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La captura de movimiento (a veces denominada mocap o mo-cap , para abreviar) es el proceso de registrar el movimiento de alta resolución de objetos o personas en un sistema informático. Se utiliza en aplicaciones militares , de entretenimiento , deportivas y médicas, así como para la validación de la visión artificial [ 3 ] y los robots [ 4 ] .
En películas, programas de televisión y videojuegos, la captura de movimiento se refiere a grabar las acciones de actores humanos y usar esa información para animar modelos de personajes digitales en animación por computadora 2D o 3D . [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] Cuando incluye rostro y dedos o captura expresiones sutiles o voces, a menudo se hace referencia a la captura de interpretación . [ 8 ] En muchos campos, la captura de movimiento a veces se llama seguimiento de movimiento , pero en la producción cinematográfica y los juegos, el seguimiento de movimiento generalmente se refiere más a la coincidencia de movimiento .
En las sesiones de captura de movimiento, los movimientos de uno o más actores se muestrean muchas veces por segundo. Mientras que las técnicas iniciales utilizaban imágenes de múltiples cámaras para calcular posiciones 3D , [ 9 ] a menudo el propósito de la captura de movimiento es registrar solo los movimientos del actor, no su apariencia visual. Estos datos de animación se asignan a un modelo 3D para que el modelo realice las mismas acciones que el actor. Este proceso puede contrastarse con la técnica más antigua de rotoscopia .
Los movimientos de la cámara también se pueden capturar, de modo que una cámara virtual en la escena se desplace por el escenario, girando, inclinándose o desplazándose, controlada por un operador de cámara, mientras el actor actúa. Al mismo tiempo, el sistema de captura de movimiento puede capturar la cámara y los accesorios, así como la actuación del actor. Esto permite que los personajes, imágenes y escenarios generados por computadora tengan la misma perspectiva que las imágenes de video de la cámara. Una computadora procesa los datos y muestra los movimientos del actor, proporcionando las posiciones de cámara deseadas en relación con los objetos del escenario. La obtención retroactiva de datos de movimiento de la cámara a partir del metraje capturado se conoce como seguimiento de movimiento o seguimiento de cámara .
El primer actor virtual animado mediante captura de movimiento fue creado en 1993 por Didier Pourcel y su equipo en Gribouille. Consistió en "clonar" el cuerpo y el rostro del humorista francés Richard Bohringer y luego animarlo con herramientas de captura de movimiento que aún estaban en sus inicios.
Ventajas
La captura de movimiento ofrece varias ventajas sobre la animación tradicional por ordenador de un modelo 3D:
- Se pueden obtener resultados de baja latencia, casi en tiempo real. En aplicaciones de entretenimiento, esto puede reducir los costos de la animación basada en fotogramas clave . [ 10 ] La técnica Hand Over es un ejemplo de esto.
- La cantidad de trabajo no varía con la complejidad o la duración de la actuación en la misma medida que con las técnicas tradicionales. Esto permite realizar numerosas pruebas con diferentes estilos o interpretaciones, lo que confiere una personalidad distintiva que solo está limitada por el talento del actor.
- Los movimientos complejos y las interacciones físicas realistas, como los movimientos secundarios , el peso y el intercambio de fuerzas, pueden recrearse fácilmente de forma físicamente precisa. [ 11 ]
- La cantidad de datos de animación que se pueden producir en un tiempo determinado es extremadamente grande en comparación con las técnicas de animación tradicionales. Esto contribuye tanto a la rentabilidad como al cumplimiento de los plazos de producción. [ 12 ]
- Existe la posibilidad de que el software libre y las soluciones de terceros reduzcan sus costes.
Desventajas
- Para obtener y procesar los datos se requiere hardware específico y programas de software especiales.
- El coste del software, el equipo y el personal necesarios puede resultar prohibitivo para las producciones pequeñas.
- El sistema de captura puede tener requisitos específicos para el espacio en el que se utiliza, dependiendo del campo de visión de la cámara o de la distorsión magnética.
- Cuando surgen problemas, es más fácil volver a grabar la escena que intentar manipular los datos. Solo unos pocos sistemas permiten visualizar los datos en tiempo real para decidir si es necesario repetir la toma.
- Los resultados iniciales se limitan a lo que se puede realizar dentro del volumen de captura sin una edición adicional de los datos.
- Los movimientos que no siguen las leyes de la física no pueden ser capturados.
- Las técnicas de animación tradicionales, como el énfasis adicional en la anticipación y la continuación del movimiento, el movimiento secundario o la manipulación de la forma del personaje, como en las técnicas de animación de estiramiento y compresión , deben añadirse posteriormente.
- Si el modelo informático tiene proporciones diferentes a las del sujeto capturado, pueden aparecer artefactos. Por ejemplo, si un personaje de dibujos animados tiene manos grandes y desproporcionadas, estas pueden superponerse al cuerpo del personaje si el actor no controla sus movimientos.
Aplicaciones
La captura de movimiento tiene numerosas aplicaciones. Las más comunes son en videojuegos, películas y captura de movimiento; sin embargo, en la Universidad de Purdue se utiliza esta tecnología para la investigación en el desarrollo de robots.
