NOKOV紅外光學動作捕捉系統(tǒng)精度測試

王涵 連家斌

摘? 要：光學動作捕捉系統(tǒng)作為一種高精度的測量設備，可以用于獲取目標物在空間中三維位置信息。精度是動作捕捉系統(tǒng)最重要的指標之一。為了研究NOKOV光學動作捕捉系統(tǒng)的定位精度結(jié)果，文章提出一種性能評估方法。性能評估方法包括靜態(tài)和動態(tài)結(jié)果評估，其中分別進行絕對精度實驗和重復精度實驗，驗證NOKOV動作捕捉系統(tǒng)的精密度和正確度指標。實驗結(jié)果表明NOKOV動作捕捉系統(tǒng)的測量精度滿足主要使用場景的精度要求。

關鍵詞：NOKOV;動作捕捉;精度測試;重復精度;絕對精度

中圖分類號：TP391.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）15-0113-04

Abstract： As a high-precision measuring device， the optical motion capture system can be used to obtain three-dimensional position information of a target in space. Accuracy is one of the most important indicators of a motion capture system. In order to study the positioning accuracy results of NOKOV optical motion capture system， this paper proposes a performance evaluation method which includes static and dynamic results evaluation. Absolute accuracy and repetition accuracy testing are carried out respectively to verify the accuracy index of NOKOV motion capture system. The experimental results show that the measurement accuracy of NOKOV motion capture system meets the requirements of main application scenarios.

Keywords： NOKOV; motion capture; accuracy test; repetition accuracy; absolute accuracy

0? 引? 言

動作捕捉系統(tǒng)（Mocap）是一種記錄物體或人的運動過程中實時位置的設備，目前廣泛應用于各種不同的領域。其中被動光學式動作捕捉是各種動作捕捉形式中精度最高也是最常見的。由于其高精度、數(shù)據(jù)實時傳輸、同步多點測量等特點，除了傳統(tǒng)的運動康復及影視動畫方向，近年來被動光學動作捕捉系統(tǒng)也逐漸廣泛用于工業(yè)場景中部件安裝的點位測量，以及實驗室開發(fā)機器人的控制與驗證等對精度要求高的場景[1-3]。

動作捕捉系統(tǒng)本質(zhì)上是一種測量設備，其中一個重要的指標就是精度。對于實驗室內(nèi)機器人室內(nèi)定位場景（比如無人機、移動機器人室內(nèi)定位），通常需要精度達到毫米級;工業(yè)裝配場景點位測量精度要求達到亞毫米級。因此在使用前需要針對動作捕捉系統(tǒng)提出一種合理的精度測試方法，進行精度測試實驗。

此前研究人員針對光學動作捕捉在不同場景下的應用設計了不同的性能評估方法。Furtado等通過在水平和傾斜平臺上測試目標物在靜態(tài)和動態(tài)條件下，比較多組動作捕捉系統(tǒng)的平均和最大絕對測量誤差[4]。Richards等測量了四種型號動作捕捉設備的跟蹤精度，測量標記點固定在一個線性運動平臺上，并以不同的速度、加速度和沖擊力移動[5]。Mizera等評估了三套手部跟蹤系統(tǒng)的準確性，實驗中反射標記貼在手上在一定范圍內(nèi)運動[6]。以上所有實驗都進行了光學動作捕捉系統(tǒng)的正確度和精密度性能評估。

本文提出了一種光學動作捕捉系統(tǒng)的性能評估方法以及對應的指標，包含靜態(tài)和動態(tài)的絕對精度（正確度）和重復精度（精密度），實驗基于NOKOV動作捕捉系統(tǒng)完成。

1? 動作捕捉系統(tǒng)介紹

實驗使用NOKOV（度量）紅外光學動作捕捉系統(tǒng)，其構(gòu)成如圖1所示。

NOKOV動作捕捉系統(tǒng)采用被動式光學原理，利用紅外光學鏡頭捕捉反光標識點來進行三維坐標測量，鏡頭向外發(fā)射紅外光，通過捕捉反射回來的光線，將標記點信息儲存為灰度圖，將灰度圖做二值化處理，利用像素點獲取標識點在二維圖像中的位置，對于同一標識點，只要同時被兩個鏡頭捕捉到，就可以根據(jù)鏡頭的內(nèi)外參數(shù)，利用雙目視覺原理重構(gòu)出標識點在三維空間中的位置坐標[7]。系統(tǒng)根據(jù)場地大小及目標捕捉區(qū)域不同，配置不同數(shù)量及參數(shù)的鏡頭。

