光学动捕技术范例(3篇)

光学动捕技术范文

【关键词】光学测量特征跟踪脱靶量自动识别

1引言

随着我国工业技术的进步和工业结构的改变，光学测量工作在科研领域的试验与训练任务中的作用日显重要。与传统光学测量工作相比，现代光学测量工作有了较大的改变，主要有以下几点：一是测量目标发生变化。由以往的运动目标、发射卫星等高速行进、飞行路线固定的物体，变为飞机、航空飞行器等运行方向可变、速度可随意变化的目标。二是测量过程跟踪特点有所改变。第一是对同一飞行器进行跟踪测量时，不同距离采用不同的跟踪方案，对中、近程距离主要进行长时间的持续性测量；其次是对多个飞行器近距离的不间断交叉跟踪测量的特点突出。三是目标捕获难度加大。与传统光学测量“一次捕获，全程测量，跟踪到底”的方式相比，现代光学测量工作中，不仅需要对单一目标进行多次捕获，捕获的位置与时间往往也存在不确定性，极大增加了目标成功捕获的难度。

2传统人工手动跟踪方式在现代光学测量中的弊端

传统场光学测量一般采用人工手动跟踪方式实现“一次捕获，全程测量，跟踪到底”的测量任务，但在现代靶场光学测量任务中，人工手动跟踪方式已不能完全满足测量需要，暴露出的弊端主要有以下几点：

2.1跟踪测量任务的高强度导致疲劳操作，人为差错增多

跟踪测量任务的高强度主要有两点，一是对同一飞行目标的持续跟踪时间较长，能见度较好条件下，一般需要对盘旋飞行的目标持续跟踪至30Km以外，目标不间断跟踪时间为传统“一次捕获，全程测量，跟踪到底”测量时间的4倍以上；二是多飞行目标近距离飞行交叉捕获跟踪频率高，导致跟踪人员注意力长时间处于高度集中状态。这极易造成跟踪人员疲劳操作，造成目标跟踪不稳定、脱靶量变化剧烈，甚至是目标丢失等人为差错。

2.2目标近距离跟踪时，判读点脱离视场现象严重

为了准确测量目标空中运行轨迹，需要选取飞行目标结构上的某点作为标准判读点，在跟踪过程中要求判读点始终处于相机跟踪视场内。由于测量场区范围、测量精度要求所限，现在光学测量在目标处于近距离飞行时，相机视场往往只能显示目标部分位置，操纵手柄的轻微抖动都会导致视场的大幅度变化，而发生测量差错。如图1所示，（b）、（c）为在实际测量任务中，标准判读点为飞机尾部发动机喷气口时，采用人工手动跟踪方式时发生的判读点偏离视场、目标丢失等测量差错。

2.3跟踪稳定性差，事后判读工作精确度降低

飞行目标方向、速度的频繁变化使得人工手动跟踪测量效果稳定性较差，标准判读点脱靶量变化较大，在事后判读工作中跳值增多，极大降低了目标飞行轨迹判定的精确度。

3目标特征自动跟踪方式的试验与应用

为了适用现代光学测量工作要求，解决上述跟踪弊端，经过几年来的试验论证，目标特征自动跟踪方式已逐渐成为现代靶场光学测量领域的重要跟踪手段。

目标特征自动跟踪方式，是指利用一定的目标特征选取准则，人工选择目标图像上一些特征点（如目标的几何中心、灰度对比明显的局部位置等）附近区域作为跟踪区域，跟踪测量过程中，伺服跟踪系统根据事先选定的目标的特征区域特点，在图像上进行自动搜索，实现目标的自动捕获与跟踪。

对于目标特征自动跟踪方式的稳定性主要进行了两方面的试验，一是将自动跟踪编程软件置于单独的黑白测量相机内，运动中对固定目标进行特征区域定位试验；二是在试验场利用光学测量设备――光电经纬仪对飞机进行实际应用试验。