Juegos de vídeo
Los videojuegos suelen utilizar la captura de movimiento para animar a atletas, artistas marciales y otros personajes del juego. [ 13 ] [ 14 ] Ya en 1988, se utilizó una forma temprana de captura de movimiento para animar a los personajes jugadores 2D del videojuego Vixen de Martech (interpretado por la modelo Corinne Russell ) [ 15 ] y el juego de lucha arcade 2D Last Apostle Puppet Show de Magical Company (para animar sprites digitalizados ). [ 16 ] Posteriormente, la captura de movimiento se utilizó notablemente para animar los modelos de personajes 3D en los juegos arcade Virtua Fighter (1993) [ 17 ] [ 18 ] y Virtua Fighter 2 (1994) de Sega Model . [ 19 ] A mediados de 1995, el desarrollador/editor Acclaim Entertainment tenía su propio estudio interno de captura de movimiento construido en su sede. [ 14 ] El juego arcade Soul Edge de Namco de 1995 utilizó marcadores de sistema óptico pasivo para la captura de movimiento. [ 20 ] La captura de movimiento también utiliza atletas en juegos basados en animaciones, como Crash Bandicoot de Naughty Dog , Spyro the Dragon de Insomniac Games y Dinosaur Planet de Rare .
Robótica
El posicionamiento en interiores es otra aplicación de los sistemas de captura de movimiento óptico. Los investigadores en robótica suelen utilizar estos sistemas para desarrollar y evaluar algoritmos y hardware de control, estimación y percepción. En exteriores, es posible alcanzar una precisión centimétrica mediante el Sistema Global de Navegación por Satélite ( GNSS ) junto con la Cinemática en Tiempo Real ( RTK ). Sin embargo, esta precisión disminuye considerablemente cuando no hay línea de visión directa con los satélites, como en interiores. La mayoría de los proveedores de sistemas comerciales de captura de movimiento óptico ofrecen controladores de código abierto accesibles que se integran con el popular marco de trabajo del Sistema Operativo Robótico ( ROS ), lo que permite a investigadores y desarrolladores probar eficazmente sus robots durante el desarrollo.
En el campo de la investigación en robótica aérea, los sistemas de captura de movimiento también se utilizan ampliamente para el posicionamiento. Las regulaciones sobre el uso del espacio aéreo limitan la viabilidad de realizar experimentos al aire libre con sistemas aéreos no tripulados ( UAS ). Las pruebas en interiores permiten sortear estas restricciones. Muchos laboratorios e instituciones de todo el mundo han construido volúmenes de captura de movimiento en interiores con este fin.
La Universidad de Purdue alberga el sistema de captura de movimiento en interiores más grande del mundo, dentro de las instalaciones de Investigación y Pruebas de UAS de Purdue (PURT). PURT se dedica a la investigación de UAS y proporciona un volumen de seguimiento de 600 000 pies cúbicos mediante 60 cámaras de captura de movimiento. [ 21 ] El sistema óptico de captura de movimiento es capaz de rastrear objetivos en su volumen con precisión milimétrica, proporcionando así la posición real de los objetivos: la base de referencia en investigación y desarrollo. Los resultados obtenidos con otros sensores y algoritmos pueden compararse con los datos de referencia para evaluar su rendimiento.
Cine
Las películas utilizan la captura de movimiento para los efectos CGI, en algunos casos reemplazando la animación tradicional con celdas, y para criaturas completamente generadas por computadora , como Gollum , La Momia , King Kong , Davy Jones de Piratas del Caribe , los Na'vi de la película Avatar y Clu de Tron: Legacy . El Gran Goblin, los tres trolls de piedra , muchos de los orcos y goblins de la película de 2012 El Hobbit: Un viaje inesperado y Smaug fueron creados mediante captura de movimiento.
En la película de 1990 Total Recall , la secuencia en la que Arnold Schwarzenegger y otros actores caminan a través de una máquina de rayos X se filmó utilizando captura de movimiento. [ 22 ]
La película Batman Forever (1995) utilizó captura de movimiento para algunos efectos visuales. Warner Bros. había adquirido tecnología de captura de movimiento de la compañía de videojuegos arcade Acclaim Entertainment para su uso en la producción de la película. [ 23 ] El videojuego homónimo de Acclaim de 1995 también utilizó la misma tecnología de captura de movimiento para animar los gráficos de sprites digitalizados . [ 24 ]
La película de 1999, Star Wars: Episodio I – La amenaza fantasma, fue el primer largometraje en incluir un personaje principal creado ( Jar Jar Binks , interpretado por Ahmed Best ) mediante captura de movimiento. La película indio - estadounidense de 2000 , Sinbad: Más allá del velo de las nieblas, fue el primer largometraje realizado principalmente con captura de movimiento, aunque muchos animadores de personajes también trabajaron en la película, que tuvo un estreno muy limitado. Final Fantasy: The Spirits Within, de 2001 , fue la primera película de gran distribución realizada con tecnología de captura de movimiento. A pesar de su escasa recaudación en taquilla, los defensores de esta tecnología la tuvieron en cuenta.
