Motion Capture

mini|Motion-Capture-Marker an den Beinen eines Probanden bei einer biomechanischen Untersuchung Unter Motion Capture, wörtlich Bewegungs-Erfassung, versteht man ein Tracking-Verfahren zur Erfassung und Aufzeichnung von Bewegungen, so dass Computer diese wiedergeben, analysieren, weiterverarbeiten und zur Steuerung von Anwendungen nutzen können.

Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist die Übertragung menschlicher Bewegungen auf im Computer generierte 3D-Modelle. Beispiele für andere Arten sind das Head-Tracking und das Eye-Tracking, z. B. zur Steuerung von Bildschirmausgaben oder zu Analysezwecken und die Stereoskopische Bewegungsmessung. Ein weiteres spezielles Motion-Capture-Verfahren ist das Performance Capture (wörtlich: Darstellungs-Erfassung), das die Erfassung von menschlichen Gesichts- und Fingerbewegungen umfasst, also Mimik und Gestik.

Inzwischen ist die Bewegungserfassung auch bei Videospielen verbreitet, z. B. mit Kinect, PlayStation Move und der Wii-Fernbedienung.

Verfahren mini|hochkant=2|3D-Bewegungsuntersuchung in der Bewegungswissenschaft mit Hilfe von optischem Tracking Grundsätzlich kann zwischen mehreren Verfahren unterschieden werden, die auch kombiniert zum Einsatz kommen können. Tracken mit Markern mini|Animation der Markerbewegungen einer gebärdenden Person, deren Bewegungen durch Motion Capture aufgezeichnet wurden. Beim optischen Tracking mit Markern wird mit Kameras gearbeitet, welche aktive (also ein Signal emittierende) oder passive Marker an den zu erfassenden Personen oder Gegenständen verfolgen. Anhand der Markerbewegungen in den einzelnen Kamerabildern kann mittels Triangulation die Position der Marker in 3D berechnet werden.

Tracken ohne Marker Mustererkennung

Unter anderem ist es über Mustererkennung in der Bildverarbeitung möglich, markerlos zu tracken. Dabei erleichtern stereoskopische Verfahren oft die Erkennung, da das Objekt aus der Triangulation der beiden (mehreren) Kamerapositionen erkannt werden kann.

Silhouettetracking mini|Silhouette tracking Seit Anfang des 21. Jahrhunderts wurden Systeme entwickelt, welche eine 3D-Bewegungserfassung auf Basis von Silhouetten generieren können. Nachdem über bildverarbeitende Algorithmen die Silhouette aus dem Raum extrahiert wurde, wird ein virtuelles Modell verwendet, um die Gelenkpositionen zu erfassen. Anhand derer werden die kinematischen Parameter berechnet. Diese Systeme bieten vor allem gegenüber der alten konventionellen Analyse mit Markern bedeutende Vorteile, da Fehlerpotentiale der Marker vermieden werden (Verschiebungen auf der Haut; Ungenaues Anbringen der Marker etc.) und eine Erfassung deutlich weniger Aufwand benötigt.

Vorläufer Schon die ersten Reihenfotografien von Eadweard Muybridge sollten dazu dienen, menschliche oder tierische Bewegungen zu analysieren. Spätere Fotografen und Filmer brachten an ihren Modellen deutlich erkennbare Kennzeichen an, um die Analyse der Bewegungen zu vereinfachen. Diese Technik überlebte bis ins Video- und Computerzeitalter, wobei die Markierungen immer noch Bild für Bild per Hand in die Analysesoftware übertragen wurden. Anwendungsgebiete für diese Technik waren zumeist (Sport-)Medizin, Unfallforschung (Crashtests), und Rationalisierung von Bewegungsabläufen in der Arbeitswelt.

Zur Herstellung von Filmen konnte diese Technik noch wenig beitragen, obwohl Muybridges Fotos bis heute Vorbild für Animatoren in aller Welt sind. Erst Max Fleischer erfand mit der Rotoskopie ein Verfahren, das geeignet war, komplexe Bewegungen relativ einfach in Zeichentrick zu übertragen. Der Herr der Ringe (1978) von Ralph Bakshi entstand auf diese Weise ebenso wie zwei neuere Filme von Richard Linklater. Dennoch werden mittels Rotoskopie keine Bewegungsdaten erzeugt, sondern nur das äußere Erscheinungsbild der Schauspieler (teilweise Software-unterstützt) in die Animation übertragen.