3.1固定目标特征自动跟踪试验

试验中，将测量相机固定在遥控飞机上，选取下方隧道山洞口为目标特征跟踪区域。如图2所示，目标特征自动跟踪软件通过视场内十字标表示目标特征跟踪位置。试验中，测量相机采用由远及近逐渐接近山洞口的方式记录目标特征位置跟踪效果的连续视频，图2是从实际跟踪实验中截取的3帧图片，从图中可以看到在跟踪过程中相机逐步接近跟踪目标，目标由小到大存在着明显的缩放（第1帧图像与第301帧图像的缩放比为1：3.8），同时由于拍摄过程中相机的移动，导致每帧图像中的图像背景发生一定的旋转变化（第1帧与第301帧图像的背景中铁路的旋转角度为35°），但该跟踪方式中十字标依然能够准确给出目标（山洞）的位置，体现了目标特征自动跟踪方式较高的稳定性。

3.2目标特征自动跟踪方式的靶场光学测量跟踪试验

目前，在试验中，使用目标特征自动跟踪方式的光电经纬仪已逐步成为光学测量的主要设备。在实际应用之前，对光电经纬仪目标特征自动跟踪功能进行了大量的应用试验。如图3所示，以飞机为例，事先选取飞机发动机为喷口特征跟踪区域，在飞机起飞后开始采用目标特征自动跟踪方式进行跟踪测量。在多次跟踪测量试验中，光电经纬仪都较好的自动捕获并记录下了飞机由起飞（距离约240米）至35公里处的连续飞行图像。如图3所示，分别选取了飞机在500米、3公里和30公里位置的实时跟踪效果。通过试验，很好的验证了靶场光学测量中目标特征自动跟踪方式的稳定性和准确性。

4目标特征自动跟踪方式应用前景

目前光学测量目标特征自动跟踪方式根据选取特征区域不同，主要有形心自动跟踪方式、边缘跟踪方式、相关跟踪方式。其跟踪稳定性与准确性在试验场应用试验中均得到了很好的验证，但此种跟踪方式仍存在不少弊端，如复杂背景下容易目标混淆等，但采用目标特征自动跟踪方式作为现代靶场光学测量手段已成为共识，随着光学测量技术的发展，目标特征自动跟踪方式将会拥有更为广泛的应用领域。

参考文献

[1]李晋惠，任小伟.一种形心空中运动多目标跟踪算法研究[J].西安工业学院学报，2004（08）.

[2]魏伟波，芮筱亭，杨富锋，陆文广.基于图像的目标自动跟踪系统[J].计算机工程与应用，2007（27）.

[3]王芳.视频图像中运动目标检测与跟踪的算法研究[D].中国海洋大学，2011.

[4]肖敬若.复杂背景下的实时目标跟踪技术研究[D].西北工业大学，2006.

[5]伍翔.视频图像中运动目标检测与跟踪方法研究与实现[D].哈尔滨工业大学，2007.

作者简介

周弘，现为92853部队工程师，主要从事飞行器测控技术研究。

朱江山，现为92853部队高级工程师，主要从事飞行器测控技术研究。

光学动捕技术范文篇2

打开丁丁的第二扇门

时间：1999-2011年

主人公：彼得•杰克逊

事件：“捕捉”使得电影无所不能

第二扇门里走出的是一个大胡子，我们知道这个人，名字叫彼得•杰克逊，是一个拍摄过《指环王》的家伙，他带着自己那个叫威塔的工作室而来，他走到斯皮尔伯格面前，按了播放按钮，给他看了一段他自己亲身上马的丁丁短片……那一刻，我们知道，《丁丁历险记》，真的要诞生了。

发展：从《指环王》到《金刚》

2004年年初，彼得•杰克逊导演的《指环王：国王归来》在奥斯卡上斩获了许多奖项，其中安迪•瑟金斯“扮演”的咕噜便为影片增色了不少，这也得益于日益发展的动作捕捉技术。

