光学动捕技术范文篇1

关键词：影视表演；运动捕捉；技术

中图分类号：J969文献标志码：A文章编号：1674-9324（2013）06-0188-02

随着现代计算机技术的发展，计算机动画技术得到了突飞猛进的发展，尤其是三维概念的引入使得动画的立体感、真实感更加强烈，也更符合人们认识的现实世界。在当今的动画生产上，人们已经可以用计算机生成高质量的图像，虚拟现实技术已渗透到人们生活的各个角落。表演动画借助运动捕捉对运动中的人、动物或物体的三维运动轨迹进行实时捕捉和数字解析的一种高新技术。从近年来欧美国家的院线三维动画影片《阿凡达》、《丁丁历险记》、《怪兽在巴黎》、《冰河世纪》系列、《功夫熊猫》系列等可以得到证实。

在当今的动画影片中，虚拟人动画是计算机图形学中一个快速发展的研究领域，其中运动捕捉技术是重要的组成部分。根据对三维物体的实时捕捉，实现测量、跟踪、记录物体在三维空间的运动轨迹进行分析的技术。本文从运动捕捉技术和其在影视表演动画中的应用阐述。

一、运动捕捉技术

动画制作是一项繁杂耗时的工作，为了减少计算机三维动画制作过程中动画制作者的工作量，表演动画得到进一步的研究和应用。而表演动画中最关键，最不可或缺的就是运动捕捉技术。运动捕捉技术是一种用来记录人体动作，并将其转换为数字模式的技术。从其基本原理来说，就是将人或动物的动作、空间位移记录下来，并以此数据驱动虚拟角色运动，达到比手工动画更流畅、更精确地效果。早期动作捕捉只记录演员的肢体语言，脸部则靠动画师后期绘上。但是影片《猩球崛起》在表情捕捉上取得了突破性的进展，首次使用了“脸部肌肉组织模拟技术”，使得演员的演技得以最大化地传递给观众，让人意识到“动作捕捉技术”越来越应该被称作“表演捕捉技术”。《猩球崛起》通过“动作捕捉”技术呈现的猩猩凯撒的经典程度也不遑多让。凯撒兽性未泯与人性初露的种种复杂、微妙的表情和肢体语言，都在影片中呈现得极为自然鲜活，真正达到了以假乱真、真假难辨的高超境界。当影片结尾凯撒以平等的姿态站立在威尔博士面前时候，神态中那种充满猩猩尊严的独立与霸气，无疑让观众更为真切地理解了“猩球崛起”这一片名的含义。可以说，正是“动作捕捉”技术成就了这部影片，更证明了好莱坞先进的电影科技不仅仅只有在动作场面中营造夸张的视听噱头，更是将技术与故事完美的结合。

二、表演运动捕捉技术的基本构成

在影视表演动画系统中，基于计算机图形原理，通过数个视频捕捉设备将运动物体的运动状况以图形的形式记录下来，然后使用计算机对图形数据进行处理。运动捕捉技术从工作原理来看，主要有机械式、电磁式、声学式和光学式运动捕捉几种。目前的影视表演动画中多数使用光学运动捕捉系统。运动捕捉技术系统的工作过程如下：撰写文字脚本，绘制分镜头脚本，然后进入数字化角色造型设计和气氛图设计，再根据脚本要求制作动画模型。为了便于后期编辑，通常要求表演者穿上蓝色或绿色服装，并在身体的关键部位，如关节、髋部、肘、腕等位置贴上特殊的标志或发光点，视觉系统识别和处理这些标志。利用多台摄像机进行实时视频捕捉，从各个摄像机得到的序列图片中可以看到每一帧中标记点的运动情况。因此可以得到一个特定的点随着时间变化的连续运动轨迹，然后通过三维重建技术将这些点的运动轨迹还原为骨架模型的动作。

