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基于Kinect的动作捕捉系统设计与实现

动作捕捉技术在电影特效制作、电脑动画制作、游戏制作、运动分析等领域

发挥着重要作用。传统的动作捕捉系统存在价格昂贵、穿戴复杂、实时性差、对

环境要求高等问题，很难被广泛应用。随着技术的创新，微软推出了无标记动作

捕捉设备Kinect，该设备依靠低廉的价格和先进的骨骼跟踪算法有效地解决了以上

问题，从而得到了广泛的应用。

现有的基于Kinect的动作捕捉系统普遍存在着运动数据抖动、骨骼数据关节

缺失、动作数据无法复用等不足。针对上述问题，本文主要研究以下内容：优化

Kinect骨骼动作数据；将优化后的动作数据重定向到三维人物模型，驱动模型模仿

真人的动作；录制并保存动作脚本。在此基础上，设计并实现了基于Kinect的动

作捕捉系统。

首先，本文概述了动作捕捉技术与动作重定向技术国内外发展现状，通过分

析各种动作捕捉系统的优缺点，分析了系统需求，在此基础上提出了基于Kinect

的动作捕捉系统的总体方案。根据MVC设计模式，将系统分为数据采集层、数据

交互中间件、数据处理层和UI界面层，其中数据处理层是系统的关键部分，包括

骨骼数据优化模块、动作重定向模块和动作录制模块。

然后，针对目前基于Kinect的动作捕捉系统存在的问题，本课题对人体单关

节修复算法进行了改进，提出了丢失关节修复算法，以解决连续丢失多个关节点

的问题；提出骨骼动作平滑处理算法，以解决肢体末端关节抖动问题；使用基于

正向运动学重定向算法，以解决模型驱动问题；研究DAE模型结构，为录制动作

脚本的实现提供理论依据。

其次，本文详细设计并实现了系统功能，包括用户界面、Kinect数据获取模块、

骨骼数据优化模块、动作重定向模块、可视化模块和运动录制模块。

最后，为验证基于Kinect的动作捕捉系统的可行性和正确性，对本文所做工

作进行了测试和分析。测试结果表明，本文所做工作符合预期目标。

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第1章绪论

1.1研究背景

动作捕捉技术诞生前，在传统的三维动画、电影特效及游戏制作过程中，角

[1]

色模型的动作效果基本都是由人工手动调整来完成。手工调整模型对动画师的熟

练要求高、效率低、实时性差，影响制作周期。

进入二十一世纪，随着计算机图形学技术的发展和动作捕捉技术的诞生，动

作捕捉系统普遍应用到多媒体领域。动作捕捉系统不仅在电影特效和三维动画制

作中被广泛应用，它在游戏界的优势也逐渐扩大。为了使游戏人物模型的动作更

加贴近真人的动作，使用动作捕捉系统提取真人的动作数据，并驱动游戏人物模

型运动，能让用户感觉到身临其境，增加了游戏的沉浸感。

从技术角度可将动作捕捉系统分为两类，即光学式和非光学式动作捕捉系统。

根据标记点能否主动发光，可将光学式动作捕捉系统分为主动式系统和被动式系

统。非光学式动作捕捉系统又细为分电磁式、机械式以及惯性动作捕捉系统。上

述这些动作捕捉系统都有一个共同点，即动作表演者重要关节处需要布满标记点，

这些标记点可以是光源或者传感器，表演示者在光线较好的场地进行动作表演，

[2]

通过标记点来记录人体的运动数据。目前光学动作捕捉系统在商业中应用最为广

泛，但是其高昂的价格和对服装、场地、光线严格的要求让许多中小型电影公司

无法承担。另外光学动作捕捉系统操作和调试复杂，并且每个光源标记点没有特

定标号，在表演者运动过程中，肢体相互遮挡会造成光源点不能被识别，导致标

记点错位，最终会导致模型的运动失真。这种情况需要后期进行修复，导致工作

量大幅增加。

最近几年，微软推出了无标记动作捕捉设备Kinect，该设备依靠低廉的价格和

先进的骨骼跟踪算法让很多基于Kinect的动作捕捉系统应运而生，表演者不用配

带任何传感器即可完成动作捕捉过程。此外，Kinect对服装、场景以及光线没有严

格要求。Kinect革命性的操作方式颠覆了传统，受到了用户和开发者的追捧。随着

微软发布了开发工具包KinectSDKForWindows，Kinect吸引了更多的开发者。虽