動作捕捉系統(tǒng)主要由紅外光學動作捕捉鏡頭、標定套件（T型、L型）、反光標識點、交換機、動作捕捉工作站（動作捕捉軟件）構(gòu)成。其中L型桿用于建立系統(tǒng)坐標系，T型桿用于標定相機內(nèi)外參數(shù)。軟件用于重構(gòu)目標點在空間中的坐標，并將數(shù)據(jù)實時向外發(fā)送。

實驗使用8個200萬像素的NOKOV MARS2H動作捕捉鏡頭，鏡頭布置在場地四周，鏡頭的視野范圍盡可能在工作區(qū)域重疊。實驗區(qū)域如圖2所示。

2? 性能評估方法

動作捕捉系統(tǒng)的測量性能評估分為靜態(tài)性能評估和動態(tài)性能評估。首先測量光學動作捕捉系統(tǒng)在工作區(qū)域中的靜態(tài)絕對精度（正確度，trueness）和靜態(tài)重復精度（精密度，precision）。然后進行動作捕捉系統(tǒng)的動態(tài)精度實驗。

2.1? 靜態(tài)性能評估

靜態(tài)正確度和精密度這兩個指標分別反映了光學動作捕捉系統(tǒng)靜態(tài)重復精度和系統(tǒng)誤差。使用標準差（standard deviation， SD）來評估光學動作捕捉系統(tǒng)的精密度性能。在大理石平臺上固定放置3個反光標識點，利用NOKOV動作捕捉系統(tǒng)采集10秒（采集頻率100 Hz），計算的點空間坐標：

Ni是標識點i的總采樣幀數(shù)。則標識點i的標準差計算為：

均方根誤差（root mean square error， RMSE）用于評估NOKOV動作捕捉系統(tǒng)正確度性能。實驗中反光標識點固定在激光跟蹤儀的大理石移動平臺上，平臺的移動精度可以達到5 μm。平臺移動的距離作為系統(tǒng)真值。平臺單向移動1 000 mm，共計十次。每組起始位置和終止位置各停留5 s，每秒動作捕捉系統(tǒng)采集100幀。用表示動作捕捉系統(tǒng)計算得到的第i次起始和終止位置之間距離，d表示三坐標大理石平臺移動的距離。系統(tǒng)的均方根誤差可以計算：

測量均值的偏倚e計算為：

2.2? 動態(tài)性能評估

動態(tài)精密度實驗測試指標與靜態(tài)一致，只是采集3個標識點在運動過程中的位置信息，并計算兩點之間距離。

動態(tài)正確度，利用三坐標測量儀測量各標識點的位置并計算兩點之間距離，各組距離結(jié)果作為真值。計算系統(tǒng)的最大誤差和平均誤差：

測量均值的偏倚e計算為：

3? 性能評估實驗

3.1? 靜態(tài)實驗結(jié)果

NOKOV動作捕捉靜態(tài)測量結(jié)果如下。點位標準差為：

fSD=0.039 5 mm

均方根誤差為：

fRMSE=0.067 3 mm

測量均值的偏倚為：

e=0.049 7 mm

可以看出，NOKOV動作捕捉系統(tǒng)的靜態(tài)正確度（絕對測量精度）優(yōu)于0.1 mm，靜態(tài)精密度（重復測量精度）優(yōu)于0.05 mm。

3.2? 動態(tài)實驗結(jié)果

NOKOV動作捕捉動態(tài)測量結(jié)果如下。距離標準差為：

fSD=0.0978mm

均方根誤差為：

fRMSE=0.146 4 mm

測量均值的偏倚為：

e=0.120 6 mm

可以看出，NOKOV動作捕捉系統(tǒng)的動態(tài)正確度（絕對測量精度）優(yōu)于0.15 mm，動態(tài)精密度（重復測量精度）優(yōu)于0.1 mm。而靜態(tài)測量精度結(jié)果優(yōu)于動態(tài)測量結(jié)果，是由于動態(tài)結(jié)果相對差是由于光學動作捕捉系統(tǒng)性原因?qū)е拢ū热邕\動時點位圖像的拖影）。

4? NOKOV動作捕捉系統(tǒng)檢測實例

為了驗證NOKOV動作捕捉系統(tǒng)在真實場景下的測量精度，進行了工廠裝配場景靜態(tài)點位測量和無人機飛行場景動態(tài)測量兩組實驗。

4.1工廠裝配場景靜態(tài)點位測量

某工廠裝配場景，設計方要求靜態(tài)絕對測量精度（正確度）達到0.1 mm。傳統(tǒng)方案利用激光跟蹤儀進行定位可以滿足精度要求，裝配實驗場景如圖3所示，但是同時一臺設備只能定位單點，變更測量位置需要人手動操作，工作效率低。利用多做捕捉系統(tǒng)作為定位替代方案。