El Señor de los Anillos: Las Dos Torres fue el primer largometraje en utilizar un sistema de captura de movimiento en tiempo real. Este método transmitió las acciones del actor Andy Serkis a la piel generada por computadora de Gollum/Sméagol mientras se realizaban. [ 25 ]
Storymind Entertainment, un estudio independiente ucraniano , creó un videojuego de disparos en tercera persona de estilo neo-noir llamado My Eyes On You , utilizando captura de movimiento para animar a su personaje principal, Jordan Adalien, y también a personajes no jugables. [ 26 ]
De las tres películas nominadas al Óscar a la Mejor Película de Animación de 2006 , dos ( Monster House y la ganadora Happy Feet ) utilizaron captura de movimiento, y solo Cars de Disney · Pixar se animó sin ella. En los créditos finales de la película Ratatouille de Pixar , aparece un sello que la identifica como "¡100% animación genuina , sin captura de movimiento!".
Desde 2001, la captura de movimiento se ha utilizado ampliamente para simular o aproximar la apariencia del teatro de acción real, con modelos de personajes digitales casi fotorrealistas . El Polar Express utilizó la captura de movimiento para permitir que Tom Hanks actuara como varios personajes digitales distintos (en los que también proporcionó las voces). La adaptación de 2007 de la saga Beowulf animó personajes digitales cuyas apariencias se basaron en parte en los actores que proporcionaron sus movimientos y voces. El muy popular Avatar de James Cameron utilizó esta técnica para crear a los Na'vi que habitan Pandora. [ 27 ] The Walt Disney Company ha producido Cuento de Navidad de Robert Zemeckis utilizando esta técnica. En 2007, Disney adquirió ImageMovers Digital de Zemeckis (que produce películas de captura de movimiento), pero luego la cerró en 2011, después del fracaso en taquilla de Mars Needs Moms .
Entre las series de televisión producidas íntegramente con animación por captura de movimiento se encuentran Laflaque en Canadá, Sprookjesboom y Cafe de Wereld en los Países Bajos, y Headcases en el Reino Unido.
Captura de movimiento
Los proveedores de realidad virtual y realidad aumentada , como uSens y Gestigon , permiten a los usuarios interactuar con contenido digital en tiempo real mediante la captura de movimientos de las manos. Esto puede ser útil para simulaciones de entrenamiento, pruebas de percepción visual o recorridos virtuales en un entorno 3D. La tecnología de captura de movimiento se utiliza frecuentemente en sistemas de marionetas digitales para controlar personajes generados por computadora en tiempo real.
El análisis de la marcha es una aplicación de la captura de movimiento en la medicina clínica . Estas técnicas permiten a los médicos evaluar el movimiento humano en función de diversos factores biomecánicos, a menudo transmitiendo esta información en tiempo real a un software de análisis.
Un uso innovador es la detección de postura, que puede empoderar a los pacientes durante la recuperación postoperatoria o la rehabilitación tras lesiones. Este enfoque permite la monitorización continua, la orientación en tiempo real y programas personalizados para mejorar los resultados de los pacientes. [ 28 ]
Algunas clínicas de fisioterapia utilizan la captura de movimiento como una forma objetiva de cuantificar el progreso del paciente. [ 29 ]
Durante el rodaje de Avatar, de James Cameron, todas las escenas con captura de movimiento se dirigieron en tiempo real utilizando el software Autodesk MotionBuilder para generar una imagen en pantalla. Esto permitió al director y al actor visualizar su aspecto en la película, facilitando así la dirección desde la perspectiva del espectador. Este método posibilitó ángulos y perspectivas imposibles con una animación pre-renderizada. Cameron quedó tan orgulloso de los resultados que invitó a Steven Spielberg y George Lucas al set para que vieran el sistema en acción.
En Los Vengadores de Marvel , Mark Ruffalo utilizó la captura de movimiento para poder interpretar a su personaje, Hulk , en lugar de que fuera solo generado por ordenador como en películas anteriores, convirtiendo a Ruffalo en el primer actor en interpretar tanto la versión humana como la de Hulk de Bruce Banner.
El software FaceRig utiliza la tecnología de reconocimiento facial de ULSee.Inc para mapear las expresiones faciales de un jugador y la tecnología de seguimiento corporal de Perception Neuron para mapear el movimiento del cuerpo sobre el movimiento de un personaje 2D o 3D en pantalla. [ 30 ] [ 31 ]
Durante la Game Developers Conference 2016 en San Francisco, Epic Games realizó una demostración en vivo de captura de movimiento de cuerpo completo en Unreal Engine. La escena completa, del próximo juego Hellblade sobre una guerrera llamada Senua, se renderizó en tiempo real. La presentación [ 32 ] fue una colaboración entre Unreal Engine , Ninja Theory , 3Lateral , Cubic Motion , IKinema y Xsens .