参演《指环王》系列时，安迪•瑟金斯不仅要在实地拍摄时与演员一起表演、配合，更重要的是要在动作捕捉系统中表演相关的场景、故事，然后他的动作、表情的数据被采集下来，并被赋予到三维版本的角色身上，随后为这个角色添加数百块肌肉，组成“咕噜”这个复杂的虚拟演员；再通过动画师、特效师的后期处理，让安迪•瑟金斯的“表演”与“咕噜”的表演相互融合，于是让“咕噜”这个角色更加的活灵活现、栩栩如生。

随后安迪•瑟金斯又主演了威塔工作室的另一个重要角色―彼得•杰克逊导演的《金刚》中的大金刚，同样的，安迪•瑟金斯为金刚赋予了情感、灵魂，而威塔工作室的动作捕捉技术让这与影片本身的故事、剧情相互的融合。

威塔先是将安迪•瑟金斯进行的动作捕捉与金刚的高度建立关系，将演员的表演展开为一张角色图，并时刻记录细微的差别。如其中的一场金刚与女主角之间的安静瞬间时，由52个摄像机组成的动作捕捉设备对瑟金斯的身体动作进行捕捉，同时还使用了20台摄像机对瑟金斯的脸部表情进行捕捉，这样使得人物的情感、表情、动作更加的具有一致性，也更加的逼真。

另外，值得一提的是，《金刚》中威塔工作室的脸部表情、动作的捕捉技术相比起《指环王3》时又进了一步。金刚与咕噜很大不同的一点是，金刚并不能使用人类语言来表达自己的情感，而眼睛又是通往内心的窗口，而威塔公司通过技术让金刚的孔膜发棕褐色，也让虹膜变暗，再加上模拟水底反射光的效果进行渲染，使得金刚的眼神更有丰富的层次感；而安迪•瑟金斯的眼神、表情表演再通过动作捕捉、形状分析混合器等复杂的转化、处理，赋予到金刚的身上……

成熟：《猩球崛起》与《丁丁历险记》

科技的日新月异的发展带给了近几年好莱坞电影的视效与特效的飞跃，詹姆斯•卡梅隆导演的《阿凡达》全球豪取约27亿美元，故事的通俗易懂让人共鸣是原因之一，但也离不开技术的支持，其中，动作捕捉便使得影片里的纳威人显得更真实，而威塔工作室也在本片研发出可携式动态撷取技术。但这个技术还受到了光线、室内等因素的限制。

今年威塔工作室又参与了两部力作，即科幻动作片《猩球崛起》与《丁丁历险记》，应该说，其动作捕捉技术，相比起《阿凡达》时又进了一部，更是远胜于《指环王3》、《金刚》的时期。

虽然《猩球崛起》中出现了大猩猩等灵长类动物，但基本上影片中的所有猿猴，都是CG技术创作出来的，而影片里的猿猴众多，且不少有自己的特色，在技术的支持下显得要比《金刚》时更加的逼真形象。而领导者“凯撒”的动作捕捉，也成为了这次威塔特效的重中之重。影片中的凯撒，经历了一个逐渐成长的过程，从小时候的单纯，到智力发展后对于人类世界的困惑、对于自身的“自我”认知感，再到对于认同感的追求等，几乎都是通过凯撒的眼神、动作传达出来（虽然凯撒也有台词，但屈指可数），这让凯撒比起数年前的金刚，多了这个角色成长、变化的过程，也多了他对于自由、对于自我认同的追求。

相比《阿凡达》，那时的动作捕捉是在一个巨大型的室内环境中完成，而《猩球崛起》里，威塔的特效团队走到了室外，特别是影片高潮戏时金门大桥的动作戏，制作团队不但按照1:1的比例搭建了一个桥头场景，还沿着片场的边缘搭建了一排排的架子，安置上百台捕捉摄像机，加上改善后的主动式光学捕捉技术，也使得室外日光下的动作捕捉（因为光线的影响可能会让演员的一些动作表情难以捕捉、识别到）更加逼真，无疑是动作捕捉技术的又一次前进，让演员的表演进一步配合影片的需要。