三、运动捕捉技术在影视动画制作中的运用

早期三维动画制作主要是依赖于动画师的手动逐帧调节运动，通常一个运动过程耗费时间周期长、繁琐、复杂、效率低。所以以往使用三维动画软件制作出来的动作时间都耗费周期长，而且有些动作制作笨拙。这一现象在某些影片中不难看到。但是以运动捕捉技术为基础创造出了许多生动的动画角色，它对演员、运动员和舞蹈家的动作进行捕捉，演员动作不受限制，动作流畅，自然，减少了动画师调整动作的时间。在2011年度的大银幕——《猩球崛起》的大猩猩，竟然没有一只是真正的猩猩，在这些毛茸茸的生物背后，都是一位一位活生生的动作捕捉演员；《铁甲钢拳》在拳坛上自然流畅，拳拳到肉的机器斗士们，也都是穿着蓝色服装，踩着高跷的演员亲自表演的；《丁丁历险记》，卡通的造型却有无比自然的动作和表情，这同样是拜真人演员的动作捕捉所赐。

在电影中运用运动捕捉的标杆之作堪称——《指环王》，其中怪模怪样的咕噜获得当年奥斯卡“最佳男配角”提名。当时在拍摄咕噜的镜头，所有出现咕噜的镜头一般都要制作三遍：第一遍是实拍，安迪瑟金斯穿着白色衣服和演员一起表演；第二遍在电脑中，将安迪瑟金斯擦除以便放置咕噜；第三遍时安迪瑟金斯单独的个人表演，穿着带记录点的动作捕捉衣表演，动画师先制作出安迪瑟金斯运动造型，然后再将数据转化到咕噜的模型身上，这样的制作，耗时长，花费巨额经费。

带动运动捕捉技术走向规范化的影片要数2004年《极地特快》（如图1），《极地特快》是首次将动作捕捉从头用到尾的全CG动画电影，也是第一次将身体动作捕捉和面部表演捕捉一起完成。也是这个原因，这部电影被记录在2006年的《吉尼斯世界纪录》中。同时，在《极地特快》拍摄现场，一共有超过60台摄像机，计算一次性捕捉多位演员的身体表演和面部表演，实现了有使以来动作最接近真人的动画角色。

动捕技术日渐成熟，每年都有一部由动捕技术完成的创世之作，有2005年的《金刚》中威猛高大的金刚以及凶残可怕的恐龙；2006年的《加勒比海盗II》；及2007年由罗伯特泽米吉斯导演的《贝奥武夫》，这部电影在效果上全面超越《最终幻想：I灵魂深处》，展现的全是CG的人类角色。而使真人CG角色达到巅峰之作要数2008年拍摄的《本杰明巴顿奇事》，这是唯一被奥斯卡认可的表演捕捉，到今天为止我们仍然可以说这部电影是最出色的CG人类角色表演。在之前的动作捕捉电影，在面部捕捉技术上仍然存在着一些不可突破的问题，而3D电影《阿凡达》除了采用普通的被动式光学运动捕捉系统捕捉身体运动数据外，还采用了视频运动捕捉技术，研发出佩戴在演员头部的面部表情捕捉头盔（如图2）。通过对身体数据和面部数据的分别捕捉，《阿凡达》有效地克服了以往捕捉中的数组数据不同时捕捉的困境。多套运动捕捉系统同时实时捕捉，制作出片中勇敢刚毅的混血生物阿凡达技术关键。《阿凡达》在动作捕捉方面的意义在于它实现了前所未有的逼真虚拟生命，让观众一扫之前数码角色给人带来的隔离感，并成功跨越了“诡异谷”。2011年上映的《猩球崛起》，是动作捕捉走出摄影棚的一部高端电影。《猩球崛起》的动作捕捉技术是《阿凡达》技术和动作捕捉技术完美结合，可以说基本解决了和动作捕捉有关的所有问题。团队在此基础上改进了识别系统，只需要通过面部安装50个左右的光源点，就可以完美地捕捉演员的表演，此外，再加上用Solver软件的匹配和皮肤纹理的制作，制作出来一只只活生生的猩猩。《猩球崛起》除了对动作捕捉的技术上的意义之外，更在观念上让大家重视了这项技术，实现了电影科技将技术与故事完美结合中营造夸张的视听噱头。

随着数码电影制作技术的不断发展，愈发要求提高运动捕捉技术。运动捕捉技术实现了以三维方式逼真模拟技术动作的形象化方式，便于动画制作者进一步的完善对于系统的实效性以及实用性的计算机视觉技术。