En 2020, el bicampeón olímpico de patinaje artístico Yuzuru Hanyu se graduó de la Universidad de Waseda . En su tesis, utilizando datos proporcionados por 31 sensores colocados en su cuerpo, analizó sus saltos. Evaluó el uso de la tecnología tanto para mejorar el sistema de puntuación como para ayudar a los patinadores a mejorar su técnica de salto. [ 33 ] [ 34 ] En marzo de 2021 se publicó un resumen de la tesis en la revista académica. [ 35 ]
Métodos y sistemas
El seguimiento o captura de movimiento comenzó como una herramienta de análisis fotogramétrico en la investigación biomecánica en las décadas de 1970 y 1980, y se expandió a la educación, el entrenamiento, los deportes y, más recientemente, a la animación por computadora para televisión , cine y videojuegos a medida que la tecnología maduró. Desde el siglo XX, el intérprete debe usar marcadores cerca de cada articulación para identificar el movimiento mediante las posiciones o ángulos entre los marcadores. Se rastrean marcadores acústicos, inerciales, LED , magnéticos o reflectantes, o combinaciones de cualquiera de ellos, de manera óptima al menos dos veces la frecuencia del movimiento deseado. La resolución del sistema es importante tanto en la resolución espacial como en la temporal, ya que el desenfoque de movimiento causa casi los mismos problemas que una baja resolución. Desde principios del siglo XXI, y debido al rápido crecimiento de la tecnología, se han desarrollado nuevos métodos. La mayoría de los sistemas modernos pueden extraer la silueta del intérprete del fondo. Posteriormente, todos los ángulos de las articulaciones se calculan ajustando un modelo matemático a la silueta. Para movimientos en los que no se aprecia un cambio en la silueta, existen sistemas híbridos que permiten realizar ambas funciones (marcador y silueta), pero con menos marcadores. En robótica, algunos sistemas de captura de movimiento se basan en la localización y el mapeo simultáneos . [ 36 ]
Sistemas ópticos
Los sistemas ópticos utilizan datos capturados por sensores de imagen para triangular la posición 3D de un sujeto entre dos o más cámaras calibradas para proporcionar proyecciones superpuestas. La adquisición de datos se implementa tradicionalmente mediante marcadores especiales adheridos al actor; sin embargo, los sistemas más recientes son capaces de generar datos precisos mediante el seguimiento de características de la superficie identificadas dinámicamente para cada sujeto en particular. El seguimiento de un gran número de intérpretes o la ampliación del área de captura se logra mediante la adición de más cámaras. Estos sistemas producen datos con tres grados de libertad para cada marcador, y la información de rotación debe inferirse a partir de la orientación relativa de tres o más marcadores; por ejemplo, marcadores de hombro, codo y muñeca que proporcionan el ángulo del codo. Los sistemas híbridos más recientes combinan sensores inerciales con sensores ópticos para reducir la oclusión, aumentar el número de usuarios y mejorar la capacidad de seguimiento sin tener que limpiar manualmente los datos. [ 37 ]
Marcadores pasivos
Los sistemas ópticos pasivos utilizan marcadores recubiertos con un material retrorreflectante para reflejar la luz generada cerca del objetivo de la cámara. El umbral de la cámara se puede ajustar para que solo se capturen los marcadores reflectantes brillantes, ignorando la piel y los tejidos.
El centroide del marcador se estima como una posición dentro de la imagen bidimensional que se captura. El valor de escala de grises de cada píxel se puede utilizar para proporcionar una precisión subpíxel al encontrar el centroide de la gaussiana .
Se utiliza un objeto con marcadores colocados en posiciones conocidas para calibrar las cámaras y obtener sus posiciones, y se mide la distorsión de la lente de cada una. Si dos cámaras calibradas detectan un marcador, se puede obtener una posición tridimensional. Normalmente, un sistema consta de entre 2 y 48 cámaras. Existen sistemas de más de trescientas cámaras para intentar reducir el intercambio de marcadores. Se requieren cámaras adicionales para una cobertura completa alrededor del sujeto de captura y de varios sujetos.
Los proveedores tienen software de restricción para reducir el problema del intercambio de marcadores ya que todos los marcadores pasivos parecen idénticos. A diferencia de los sistemas de marcadores activos y magnéticos, los sistemas pasivos no requieren que el usuario use cables o equipo electrónico. [ 38 ] En cambio, cientos de bolas de goma se fijan con cinta reflectante, que debe reemplazarse periódicamente. Los marcadores generalmente se adhieren directamente a la piel (como en biomecánica), o se fijan con velcro a un intérprete que usa un traje de spandex/lycra de cuerpo completo diseñado específicamente para captura de movimiento . Este tipo de sistema puede capturar una gran cantidad de marcadores a velocidades de fotogramas generalmente alrededor de 120 a 160 fps, aunque al disminuir la resolución y rastrear una región de interés más pequeña pueden rastrear hasta 10 000 fps.
Marcador activo
Los sistemas ópticos activos triangulan posiciones iluminando un LED a la vez muy rápidamente o varios LED con software para identificarlos por sus posiciones relativas, de forma similar a la navegación astronómica. En lugar de reflejar la luz generada externamente, los marcadores se alimentan para emitir su propia luz. Dado que la ley del cuadrado inverso proporciona una cuarta parte de la potencia al doble de la distancia, esto permite aumentar las distancias y el volumen de captura. Esto también posibilita una alta relación señal-ruido, lo que resulta en una mínima fluctuación de los marcadores y una alta resolución de medición (a menudo de hasta 0,1 mm dentro del volumen calibrado).
La serie de televisión Stargate SG1 produjo episodios utilizando un sistema óptico activo para los efectos visuales, lo que permitió al actor caminar alrededor de los objetos de utilería que dificultarían la captura de movimiento con otros sistemas ópticos no activos.