Anwendungen

Film und Fernsehen Film und Fernsehen ist das bekannteste und prägendste Einsatzgebiet von Motion Capture. Motion Capture erweckt Storyboards zum Leben, und die Regie nutzt sie, um Bewegungsabläufe in einer Szene zu arrangieren und für die visuellen Effekte vorzubereiten. Die Technik wird in computeranimierten Filmen eingesetzt.

Eine bedeutende Weiterentwicklung stellt dabei das sogenannte Performance Capture dar. Hier werden nicht nur die Körperbewegungen, sondern auch die Gesichtsausdrücke der Schauspieler gescannt, um ein möglichst realitätsnahes Ergebnis zu erzielen. Zur Unterscheidung zwischen Motion Capture und Performance Capture wird häufig das Ausmaß des Unterschieds zwischen aufgenommenem Schauspieler und animierter Figur herangezogen: Ist der Unterschied nur gering, kann die Bewegung mit geringen Nachbesserungen verwendet werden. Bei größeren Unterschieden sind hingegen komplexe Umrechnungsverfahren nötig, um die Bewegung auf die neue Figur zu übertragen.Adobe Inc.: Was ist Motion Capture, und wie funktioniert es?

Computerspiele Auch in Computerspielen und Videospielen hat sich Motion Capture als Standardverfahren etabliert. In der Entwicklung lassen sich mit Motion Capture schnell und effizient umfangreiche Bibliotheken mit Bewegungen für die Spielfiguren zusammenstellen. Die Technik kommt sowohl bei Sportsimulationen als auch bei erzählerisch geprägten Computerspielen zum Einsatz. Die erzielte Bewegungsqualität der Computermodelle hängt dabei von mehreren Faktoren ab, unter anderem von der Anzahl der ausgewerteten, gleichartigen Bewegungen, da dieselbe Bewegung vom Akteur oft mehrmals ausgeführt wird, um die Bewegungsmuster zu vergleichen und zu optimieren.

Medizin und Sportwissenschaft Viele Anwendungen erfordern die Aufnahme und Analyse menschlicher Bewegungen. Menschliche Bewegungsdaten werden in der Medizin und der modernen Sportwissenschaft untersucht und zur Unterstützung der Diagnosefindung z. B. bei orthopädischen Erkrankungen und ihren Heilungsverläufen oder zur Leistungsoptimierung von Sportlern eingesetzt. Menschliche Bewegungen aufzunehmen oder zu analysieren erfordert, aus Sensordaten, z. B. Videos, die 3D-Bewegung des Körpers und die Konfiguration der Extremitäten zu schätzen. Um dies zu ermöglichen, werden meistens so genannte markerbasierte Trackingverfahren verwendet, die von kommerziellen Anbietern bezogen werden können. Markerbasiert bedeutet in diesem Fall, dass Marken, meistens kleine retroflektierende Bälle, an die Person geklebt und in speziellen Aufnahmevorrichtungen von mehreren Kameras verfolgt werden.

Zur Animation und Analyse menschlicher Bewegungen können dann aus den 3D-Markerpositionen die Gelenkwinkel zurückgerechnet werden. Außerdem können die gewonnenen Positionsdaten auf Avatare übertragen werden, um diese mit Leben zu füllen und beliebig in einer Szene zu bewegen. Auf diese Weise wird ein Avatar mit realistischen Bewegungen animiert.

Markerbasierte Verfahren haben Nachteile, die dazu führen, dass die Produktionskosten für Filme relativ hoch und zeitintensiv werden und sie bei medizinischen Fragestellungen für den klinischen Alltagsgebrauch eher selten eingesetzt werden. Zunächst muss eine Person mit Marker an anatomischen Landmarken beklebt werden. Dieser Prozess kann zwischen 30 und 45 Minuten benötigen und dazu führen, dass sich Sportler wieder aufwärmen müssen. Des Weiteren wirken die Marker störend auf das zu analysierende Bewegungsmuster. Insbesondere Probanden, die Marker nicht gewöhnt sind, bewegen sich wesentlich vorsichtiger oder steifer, als sie es in normaler Kleidung würden. Weiterhin wird eine spezielle Laborumgebung mit Kameras und Stroboskoplicht benötigt, um die Marker stabil semi-interaktiv verfolgen zu können. Die Analyse von Aufnahmen im Außenbereich ist dadurch nahezu unmöglich.