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光学动捕技术范文篇2

关键词黄曲条跳甲；物理防治；黄板诱杀；防虫网；捕虫器

中图分类号S433.5文献标识码B文章编号1007-5739（2013）14-0134-03

黄曲条跳甲[Phyllotretastriolata（F.）]，属鞘翅目（Coleo-ptera）叶甲科（Chrysomelidae），是一种世界性害虫，可为害多种植物，尤其喜食十字花科植物[1-7]。黄曲条跳甲对苗期十字花科蔬菜常造成毁灭性的危害，幼虫为害地下根部，成虫取食地上叶片或幼嫩处造成许多小孔，不仅影响产量，而且影响蔬菜的质量，大大降低了蔬菜的商品价值[8]。20世纪90年代后，随着我国各地农业产业结构调整，蔬菜种植面积扩大，许多地方十字花科蔬菜常年连作，给黄曲条跳甲的连续、大量发生创造了环境条件[9]。近年来，随着化学农药的使用，该虫发生越发严重，在广东、福建的一些地区已成为十字花科蔬菜的头号害虫[10-13]。

1黄曲条跳甲的防治现状

从20世纪50年代至今，化学防治一直是控制黄曲条跳甲的主要手段。但黄曲条跳甲成虫善于跳跃，可以躲避喷洒的化学药剂，其鞘质前翅影响药剂的附着和渗透，而且叶面施药无法兼治土壤中的卵、幼虫和蛹，所以药剂持效期一过，成虫不断羽化出土继续危害[14]，因此对该虫采用化学防治难度仍旧较大。菜农为了控制该虫危害，常增加喷药次数和用药量，这不仅导致黄曲条跳甲抗药性越来越强[15-21]，也造成蔬菜的农药残留量严重超标，在增加生产成本的同时也给人们的身体健康带来严重危害和潜在的威胁。随着人们对绿色自然生活环境以及食品质量安全的日益重视，人们越来越意识到环境生态保护和农业可持续发展的重要性，而无毒无害无污染的物理防治逐渐受到人们重视。

2黄曲条跳甲的物理防治措施

2.1黄板诱杀技术

黄曲条跳甲对黄色和白色的趋性强，通过试验发现，黄曲条跳甲对不同色彩（光）的敏感性在相同条件下以诱杀成虫量的指数计（以诱杀量最少的为比照指数1）分别如下：黄色5.8，白色5.1，绿色2.1，蓝色1.7，黑色1.5，红色1[22]。Vincentetal研究了4种色板对黄曲条跳甲的引诱作用，发现黄色板和白色板对黄曲条跳甲的引诱作用明显大于绿色板和红色板[23]。Choetal采用黄板涂抹烯丙基异硫氰酸醋的方法诱集叶甲科害虫，发现黄板对黄曲条跳甲有较强的诱集作用[24]。Chenetal研究了不同颜色粘虫板对黄曲条跳甲的控制效果，发现黄色粘虫板距地面25cm具有最好的引诱效果[25]。因此采用黄色粘虫板诱杀跳甲成虫，可以有效地减少黄曲条跳甲成虫数量。

研究表明，黄板底边平于菜叶顶部的黄板诱集量和高度低于菜叶顶部5cm最多[26-27]。也有报道称黄曲条跳甲在粘虫黄板上的垂直分布存在差异，适合诱杀黄曲条跳甲成虫的粘虫黄板的区域高度为8～24cm，这个高度区域范围恰好是当时供试迟熟菜心分布有绿叶和嫩芽的区域高度[28]。一般设置密度225～750块/hm2，每隔7d收集黄板1次。在黄曲条跳甲成虫密度较低的情况下，用黄板诱杀黄曲条跳甲成虫，诱杀效果可能更好，可以对害虫进行可持续控制。如果害虫密度很高时，再结合其他适宜的防治措施就可以将害虫种群数量控制在经济允许损害水平以下。

2.2防虫网技术

1995年江苏省镇江市引进和推广使用防虫网[29]，采用防虫网不仅可以阻止成虫危害、地下产卵和蛹羽化成虫飞出，间断黄条跳甲的生活史可有效地控制其发生危害，尤其在秋季跳甲大量发生时具有良好的防治效果[29-30]。在施足基肥、整地做畦、进行土壤消毒和除草后，立即用缝合的防虫网将棚架覆盖，实行封闭式管理，在作物整个生育期进行全程覆盖，不给黄曲条跳甲入侵的机会，才能达到理想效果[31]。