ILM utilizó marcadores activos en Van Helsing para capturar a las novias voladoras de Drácula en escenarios de gran tamaño, de forma similar a como Weta utilizó marcadores activos en El origen del planeta de los simios . La alimentación de cada marcador se suministra secuencialmente, en fase con el sistema de captura, lo que permite una identificación única de cada marcador para un fotograma determinado, aunque esto repercute en la velocidad de fotogramas resultante. Esta capacidad de identificar cada marcador resulta útil en aplicaciones en tiempo real. El método alternativo consiste en identificar los marcadores mediante algoritmos, lo que requiere un procesamiento adicional de los datos.
También es posible determinar la posición mediante marcadores LED de colores. En estos sistemas, cada color se asigna a un punto específico del cuerpo.
Uno de los primeros sistemas de marcadores activos en la década de 1980 fue un sistema híbrido pasivo-activo de captura de movimiento con espejos giratorios y marcadores reflectantes de vidrio de color, que utilizaba detectores de matriz lineal enmascarados.
Marcador activo modulado en el tiempo
Los sistemas de marcadores activos se pueden perfeccionar aún más activando un marcador a la vez o rastreando varios marcadores a lo largo del tiempo y modulando la amplitud o el ancho del pulso para proporcionar la identificación del marcador. Los sistemas modulados con resolución espacial de 12 megapíxeles muestran movimientos más sutiles que los sistemas ópticos de 4 megapíxeles gracias a su mayor resolución espacial y temporal. Los directores pueden ver la actuación del actor en tiempo real y observar los resultados en el personaje CG generado por captura de movimiento. Las identificaciones únicas de los marcadores reducen el tiempo de procesamiento, eliminando el intercambio de marcadores y proporcionando datos mucho más limpios que otras tecnologías. Los LED con procesamiento integrado y sincronización por radio permiten la captura de movimiento en exteriores bajo la luz solar directa, capturando a una velocidad de 120 a 960 fotogramas por segundo gracias a un obturador electrónico de alta velocidad. El procesamiento informático de las identificaciones moduladas reduce la necesidad de limpieza manual o filtrado de resultados, lo que disminuye los costes operativos. Esta mayor precisión y resolución requiere más procesamiento que las tecnologías pasivas, pero el procesamiento adicional se realiza en la cámara para mejorar la resolución mediante el procesamiento de subpíxeles o centroides, lo que proporciona alta resolución y alta velocidad. Estos sistemas de captura de movimiento suelen costar 20.000 dólares para un sistema de ocho cámaras, con una resolución espacial de 12 megapíxeles y una frecuencia de muestreo de 120 hercios, que incluye un solo actor.
Marcador semipasivo imperceptible
Es posible invertir el enfoque tradicional basado en cámaras de alta velocidad. Sistemas como Prakash utilizan proyectores multi-LED de alta velocidad de bajo costo. Estos proyectores infrarrojos multi-LED, diseñados especialmente para este fin, codifican ópticamente el espacio. En lugar de marcadores retrorreflectantes o de diodos emisores de luz (LED) activos, el sistema utiliza etiquetas fotosensibles para decodificar las señales ópticas. Al fijar las etiquetas con fotosensores a los puntos de la escena, estas pueden calcular no solo la ubicación de cada punto, sino también su orientación, la iluminación incidente y la reflectancia.
Estas etiquetas de seguimiento funcionan con luz natural y pueden integrarse discretamente en la ropa u otros objetos. El sistema admite un número ilimitado de etiquetas en una escena, cada una con una identificación única para evitar problemas de readquisición de marcadores. Al no requerir una cámara de alta velocidad ni la correspondiente transmisión de imágenes a alta velocidad, el sistema necesita un ancho de banda de datos significativamente menor. Las etiquetas también proporcionan datos de iluminación incidente que pueden utilizarse para igualar la iluminación de la escena al insertar elementos sintéticos. La técnica parece ideal para la captura de movimiento en plató o la transmisión en tiempo real de escenarios virtuales, pero aún debe ser probada.
Sistema de captura de movimiento subacuático
La tecnología de captura de movimiento ha estado disponible para investigadores y científicos durante algunas décadas, lo que ha proporcionado nuevos conocimientos en muchos campos.
Cámaras subacuáticas
La cámara subacuática, componente esencial del sistema, cuenta con una carcasa impermeable. Esta carcasa tiene un acabado resistente a la corrosión y al cloro, lo que la hace ideal para su uso en piscinas y depósitos. Existen dos tipos de cámaras: cámaras industriales de alta velocidad que también pueden utilizarse como cámaras infrarrojas. Las cámaras subacuáticas infrarrojas incorporan una luz estroboscópica cian en lugar de la luz infrarroja convencional para minimizar la pérdida de señal bajo el agua, y cámaras de alta velocidad con luz LED o con la opción de procesamiento de imagen.
Volumen de medición
Una cámara subacuática suele tener un alcance de medición de entre 15 y 20 metros, dependiendo de la calidad del agua, la cámara y el tipo de marcador utilizado. Como es lógico, el mayor alcance se consigue con agua clara y, como siempre, el volumen de medición también depende del número de cámaras. Existe una amplia gama de marcadores subacuáticos disponibles para diferentes situaciones.
Hecho a medida
Cada piscina requiere un tipo de montaje y accesorios distintos. Por lo tanto, todos los sistemas de captura de movimiento subacuático se adaptan a las necesidades específicas de cada instalación. Para las cámaras ubicadas en el centro de la piscina, se proporcionan trípodes especialmente diseñados con ventosas.