光学动捕技术范文

[关键词]鱼类行为，研究动态，发展

中图分类号：S932.4文献标识码：A文章编号：1009-914X（2014）46-0125-01

鱼类行为学是一门古老而又年轻的科学，在动物行为进化上和渔业生产发展中均具有重要意义。近年来随着现代渔业技术的发展，人们对鱼类行为的关注程度越来越高，其中主要包括鱼类与环境因子的相互作用、鱼类对重金属或有机毒物的应激反应以及鱼类群体内部个体间的协调机制等。这直接促进了鱼类行为学研究的发展，使得更多的成果应用到生产实践中。鱼类行为就是指鱼类进行的各种运动，是鱼类对环境变化的外在反应，主要包括游泳、摄食、生殖、呼吸等行为；此外，避敌、攻击、求偶时改变体色等非运动形式也列入行为范畴。本文主要介绍鱼类行为学的研究动态和发展趋势，以期为国内学者开展鱼类行为学研究提供参考依据。

1.鱼类行为学研究的历史过程

动物行为学的研究由来已久，但直到20世纪动物行为学才得到了迅速的发展和延伸。当时的主要研究对象是鸟类和哺乳类，而对于鱼类的研究和报道都较少。自从1904年Lyon报道了鱼类的趋流行为以来，陆续有学者开展关于鱼类行为的研究，但并未引起人们的足够重视。真正鱼类行为研究直到上世纪中叶才逐步发展起来，主要是为了适应海洋捕捞的发展需要。在1963年召开的联合国粮农组织大会中，Blaxter介绍了鱼类在不同光照下对网具不同部分的反应，1970年在冰岛雷克亚米克召开的世界性渔具会议有专门讨论鱼类行为的论文，1977年国际水生生物管理中心在意大利召开会议，专题讨论了鱼类行为与捕捞业和养殖业的关系。进入上世纪90年代后，鱼类行为的研究引起国际海洋理事会的重视，1992年在挪威召开会议上强调了鱼类行为学在渔业资源评估和渔业资源管理方面的应用，2004年在波兰召开的渔具工作组会议上又讨论了渔具渔法、鱼类行为和鱼群的声波反射强度等。可见，有关鱼类行为学的研究领域已经从最初的海洋捕捞业，逐渐扩展到生物技术、信息技术和资源管理等。

2.鱼类行为学的研究领域

随着现代科学技术的不断发展和完善，人们对鱼类行为的观察和探索也不断取得进展。最初只是研究鱼类行为在捕捞产业中的应用，其后发展到研究鱼类个体对声响、光照等环境因子的反应，最后发展到研究鱼类群体行为及内部机理。鱼类行为学的研究方向主要分为个体行为学和群体行为学：

2.1鱼类个体行为学

个体行为学主要是指鱼类个体在外界物理或化学刺激下所产生的自发或条件反射行为。主要研究对象为鱼类个体或者鱼群中的独立个体，主要研究方向为鱼类的趋、鱼类的游泳行为和摄食行为等。

2.1.1鱼类的趋

鱼类趋通常与环境因子的改变有关，如鱼类的趋光性、趋流性和趋礁性等，这些行为通常理解为鱼类的本能行为，不同鱼类面对光照、温度、流速甚至颜色的改变均有不同的反应和适应过程。王武等研究了水温与光照对瓦氏黄颡鱼幼鱼行为的影响，发现水温与光照的变化会对瓦氏黄颡鱼行为产生显著影响，过低的水温会减少瓦氏黄颡鱼对外界影响因素的反应，而高强度光照会使瓦氏黄颡鱼的游动增加，寻求藏匿处。该研究结果表明瓦氏黄颡鱼适合在低光照强度下养殖，增加了瓦氏黄颡鱼幼鱼的成活几率，成功将鱼类行为学应用于养殖技术领域。罗清平等[3]对孔雀鱼幼苗在光场中的行为反应进行分析，得出孔雀鱼幼苗对短波长的蓝、绿光趋向性最强，相应的照度范围为1500～2000lx，而对长波长的红、黄光表现出避光性。该研究结果在孔雀鱼工厂化养殖中得到应用，主要利用其趋光性特点进行定时定量投饵，也可以利用其避光性的特点对其进行驱赶，以提高清洁、分箱或捕捞等操作的效率。张硕等分析了黑幼鱼的趋流性，测定了黑幼鱼的感应流速、喜好流速和极限流速，并定量分析了黑幼鱼体长与流速之间的关系，为今后学者开展遗传育种或增殖放流相关研究提供科学依据。