对田间成虫与幼虫的调查结果表明，覆盖防虫网的成虫比对照区减少87.7%，幼虫比对照区减少86.7%[32]。周益敏[33]研究结果表示，使用30目防虫网，可使小白菜增产604.95kg/hm2，按1元/kg计算，可增收604.95元/hm2，对照进行5次害虫防治，农药成本平均562.5元/hm2，劳动力成本645元/hm2，而防虫网按平均使用寿命4年，每年生产5茬小白菜，其成本折损为705元/hm2，使用防虫网可减少成本502.5元/hm2。因此，使用防虫网的经济效益为1107.45元/hm2·茬。

2.3捕虫设备的防治技术

2.3.1杀虫灯引诱技术。应用灯光诱捕害虫，是我国农业生产物理防治中应用最多且行之有效的方法之一[34]。频振式杀虫灯是利用害虫趋光、趋波特性，选用对害虫有极强引诱作用的光与波长，将害虫诱至灯下被高压电网触杀的一种先进实用的物理防治害虫技术。随着“植保工程”的开展，频振式杀虫灯在各地将得到较好的推广应用，根据黄条跳甲成虫具有极强趋光性这一习性，在寄主作物种植区内70～100m的距离装置频振式杀虫灯，以诱杀成虫。装灯高度距地100～120cm诱杀害虫效果最好。挂灯时间为5月初至10月下旬，开灯时段19：00至凌晨1：00，实际应用中应视具体情况而定[35]。但根据众多研究实践报道，在离光源约10m范围内，易成为聚集虫源集中区，而形成加重发生危害的小区域。由此，在离光源10m范围内需更加注意做好防控工作，或进行挖塘养鱼，以诱虫喂食，或种植非寄主作物以控制黄条跳甲的发生危害[36]。此外，利用跳甲成虫对黑光灯敏感的特性，可采用黑光灯诱杀黄曲条跳甲。可在连片蔬菜种植区按15～20hm2菜地安装1盏黑光灯，有条件的地方，每0.67hm2设置1盏黑光灯，诱杀跳甲成虫，并能诱杀蔬菜螟蛾类害虫[37-39]。为了避免架设电线，还可以选择光电太阳能频振式杀虫灯，用太阳能作为能源，以免除架设线路的麻烦[40]。

2.3.2捕虫器的捕杀技术。①诱捕器：诱捕器由诱芯和捕虫器2个部分组成。诱芯即性诱剂的载体，含有人工合成昆虫性诱剂的小橡胶塞、硅橡胶片或聚乙烯塑料管等。诱捕器的种类很多，一类是粘胶捕虫器，将粘性好、不易干的粘胶涂在浸过蜡的硬纸板上。粘胶捕虫器有船（艇）形、菱形、筒形、三角形等多种样式。粘胶捕虫器使用方便，但费用较高；另一类是水盆、水碗或水瓶捕虫器，这种捕虫器虽然不如粘胶捕虫器方便，但材料易得，费用少，是目前国内用得最多的一类，这种捕虫器的口越大，效果越好。使用时，用铁丝把诱芯系在捕虫器中央，离水面或胶面2cm左右。选择有代表性的田块设置诱捕器。通常一块地放6个（周围4个，中间2个）或8个（周围6个，中间2个）诱捕器即可[41]。②驱赶式捕虫器：有一种利用雾化器喷头驱赶——高压电网灭杀法防治蔬菜害虫的方法[42]，使用时，手握操作手柄，通过机械或电动法将雾化器的水雾由喷雾接头通过高压喷管另一端的雾化管软管任意喷于作物，使害虫惊扰后往上赶飞，害虫惊飞后由害虫向导板赶至高压灭虫网，打开操作手柄上的开关通电，高压电网瞬时释放高压电能，将跳甲击倒或击毙。关闭操纵手柄上的电路开关，高压灭虫网灭杀的虫子从高压灭虫网中下落到捕虫器底部的集虫盒内。高压电网也可以由粘虫板、捕虫袋等代替，操作者推动或电动移动整套装置，以垄为单位完成田间大面积跳甲防治。相比其他同类产品除虫效果提高了25%～45%。还有一种捕虫器[43]，它包括使害虫跳动的拨动刷，拨动刷设置在捕虫罩里的横板上，横板的高度和宽度可以根据垄的实际情况进行调整，捕虫罩的前后开口，捕虫罩由上前板、上后板、左侧板和右侧板组成，捕虫罩内表面设置有用于粘住害虫的胶液层或高压电网，横板与车轮机构连接。通过手推横板中点固定延伸出来的手柄推动捕虫器前进，前进的同时，拨动刷就会驱赶跳甲成虫，使之跳跃，当其触碰到捕虫罩内表面胶液层或高压电网就无法再次进行活动，可通过清理胶液层或者更换胶液层来保证捕虫器有效工作。③吸虫器：其是一种新型负高压吸虫器，采用高能蓄电池驱动真空抽气机，将吸虫管内的空气抽出，形成负高压，通过吸虫口将黄曲条跳甲吸入到高速旋转的刀头上杀死，收集到贮虫器中[44]。