在裝配物上粘貼反光標識點和激光跟蹤儀靶標。將裝配物放置在5個安裝點位上（安裝點位在同一直線上，裝配物無旋轉(zhuǎn)）。在5個位置分別使用動作捕捉系統(tǒng)和激光跟蹤儀進行測量，并計算兩點位之間距離，激光跟蹤儀測量結(jié)果作為真值。其中動作捕捉系統(tǒng)的采樣頻率為100 Hz，測量時長為10 s。

實驗結(jié)果如表1所示，可以看出偏倚最大值為0.099 mm，均方根誤差為0.073 mm。NOKOV動作捕捉系統(tǒng)的最大偏倚小于0.1 mm，滿足正確度要求。

點位標準差結(jié)果為fSD=0.041 2 mm，重復精度優(yōu)于0.05 mm。

4.2? 無人機室內(nèi)定位場景動態(tài)測量

無人機上粘貼3個反光標識點，無人機視為剛體，點之間距離默認為是固定值，共計三組距離，無人機運動軌跡如圖4所示。NOKOV動作捕捉系統(tǒng)采樣頻率為100 Hz，采樣時常為75 s。共采集7 500幀數(shù)據(jù)。是計算各組距離結(jié)果。從結(jié)果可以看出，最大標準差為0.145 9 mm，動態(tài)精密度結(jié)果優(yōu)于0.15 mm。

5? 結(jié)? 論

介紹了NOKOV（度量）紅外光學動作捕捉系統(tǒng)，分別測試了靜態(tài)和動態(tài)目標物下NOKOV動作捕捉系統(tǒng)的重復精度（精密度）和絕對精度（正確度）。精度測試結(jié)果如下：（1）對于靜態(tài)目標的測量，通過分析一段時間內(nèi)NOKOV動作捕捉系統(tǒng)的測量結(jié)果可得，系統(tǒng)的重復精度（精密度）優(yōu)于0.05 mm;通過與三坐標測量儀系統(tǒng)的真實值結(jié)果對比，NOKOV系統(tǒng)的絕對測量精度（正確度）優(yōu)于0.1 mm。（2）對于動態(tài)目標的測量，NOKOV動作捕捉系統(tǒng)的重復精度（精密度）優(yōu)于0.1 mm;系統(tǒng)的絕對測量精度（正確度）優(yōu)于0.15 mm。

此外，分別進行了典型場景下精度測試實驗：（1）工業(yè)靜態(tài)裝配場景下，最大偏倚小于0.1 mm，標準差小于0.05 mm，滿足場景下測量精度要求;（2）無人機室內(nèi)定位場景下標準差小于0.15 mm，滿足場景下重復精度（精密度）要求。

受測試條件限制，本次實驗不是很全面，但是可以作為參考。后續(xù)將進行其他變量，比如系統(tǒng)采集頻率、目標物運動速度等對動作捕捉系統(tǒng)精度影響的研究。

參考文獻：

[1] 王偉嘉，鄭雅婷，林國政，等.集群機器人研究綜述 [J].機器人，2020，42（2）：232-256.

[2] 楊明輝.基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡的運動目標軌跡預測 [D].武漢：武漢大學，2019.

[3] FENG M，NI Z X，LI A，et al. Master manipulator optimisation for robot assisted minimally invasive surgery [J/OL].The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery，2021，17（2）：（2020-12-20）.https：//onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/rcs.2208.

[4] FURTADO J S，LIU H H T，LAI G，et al. Comparative Analysis of OptiTrack Motion Capture Systems [M]. Cham：Springer，2019.

[5] RICHARDS J G. The measurement of human motion：A comparison of commercially available systems [J].Human Movement Science，1999，18（5）：589-602.

[6] WINDOLF M，G?TZEN N，MORLOCK M. Systematic accuracy and precision analysis of video motion capturing systems—exemplified on the Vicon-460 system [J].Journal of Biomechanics，2008，41（12）：2776-2780.

[7] 劉瑞.運動捕捉數(shù)據(jù)智能處理算法研究及應用 [D].大連：大連理工大學，2012.

作者簡介：王涵（1992.12—），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，產(chǎn)品應用經(jīng)理，碩士研究生，研究方向：動作捕捉系統(tǒng)應用拓展。

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