Sin marcadores
Las técnicas emergentes y la investigación en visión artificial están impulsando el rápido desarrollo del enfoque sin marcadores para la captura de movimiento. Los sistemas sin marcadores, como los desarrollados en la Universidad de Stanford , la Universidad de Maryland , el MIT y el Instituto Max Planck , no requieren que los sujetos usen equipos especiales para el seguimiento. Se diseñan algoritmos informáticos especiales para que el sistema analice múltiples flujos de entrada óptica e identifique formas humanas, descomponiéndolas en partes constituyentes para su seguimiento. ESC Entertainment , una subsidiaria de Warner Brothers Pictures creada especialmente para permitir la cinematografía virtual , utilizó una técnica llamada Universal Capture que empleó una configuración de 7 cámaras y el seguimiento del flujo óptico de todos los píxeles en todos los planos 2D de las cámaras para la captura de movimiento, gestos y expresiones faciales, lo que dio como resultado imágenes fotorrealistas.
Sistemas tradicionales
Tradicionalmente, el seguimiento óptico de movimiento sin marcadores se utiliza para rastrear diversos objetos, como aviones, vehículos de lanzamiento, misiles y satélites. Muchas de estas aplicaciones se realizan al aire libre, lo que requiere diferentes configuraciones de lentes y cámaras. Las imágenes de alta resolución del objetivo rastreado pueden proporcionar más información que solo datos de movimiento. La imagen obtenida del sistema de seguimiento de largo alcance de la NASA durante el fatal lanzamiento del transbordador espacial Challenger proporcionó evidencia crucial sobre la causa del accidente. Los sistemas de seguimiento óptico también se utilizan para identificar naves espaciales y desechos espaciales conocidos, a pesar de la desventaja que presentan en comparación con el radar, ya que los objetos deben reflejar o emitir suficiente luz. [ 39 ]
Un sistema de seguimiento óptico suele constar de tres subsistemas: el sistema de imágenes ópticas, la plataforma de seguimiento mecánica y el ordenador de seguimiento.
El sistema de imagen óptica se encarga de convertir la luz del área objetivo en una imagen digital que el ordenador de seguimiento pueda procesar. Según su diseño, el sistema de seguimiento óptico puede variar desde una cámara digital estándar hasta un telescopio astronómico en la cima de una montaña. Las especificaciones del sistema de imagen óptica determinan el límite superior del alcance efectivo del sistema de seguimiento.
La plataforma de seguimiento mecánico sostiene el sistema de imágenes ópticas y se encarga de manipularlo para que siempre apunte al objetivo que se está rastreando. La dinámica de la plataforma de seguimiento mecánico, combinada con el sistema de imágenes ópticas, determina la capacidad del sistema de seguimiento para mantener el seguimiento de un objetivo que cambia de velocidad rápidamente.
El ordenador de seguimiento se encarga de capturar las imágenes del sistema de imagen óptica, analizarlas para extraer la posición del objetivo y controlar la plataforma de seguimiento mecánica para que lo siga. Existen varios desafíos. En primer lugar, el ordenador de seguimiento debe ser capaz de capturar la imagen a una velocidad de fotogramas relativamente alta. Esto impone un requisito al ancho de banda del hardware de captura de imágenes. El segundo desafío es que el software de procesamiento de imágenes debe ser capaz de extraer la imagen del objetivo de su fondo y calcular su posición. Varios algoritmos de procesamiento de imágenes estándar están diseñados para esta tarea. Este problema se puede simplificar si el sistema de seguimiento puede prever ciertas características comunes a todos los objetivos que va a rastrear. El siguiente problema es controlar la plataforma de seguimiento para que siga al objetivo. Este es un problema típico de diseño de sistemas de control, más que un desafío, que implica modelar la dinámica del sistema y diseñar controladores para controlarlo. Sin embargo, esto se convertirá en un desafío si la plataforma de seguimiento con la que el sistema debe trabajar no está diseñada para operar en tiempo real.
El software que ejecuta estos sistemas también se personaliza para los componentes de hardware correspondientes. Un ejemplo de este software es OpticTracker, que controla telescopios computarizados para rastrear objetos en movimiento a grandes distancias, como aviones y satélites. Otra opción es el software SimiShape, que también puede utilizarse de forma híbrida en combinación con marcadores.
Cámaras RGB-D
Las cámaras RGB-D, como Kinect, capturan tanto las imágenes de color como las de profundidad. Al fusionar ambas imágenes, se pueden capturar vóxeles de color en 3D , lo que permite la captura de movimiento de personas y superficies humanas en 3D en tiempo real.
Debido al uso de una cámara de visión única, los movimientos capturados suelen ser ruidosos. Se han propuesto técnicas de aprendizaje automático para reconstruir automáticamente estos movimientos ruidosos y convertirlos en otros de mayor calidad, utilizando métodos como el aprendizaje perezoso [ 40 ] y los modelos gaussianos [ 41 ] . Este método genera movimientos suficientemente precisos para aplicaciones importantes como la evaluación ergonómica [ 42 ] .