3结语

上述几种物理防治措施对黄曲条跳甲都具有很好的防治效果，尽管其不能像化学农药那样在短时间内扑灭害虫，但它可以对害虫进行可持续控制；在必要的时候，如害虫密度很高时，再结合其他适宜的防治方法就可以将害虫种群数量控制在经济允许损害水平以下[45]。有些物理防治措施已经广泛运用于生产中，有的还处于试验示范阶段，有待进一步研究推广。相比之下，黄板、防虫网和诱捕器技术比较成熟，已得到较好的认可，并得以在较大范围内推广使用，尤其是大型菜场和基地，杀虫灯和捕虫器在推广运用中可能受成本较高和人们传统观念等因素影响，推广力度还有待加强。随着科技的发展和社会的进步，成本造价逐渐降低，人们的食品安全意识逐渐加强，物理防治技术将拥有更广阔的应用前景，特别是在无公害农产品、绿色食品、有机食品生产中发挥着越来越重要的作用。为此，加强和加快黄曲条跳甲物理防治技术的研究及推广工作势在必行。

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光学动捕技术范文篇3

论文摘要：通信技术的发展引领着社会生活的进步。本文主要探讨了高新技术在有线通信系统和光通信系统中的应用。

从20世纪90年代初以来，全球向信息密集的工作方式和生活方式的转变，推动了通信技术的发展。然而，在当今经济技术知识爆炸的时代，随着行业及社会对信息需求的不断增长和应用的不断深化，只有实现通信系统在技术科技方面不断更新，加快通信系统向网络化、服务化、体系化与融合化方向的演进，才能突显通信系统在社会生活领域支撑引领的作用和地位，创造更好的发展空间。本文笔者结合工作实践，主要探讨了现代高新技术在有线通信系统和光通信系统中的应用。

1、分数阶Fourier变换技术在有线通信系统中的应用

有线通信是利用电线或者光缆作为通讯传导的通信形式，它通过对现有各类网络进行技术改造，与下一代新建网络互通和融合，成为现代通信系统的重要支柱。然而，在有线通信信道中存在各种噪声，如果不对其进行处理则会使误码率增加。因此，要消除不理想信道和噪声对信号的影响，必须应用新技术。分数阶Fourier变换(FRFT)的通信技术原理是以线性调频信号(chirp)作为调制信号，利用线性调频信号在分数阶里变换域的能量聚焦特性，通过接收机进行路径分集接收抑制有线通信信道多途效应所产生的码间干扰，从而提高系统的抗噪声干扰和频率选择性衰减的能力。具体应用程序如下：

1.1信号检测与参数估计

分数阶Fourier变换作为一种新型的线性时频工具，其实质是信号在时间轴上逆时针旋转任意角度到U轴上的表示(U轴被称为分数阶Fourier(FRF)域)，而该核是U域上的一组正交的chirp基，这就是分数阶Fourier变换的chirp基分解特性。所以，在适当的分数阶Fourier域中，一个chirp信号将表现一个冲击函数，即分数阶Fourier变换过程中，某个分数阶Fourier域对应的chirp信号具有很好的能量聚焦性，而这种能量聚焦性对chirp信号的监测和估计具有很好的作用。因此，在信号检测与参数估计中，我们的基本思路是以旋转角口为变量进行扫描，求出观测信号所有阶次的分数阶Fourier变换，于是形成信号能量在由分数阶域U和分数阶次P组成的二维参数平面上的分布。然后，我们按域值在在此平面上进行二维搜索，找出最大峰值位置。并根据最大峰值坐标可以检测出chirp信号，并估计出峰值所对应的分数阶次P和分数阶域坐标，估计出信号的参数。

