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揭秘光学运动捕捉系统中的”标识点”（附人体研究贴点教程）

光学运动捕捉（Optical Motion Capture）是一种用于获取和记录人或物体运动的技术。以红外光学为原理的光学捕捉系统，主要由红外摄像机、运动捕捉软件、反光标识点、POE交换机和若干配件组成，摄像机捕捉目标物体上标识点的位置，通过计算和分析摄像机之间的坐标关系，以确定目标物体的位置和姿态变化，并将其转化为数字数据，这些数据可以用于动画制作、虚拟现实、体育科学、医学研究等领域。本文将介绍光学动捕中标识点的作用及选择，以及重点介绍在人体研究时光学运动捕捉标识点的贴点方式。

标识点分类

红外光学原理的动作捕捉系统分为主动式和被动式，其区别之一就在于标识点（Marker点）。

主动式标识点（Active Markers）
主动式Marker点是指具有自身发光能力的Marker点，通常通过内置的发光二极管（LED）或其他光源发射可见光或红外光。这种Marker点可以在光学摄像机的辅助下被准确识别和追踪，不受外部光照条件的影响。主动式Marker点通常需要额外的电源供应。

长距离主动标识点

被动式标识点（Active Markers）
被动式Marker点指不具备自身发光能力的Marker点，它们依赖于外部光源（如红外光）的照射并反射光线。这种Marker点通常由具有高反射率的材料制成，例如反光贴纸、反光球体等。目前动捕系统常用的反光标识小球无连接线，不需要电源，内部没有任何电子元件，它固定在被捕捉物表面反射镜头发出的红外光，进而被多个镜头上的感应器矩阵接收，并获取其球心三维坐标。

总体而言，被动式Marker点的成本更低，利用率也更高，能够随时增加Marker点数量，对被捕捉物的物体形态种类和空间范围上适用度较广。因此，被动式光学运动捕捉的技术也更加成熟，精度更高，实用性更强，应用更为广泛，综合性能（精度、可拓展性、便捷性）更佳。因此本文将介绍基于被动式光学原理的运动捕捉系统中的反光标识点(Marker点)。

反光标识点的作用与选择

反光标识点在光学运动捕捉系统中的作用

反光点在光学运动捕捉系统中扮演着十分重要的角色，它们提供了关键的位置和运动信息，使系统能够精确地捕捉和分析被监测对象的运动。其主要作用有：

定位和追踪目标捕捉物
光学运动捕捉系统使用红外摄像机来拍摄场景中反光点，通过检测和追踪这些点在图像中的位置和关联关系，可以确定被捕捉目标物的三维位置，这些位置信息可以用来重建目标物的运动轨迹或姿态。

改善跟踪精度

标识点能够反射摄像机发出的红外光线，使其在摄像机图像中形成明显的亮点或形状。这样一来，摄像机可以更准确地检测和跟踪标识点的位置，提高系统的跟踪精度。标识点的高反射性能有助于减少跟踪误差，并提供更精确的运动数据。

支持多目标追踪

通过在目标物体上布置多个标识点，光学运动捕捉系统可以同时追踪和捕捉多个目标物体的运动。每个标识点都有独特的标识符，系统可以根据不同的标识点识别和区分不同的目标，实现多目标的同时追踪和分析。

提供关键运动信息

根据标识点在目标物体上的位置和连接关系，系统可以计算出目标物体的关节角度和姿态变化。这些关键运动信息对于人体动作分析、姿势重建、角色动画等应用至关重要。反光标识点的准确捕捉和识别有助于提取目标物体的细微动作和姿态信息。

反光标识点的选择

反光点材料和尺寸的选择应根据具体应用的需求、使用环境和被捕捉对象的特征来决定，不同的应用场景下适配不同的标识点类型，例如当被捕捉物尺寸偏小时，需要较小的标识点与之适配，而当其表面非常光滑时，又需要带有双面粘性底座的Marker点进行固定。

反光标识点的大小选择选择通常与被捕捉物类型与尺寸有关。当捕捉人体全身动作时，常用直径为12~15mm的标识点，而捕捉人体手部、足部、面部的精细动作时，常使用直径小于8mm的小尺寸标识点。而在自动化方向，如常见的无人机、机器人等多智能体室内定位与位姿捕捉，通常使用尺寸为8~12mm的标识点，另外，如果是使用场景空间与被捕捉物尺寸都比较大的情况，则使用直径大于15mm的标识点。

反光标识点的贴点方式

下面我们将以Qualisys运动捕捉系统为例，介绍在生物力学领域进行人体研究时光学运动捕捉的贴点方式。

通常，我们所讲的贴点，是指标识点集（Marker Set）按照特定方式将反光标识点贴在人体身上。

在生物力学领域，有许多公认的标识点集应用于不同研究中，也有部分实验室研发了特定的标识点集满足自己的研究需要。因此，没有某一个标识点集是通用的金标准，只要选择得到学术论证、同行认可的标识点集即可。但是，无论使用何种标识点集，都可以参考Serge Van Sint Jan的著作“Color Atlas of Skeleton Landmark Definitions”。该书指导如何精确识别并触诊骨性标记点，从而保证标识点集在使用过程中的一致性。

CAST、IOR、Conventional Gait Model（CGM）是在生物力学领域得到学术验证并广泛使用的模型。这三种标识点集可以根据研究需求应用在所有人体研究中。在Qualisys的步态PAF（项目自动化模块）里嵌入了这三种标识点集，只需要单击鼠标，PAF就会在Visual3D中输出数据并按照标准/自定义的脚本进行运行，输出报告。并且，CGM2不需要Visual 3D即可生成报告，让测试流程更加简单流畅。

CAST下肢标识点集

CAST标识点集

由意大利罗马大学（Università degli Studi “La Sapienza”）的Aurelio Cappozzo和他的团队一起研发的。CAST是为研究应用而开发，因为其结果的可靠性，也广泛应用于临床研究。该标记点集通过使用追踪板尽可能减少标记点在皮肤上移动而带来的影响。

以CAST下肢标识点为例，该标识点集包含两种标记点：解剖标识点（Anatomical marker）贴在特定的解剖标识点，用于定义环节；动态标识点（Dynamic marker）没有解剖学意义，只是为了追踪环节运动。有些标记点既是解剖标志点又是动态标识点，它们同时定义和追踪环节运动。进行静态试验之前，所有标识都被放置在受试者身上，在进行动态试验之前，单独的解剖标识点被取掉。

IOR标识点集

由意大利博洛尼亚的骨科诊所（Istituto Ortopedico Rizzoli）的Alberto Leardini、Maria Grazia Benedetti和他们的团队一起研发的。该标识集是专门为临床应用而开发，它精确地定义了环节的三维运动，并得到了国际医学界的认可。

该标识点集与CAST一样，分为解剖标识点和动态标识点。进行静态试验时，使用所有标识点，在进入动态试验前，取掉单纯的解剖标识点。

Conventional Gait Model（CGM）标识集

Conventional Gait Model（CGM）是临床步态分析中应用广泛和易被理解的生物力学模型，也被广泛用于非临床应用。在20世纪80年代，有几个本质上十分相似的临床步态分析模型同时得以发展，比如Newington、Helen Hayes、Kadaba。英国索尔福德大学的Richard Baker教授将CGM作为这些模型的通用名称。通过行业内专家的不同发展和完善，该模型已经升级到CGM2。CGM2广泛适用于具有一系列有/无不同神经肌肉骨骼疾病的成人和儿童（5岁以上）。

该标识点集的所有标识点既用于静态试验中定义解剖标志点，又用于动态试验中跟踪环节的运动。