Sistemas no ópticos
Sistemas inerciales
La tecnología de captura de movimiento inercial [ 43 ] se basa en sensores inerciales en miniatura, modelos biomecánicos y algoritmos de fusión de sensores . [ 44 ] Los datos de movimiento de los sensores inerciales ( sistema de guía inercial ) se transmiten a menudo de forma inalámbrica a un ordenador, donde se registra o visualiza el movimiento. La mayoría de los sistemas inerciales utilizan unidades de medición inercial (IMU) que contienen una combinación de giroscopio, magnetómetro y acelerómetro para medir las velocidades de rotación. Estas rotaciones se traducen a un esqueleto en el software. Al igual que con los marcadores ópticos, cuantos más sensores IMU, más naturales son los datos. No se necesitan cámaras, emisores ni marcadores externos para los movimientos relativos, aunque sí son necesarios para proporcionar la posición absoluta del usuario si se desea. Los sistemas de captura de movimiento inercial capturan los seis grados de libertad del movimiento corporal de un ser humano en tiempo real y pueden proporcionar información direccional limitada si incluyen un sensor de orientación magnética, aunque estos tienen una resolución mucho menor y son susceptibles al ruido electromagnético. Las ventajas de usar sistemas inerciales incluyen: captura en una variedad de entornos, incluyendo espacios reducidos, sin resolución, portabilidad y grandes áreas de captura. Las desventajas incluyen menor precisión posicional y deriva posicional que puede acumularse con el tiempo. Estos sistemas son similares a los controladores de Wii, pero son más sensibles y tienen mayor resolución y frecuencias de actualización. Pueden medir con precisión la dirección al suelo con una precisión de un grado. La popularidad de los sistemas inerciales está aumentando entre los desarrolladores de juegos, [ 10 ] principalmente debido a la configuración rápida y sencilla que resulta en un flujo de trabajo rápido. Ahora hay una gama de trajes disponibles de varios fabricantes y los precios base oscilan entre $1000 y US$80,000.
movimiento mecánico
Los sistemas mecánicos de captura de movimiento rastrean directamente los ángulos de las articulaciones del cuerpo y a menudo se les denomina sistemas de captura de movimiento de exoesqueleto, debido a la forma en que los sensores se fijan al cuerpo. El artista se coloca la estructura similar a un esqueleto en su cuerpo y, a medida que se mueve, también lo hacen las partes mecánicas articuladas, midiendo el movimiento relativo del artista. Los sistemas mecánicos de captura de movimiento son sistemas en tiempo real, de costo relativamente bajo, libres de oclusión e inalámbricos (sin cables) con un volumen de captura ilimitado. Por lo general, son estructuras rígidas de varillas rectas de metal o plástico articuladas, unidas entre sí mediante potenciómetros que se articulan en las articulaciones del cuerpo. Estos trajes suelen costar entre $25,000 y $75,000, más un sistema de posicionamiento absoluto externo. Algunos trajes proporcionan retroalimentación de fuerza o entrada háptica limitada.
Sistemas magnéticos
Los sistemas magnéticos calculan la posición y la orientación mediante el flujo magnético relativo de tres bobinas ortogonales tanto en el transmisor como en cada receptor. [ 45 ] La intensidad relativa del voltaje o la corriente de las tres bobinas permite a estos sistemas calcular tanto el alcance como la orientación mediante el mapeo meticuloso del volumen de seguimiento. La salida del sensor es de seis grados de libertad (6DOF), lo que proporciona resultados útiles obtenidos con dos tercios del número de marcadores requeridos en los sistemas ópticos; uno en el brazo superior y otro en el brazo inferior para la posición y el ángulo del codo. Los marcadores son vulnerables a la interferencia magnética y eléctrica de objetos metálicos en el entorno, como barras de refuerzo (barras de acero en el hormigón) o cableado, que afectan al campo magnético, y fuentes eléctricas como monitores, luces, cables y ordenadores.
La respuesta del sensor es no lineal, especialmente hacia los bordes del área de captura. El cableado de los sensores tiende a impedir movimientos de rendimiento extremos. [ 45 ] Con los sistemas magnéticos, es posible monitorear los resultados de una sesión de captura de movimiento en tiempo real. [ 45 ] Los volúmenes de captura para los sistemas magnéticos son considerablemente más pequeños que para los sistemas ópticos. Con los sistemas magnéticos, existe una distinción entre sistemas de corriente alterna (CA) y corriente continua (CC): el sistema de CC utiliza pulsos cuadrados, los sistemas de CA utilizan ondas sinusoidales.
sensores de estiramiento
Los sensores de estiramiento son condensadores de placas paralelas flexibles que miden estiramiento, flexión, cizallamiento o presión, y generalmente se fabrican con silicona. Cuando el sensor se estira o se comprime, su valor de capacitancia cambia. Estos datos se pueden transmitir mediante Bluetooth o entrada directa y se utilizan para detectar cambios mínimos en el movimiento corporal. Los sensores de estiramiento no se ven afectados por interferencias magnéticas ni por oclusiones. Su naturaleza elástica también significa que no sufren deriva posicional, algo común en los sistemas inerciales. Sin embargo, debido a las propiedades de los materiales de sus sustratos y materiales conductores, los sensores elásticos presentan una relación señal-ruido relativamente baja , lo que requiere filtrado o aprendizaje automático para que sean útiles en la captura de movimiento. Estas soluciones resultan en una mayor latencia en comparación con otros sensores.