1.2分集接收

分集接收是利用信号和信道的性质，将接收到的多径信号分离成互不相关的多路信号，然后将多径衰落信道分散的能量更有效的接收起来，处理之后进行判决，从而达到抗衰落的目的。本文采用分集合并技术，即取出那些幅度明显大于噪声背景的多径分量，对它们进行延时相加，使之在某一时刻对齐并按一定的准则合并，提高多径分集的效果。在通信系统中，RAKE接收机由N个并行相关器和个合并器组成，每个相关器与发射信号的一个多径分量匹配。在N个相关器前增加时移单元，就可在时间上将所有分量对齐，从而采用相同的本地参考信号。然后，相关器组的输出送给合并器，将合并器输出的判决变量送到检测器进行判决。最后，根据接收机使用的不同合并方法，在选择性合并方式下，在多支路接收信号中，选取信噪比最高的的支路信号作为输出信号。

1.3峰值输出

信噪比系数呈现出一个典型的振荡特性，且振荡频率与振荡幅度与时频面的旋转角度和输入信号相关。因此在采用分数阶Fourier变换技术的实际使用中，在进行近似计算处理时需要特别注意，必须对近似处理带来的误差进行评估。

2、ATP系统在光通信系统中的应用

随着科技发展的日新月异，自由激光空间光通信已经成为现代通信技术发展的新热点。但从技术实现方面来讲，由于激光通信具有信号光束窄、发散角小这样的特点，从而导致APT（AcquisitionPointingTracking)捕获、跟踪、瞄准相距较远的运动体上的较窄信号光束相当困难。ATP系统是由粗跟踪和精跟踪单元构成的复合跟踪系统，其主要功能是在粗跟踪单元实现初始的捕获和跟踪，并将信标光引入精跟踪的视场范围内，然后精跟踪单元实现更高带宽的跟瞄，再将信标光稳定在可通信的视场之内，为最终空间站光通信系统工程实现奠定了一定的技术基础。

2.1粗跟踪单元

粗瞄准单元由一个安装在精密光机组件上的收发天线，万向支架驱动电机以及粗跟踪探测器（CCD）组成，主要作用是捕获目标和完成对目标的粗跟踪。在捕获阶段，粗瞄准机构接收由上位机根据已知的卫星运动轨迹或星历表给出的命令信号，将望远镜定位到对方通信终端的方向上。为确保入射的信标光在精跟瞄控制系统的动态范围内，必须根据粗跟踪探测器给出的目标脱靶量来控制万向支架上的望远镜，使它的跟踪精度必须保证系统的光轴处于精跟踪探测器视场内，从而把信标光引入精跟踪探测器的视场内。

2.2精跟踪单元

精跟踪单元的跟踪精度将决定整个系统的跟踪精度，它要求带宽非常高，带宽越高，对干扰的抑制能力就越强，从而可加快系统的反应速度，加强跟踪精度。因此，设计一个高带宽高精度的精跟踪环是整个ATP系统的关键所在。在这一单元我们可采用高帧频、高灵敏度、具有跳跃式读出模式的面阵电荷耦合器件（CCD）传感器。它基于深埋沟道移位寄存器技术，可以获得非常高的读出速率、非常低的噪声和非常高的动态范围。通过由捕获探测器（CCD）和定位探测器（OPIN）组成探测接收单元转换，CCD完成捕获与粗跟踪，并将接收光引导至OPIN上，在OPIN中进行误差信号的检测，从而提高信标光捕捉精度。

2.3控制单元

将捕捉的信号经放大、整形和A／D变换处理后，在计算机中按一定的数据分配流程将信号输入。然后通过计算机给出的速度控制信号和加速度控制信号，又经数据分配接口送入D／A转换与处理网络，使伺服电机按要求转动并带动天线转动机构分别在水平和俯仰两个方位转动，以调整天线的位置，达到自动捕获、跟踪、瞄准的目的。

3、结语

通信技术的发展促进了社会生活的进步，在未来通信技术的研究上，应不断探索、创新，追求高新技术在通信系统中的应用。

参考文献