندام ها، از طریق سنسور ها به انتقال دهنده مرکزی وارد و از ان به صورت امواج وایرلس یا از طریق کابل به کامپیوتر منتقل میشود. کارکرد این سیستم نسبت به اپتیکال بسیار ساده و کم هزینه هست و فضای کمتری اشغال میشود اما دقت ضبط آن به نسبت پایینتر هست و امکان اختلال در ضبط حرکت به خاطر نزدیک بودن اشیاء فلزی وجود دارد.

این سیستم در حال حاضر توسط شرکت Xsens به صورت حرفه ای عرضه میشود، کارکرد این سیستم به این صورت هست که اکتر لباسی مخصوص میپوشد که چند حسگر Sensor در قسمت های مختلف مفاصل و قسمت های دیگه مثل سینه یا کمر نصب شده، و حرکات اکتر توسط این Sensor ها که میتوانند شتاب سنج accelerometers چرخش سنج gyroscopes جاذبه یا مغناطیس سنج magnetometers یا هر حسگر یا Segment دیگه ای باشند گرفته و از طریق امواج وایرلس Wireless به سیستم های کامپیوتری منتقل میشوند. این سیستم نسبت به بقیه از دقت بسیار بالایی برخوردار است در این سیستم تاخیر و انسداد در ضبط حرکت وجود ندارد و محدودیت تعداد اکترها تا حد زیادی کاهش پیدا کرده است، فضای خاصی برای ضبط حرکت در این سیستم وجود ندارد و ابتکار جالب شرکت سازنده مجهز کردن سنسورها به قابلیت انتقال داده ها به صورت وایرلس و بیسیم هست، این قابلیت باعث حذف سیم کشی بین سنسورها شده و نه تنها میزان حرکت و قدرت مانور اکتر را بسیار افزایش میدهد بلکه سرعت و دقت گیرنده ها را در ضبط حرکات تا حد زیادی افزایش داده است، با وجود این قابلیت نیازی به پوشیدن لباس مخصوصی نیست و سنسورها به راحتی روی مفاصل اکتر با هرلباسی که باشد قابل نصب هستند. این سیستم از بهترین سیستم های موشن کپچر هست که قابلیت فوق العاده ای برای ارتقاء فنی دارد همچنین که تا امروز بسیاری از نقص های ان برطرف شده و به یکی از بهترین و دقیقترین سیستمای ضبط حرکت بدن تبدیل شده اما هنوز برای ضبط حرکات صورت امکانات لازم تولید نشده.

قدیمی تریم سیستم ضبط حرکت غیر اپتیکال، سیستم الکترومکانیکی یا اندام مصنوعی Prosthetic هست. این سیستم از چند فشار سنج Potentiometer استفاده میکند که روی یک اگزواسکلتون یا همان اسکلت خارجی از جنس پلاستیک نصب شدند که اکتر باید در زمان اجرا ان را بپوشد، دیتای حرکات به صورت وایرلس یا از طریق کابل قابل انتقال به کامپیوتر هستند، این سیستم نسبت به سیستم های اپتیکال که نیاز به فضای زیاد و کنترل شده دارد و سیستم مغناطیسی که نسبت به فلزات موجود در استیج حساس هست عملکرد بهتری دارد، این سیستم کم هزینه و به صورت پورتابل Portable و قابل حمل بوده و دقت بالایی در ضبط حرکات دارد چون ضبط حرکات بر اساس اسکلت داخلی اکتر Inner Skeleton انجام میشود و پیاده سازی این سیستم ساده تر از سیستم های دیگر هست اما از نقاط ضعف این سیستم عدم قدرت مانور اکتر برای ضبط حرکاتی مثل پریدن و پرت شدن و حرکات انعطافی هست.

در سیستم صوتی از انتقال دهنده های صوتی Audio Transmitters روی بدن اکتر استفاده میشود به این صورت که موقع حرکت، صدای کلیک تولید میشود و گیرنده صوتی Audio Receiver زمان تولید صدا را اندازه گیری میکند و بعد از ان سه بعدی سازی دیتا توسط کامپیوتر انجام میشود تا یک نقطه روی یک صفحه سه بعدی نشون داده بشود، این سیستم نقاط ضعف زیادی دارد از جمله اختلال ضبط به واسطه صداهای اضافی تولید شده هنگام ضبط حرکت و محدودیت زمان ضبط و تعداد سنسورهای روی بدن.