Técnicas relacionadas
captura de movimiento facial
La mayoría de los proveedores de hardware de captura de movimiento tradicionales ofrecen algún tipo de captura facial de baja resolución, utilizando entre 32 y 300 marcadores con un sistema de marcadores activos o pasivos. Todas estas soluciones están limitadas por el tiempo necesario para colocar los marcadores, calibrar sus posiciones y procesar los datos. En última instancia, la tecnología también limita su resolución y la calidad de la imagen de salida.
La captura de movimiento facial de alta fidelidad, también conocida como captura de rendimiento , representa la próxima generación de fidelidad y se utiliza para registrar los movimientos más complejos del rostro humano con el fin de capturar un mayor grado de emoción. Actualmente, la captura facial se divide en varias categorías distintas, que incluyen datos de captura de movimiento tradicionales, soluciones basadas en la combinación de formas, la captura de la topología real del rostro del actor y sistemas propietarios.
Las dos técnicas principales son los sistemas estacionarios con una matriz de cámaras que capturan las expresiones faciales desde múltiples ángulos y utilizan software como el solucionador de malla estéreo de OpenCV para crear una malla de superficie 3D, o bien utilizan matrices de luz para calcular las normales de la superficie a partir de la variación de brillo al cambiar la fuente de luz, la posición de la cámara o ambas. Estas técnicas suelen estar limitadas en resolución de características únicamente por la resolución de la cámara, el tamaño aparente del objeto y el número de cámaras. Si el rostro del usuario ocupa el 50 % del área de trabajo de la cámara y esta tiene resolución de megapíxeles, se pueden detectar movimientos faciales submilimétricos comparando fotogramas. Los trabajos recientes se centran en aumentar la velocidad de fotogramas y realizar flujo óptico para permitir que los movimientos se redirijan a otros rostros generados por computadora, en lugar de simplemente crear una malla 3D del actor y sus expresiones.
Posicionamiento por radiofrecuencia
Los sistemas de posicionamiento por radiofrecuencia se están volviendo más viables, ya que los dispositivos de radiofrecuencia de mayor frecuencia permiten una mayor precisión que las tecnologías más antiguas, como el radar . La velocidad de la luz es de 30 centímetros por nanosegundo (milmillonésima de segundo), por lo que una señal de radiofrecuencia de 10 gigahercios (mil millones de ciclos por segundo) permite una precisión de unos 3 centímetros. Al medir la amplitud a un cuarto de longitud de onda, es posible mejorar la resolución hasta unos 8 mm. Para lograr la resolución de los sistemas ópticos, se necesitan frecuencias de 50 gigahercios o superiores, que dependen casi tanto de la línea de visión y son tan fáciles de bloquear como los sistemas ópticos. Es probable que la multitrayectoria y la reradiación de la señal causen problemas adicionales, pero estas tecnologías serán ideales para rastrear grandes volúmenes con una precisión razonable, ya que es probable que la resolución requerida a distancias de 100 metros no sea tan alta. Muchos científicos creen que la radiofrecuencia nunca producirá la precisión requerida para la captura de movimiento.
Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts dijeron en 2015 que habían creado un sistema que rastrea el movimiento mediante señales de radiofrecuencia. [ 46 ] [ 47 ]
Sistemas no tradicionales
Se desarrolló un enfoque alternativo en el que el actor dispone de un área de movimiento ilimitada mediante una esfera giratoria, similar a una bola de hámster , que contiene sensores internos que registran los movimientos angulares, eliminando la necesidad de cámaras externas y otros equipos. Si bien esta tecnología podría reducir significativamente los costos de captura de movimiento, la esfera básica solo es capaz de registrar una única dirección continua. Se necesitarían sensores adicionales que la persona llevaría puestos para registrar cualquier otro movimiento.
Otra alternativa consiste en utilizar una plataforma de movimiento de 6 grados de libertad (6DOF) con una cinta de correr omnidireccional integrada y captura de movimiento óptica de alta resolución para lograr el mismo efecto. La persona capturada puede caminar en un área ilimitada, sorteando diferentes terrenos irregulares. Entre sus aplicaciones se incluyen la rehabilitación médica para el entrenamiento del equilibrio, la investigación biomecánica y la realidad virtual.
Estimación de pose 3D
En la estimación de pose 3D , la pose de un actor se puede reconstruir a partir de una imagen o un mapa de profundidad . [ 48 ]
Véase también
- Base de datos de animación
- Seguimiento de dedos
- Reconocimiento de gestos
- Cinemática inversa (una forma diferente de hacer que los efectos CGI sean realistas)
- Kinect (creado por Microsoft Corporation)
- Lista de formatos de archivo de movimiento y gestos
- Motiongram
- Actuación mediante captura de movimiento
- Imágenes históricas del movimiento
- Seguimiento de vídeo
- Seguimiento posicional en realidad virtual
Referencias
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Enlaces externos
- La fascinación por la captura de movimiento. Archivado el 4 de marzo de 2016 en Wayback Machine , una introducción a la historia de la tecnología de captura de movimiento.
- Captura de movimiento
- Introducciones relacionadas con la informática en 1994
- Presentaciones audiovisuales en el año 2000
- Animación por computadora
- Gráficos por computadora en 3D
- Dispositivos de entrada de computación
- Fotografía con control de movimiento