2.1.2游泳行为与摄食行为

鱼类在长期的进化演变中，体形和游泳能力反映出鱼类对环境的某种适应性，观察和研究鱼类的游泳行为是鱼类行为学的重要内容。Marie-Laure等[9]早在1999年便利用声学遥感装置对养殖虹鳟鱼的游泳行为进行研究，结果表明在不同养殖密度条件下，虹鳟鱼的行为差异显著，在高密度下具有较高的行动水平。Hanson等对黑鲈在自然环境中的游泳行为进行研究，并对于个体间的游泳相似性进行分析，得出了黑鲈在自然状态下的游泳行为习性。由于这次实验实在自然条件下进行的，所以非常具有实用价值。

2.2鱼类群体行为学

自然界中，许多动物以群居的形式存在。群体生活的好处在于有利于发现食物、抵御敌害和繁衍等。有统计表明，80%的鱼类均以聚集成群的形式进行栖息、索饵和洄游，这是鱼类经过长期自然选择的一种适应性，对鱼类生存起着十分有利的作用。鱼类群体行为学以整个鱼群为研究对象，主要研究方向为鱼群的形成机制和鱼群的行为模拟等。ANNE等[17]研究了鱼类早期的经验对鱼类集群的影响，认为鱼群能否成功聚集及逃避捕食危害，多数取决于早期的经验，这在鱼类行为学的研究中，具有突破性价值，该项研究也可以应用于人工培育鱼类的早期驯养。日本学者M.Zheng等从鱼群对逃避捕食造成影响的角度出发，利用模型研究了鱼群对捕食者的行为反应，得出了不同情况下鱼类的被捕食概率，鱼群通常是某些个体行为对整个鱼群发出讯息，并成功逃避捕食者的追捕。

3.鱼类行为学的发展趋势

鱼类行为学发展至今，研究领域已经从水产捕捞学逐渐拓展到生理学、生态学甚至计算机学。其未来发展趋仍会借助现代科技手段，对鱼类行为的原理、方式和结果进行更加精确的分析研究。随着基因遗传学的不断发展，更多的学者将该项技术应用于种群多样性、个体性状性和行为差异性的研究，鱼类行为学也可以借鉴该项技术，对个体和群体行为的内在因素进行探索与表达，如研究鱼类游泳姿态的差异性，雌、雄鱼求偶行为的基因表达等。

近年来，随着人工智能或仿真影像技术的发展，鱼类行为研究者们也开拓了研究的新思路和方法，人工智能在鱼类行为方面应用的典型是涂晓媛鱼，这是一种以计算机动画为条件，具备人工生命的鱼类。涂晓媛鱼具有自主性，可以根据外界环境变化作出不同反应。该种技术的应用具备广阔前景，许多不具备的实验条件在计算机上便可完成。仿真影像技术可以将鱼类的相对位置在计算机上精确显示出来，不仅可以应用于鱼群个体间的相对距离研究，而且可以应用于鱼群与渔船、礁体之间的相对位置研究。鱼类行为学会随着社会科技的不断进步更加繁荣地发展。

参考文献

[1]何大仁，俞文钊译.（普罗塔索夫B.P.著）.鱼类的行动.北京：科学出版社，1984.