Am Max-Planck Institut für Informatik arbeitet in der Computergrafik eine Nachwuchsgruppe an Methoden zur Aufnahme und Analyse menschlicher Bewegungen aus Videodaten ohne Hinzunahme externer Marker. Man spricht hier von einem markerfreien Ansatz, der aufgrund der Verkopplung verschiedener Methoden aus den Bereichen der Computergraphik und des Maschinensehens außergewöhnlich stabil und effizient ist. Insbesondere ist es mit den Verfahren möglich, Personen in Außenbereichen, bei variierender Beleuchtung, leichten Eigenbewegungen von Kameras oder sogar sehr schnellen Bewegungsmustern, z. B. Sportbewegungen, zu verfolgen.Max-Planck-Gesellschaft: Markerfreies Motion Capture: Neue Wege zur Analyse menschlicher Bewegungen

Militär Im militärischen Bereich wird Motion Capture vor allem in Kombination mit Virtual-Reality-Technologie eingesetzt. Zusammen mit Virtueller Realität wird Motion Capture für Ausbildungszwecke genutzt, etwa um realistische Trainingsszenarien zu simulieren, ohne reale Gefahren für die Soldaten in Kauf nehmen zu müssen.

Industrie Motion-Capture-Technologien werden in der Industrie unter anderem für Ergonomie-Untersuchungen in der Nutzfahrzeugentwicklung eingesetzt, wobei allgemeingültige digitale Bewegungsbausteine entwickelt werden, die sich nachträglich an neue, ähnliche Szenarien anpassen lassen. In der Produktionssicherung ermöglicht Motion Capturing bereits in frühen Entwicklungsphasen einen höheren Reifegrad, indem es für die Echtzeitsimulation manueller Arbeitsvorgänge in virtuellen Umgebungen eingesetzt wird.

Motion Capture für Animationsfilme Weiterverarbeitung Nach der Digitalisierung können die Rohdaten über ein geeignetes Plug-in in aktuelle 3-D-Systeme importiert und dort weiterbearbeitet werden. Sie werden dabei auf ein virtuelles Skelett (eine Art dreidimensionales Strichmännchen) übertragen. Dieses Skelett ist wiederum mit einem Drahtgittermodell verknüpft, das so den aufgezeichneten Bewegungen folgt. Die Konstruktion des Skeletts (Rigging) und dessen Verknüpfung mit der zu bewegenden Figur (Skinning) tragen wesentlich zur glaubwürdigen Wiedergabe der aufgezeichneten Bewegungsdaten bei.

Nach dem Rendern sieht es für den Betrachter aus, als würde die virtuelle Figur die Bewegungen des ursprünglichen Schauspielers ausführen. Diese Technik wird verstärkt in computergenerierten Filmen wie Final Fantasy: Die Mächte in dir oder Shrek eingesetzt. Aber auch in vielen neuen PC- und Videospielen (z. B. Tony Hawk’s Project 8 oder der FIFA Serie von EA Sports) findet diese Technik Verwendung. Außerdem wurde bei dem Rockstar-Games-Spiel L.A. Noire sowohl der Produktions- als auch der Marketingfokus auf die Performance-Capturing-Technik, die im Spiel Anwendung findet, gelegt. Sämtlichen im Spiel existenten Figuren wurde mittels Performance Capturing ein möglichst realitätsnahes Gesicht und die dazugehörige Mimik verliehen, um die atmosphärische Wirkung zu steigern.

Die „Bewegungsqualität“ der Computermodelle hängt von mehreren Faktoren ab: Anzahl der auszuwertenden, gleichartigen Bewegungen: Dieselbe Bewegung wird von dem Akteur mehrmals vorgenommen, die Bewegungsmuster werden verglichen und ein Mittelwert aus ihnen gebildet. „Gelenke des Computermodells“: Ein Computermodell besteht aus verschiedenen Gelenken und Knochen (ähnlich der eines Menschen). Ist die Anzahl der Gelenke im Arm und der Hand des Modells kleiner als die des Akteurs, so können nicht alle Daten der realen Bewegung verwendet werden. Es entstehen „kantige“ Bewegungen. Detailtreue: Bei der Skelett-Animation (im Gegensatz zum Performance Capture, siehe unten) werden subtile Bewegungen wie Muskelverformung, die Bewegung von Hautfalten und Ähnliches nicht durch die MoCap-Systeme erfasst. Die (an sich unsichtbare) Bewegung des Skeletts gibt jedoch nur einen Teil des Gesamteindrucks einer Bewegung wieder, der daher nicht nur von der Qualität der Rohdaten, sondern auch vom handwerklichen Geschick der Animationskünstler bei der Konstruktion der Figur abhängt.