Captation de mouvements

La capture de mouvements ou captation de mouvements sert à désigner de façon générique les techniques servant à capter les mouvements d'un élément réel pour les renvoyer dans un univers virtuel : les mouvements sont enregistrés ou restitués...



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La capture de mouvements ou captation de mouvements (motion capture ou mocap) sert à désigner de façon générique les techniques servant à capter les mouvements d'un élément réel pour les renvoyer dans un univers virtuel : les mouvements sont enregistrés ou restitués en temps réel vers d'autres dispositifs.

Cette technique, originellement développée dans un cadre médical (orthopédie, traumatologie, rééducation, et , d'une façon plus générale, biomécanique), est employée pour faire correspondre des mouvements du vivant à ceux d'un avatar ou d'une représentation conceptuelle, et est par conséquent utilisée pour les films en trois dimensions, les décors virtuels de quelques émissions de télé, certains jeux vidéo et pour l'élaboration d'études scientifiques, mais aussi dans le domaine sportif (haut niveau, cependant cette pratique reste rare et n'est qu'à un stade peu avancé) et artistique (là aussi cette pratique reste rare).

C'est aussi la captation des mouvements de l'une des mains, mais aussi de certains des doigts qui permet d'utiliser un ordinateur : le clavier et la souris sont les premiers périphériques de «mocap».

On peut distinguer ainsi trois grands dispositifs de captation des mouvements : les dispositifs optiques, mécaniques et magnétiques.

Le terme de «capture» vient d'une mauvaise traduction de l'anglais, car il s'agit de capter le mouvement, et non de le capturer et qu'on préfèrera ainsi parler de «captation» en français.

Basée sur des caméras et marqueurs passifs réfléchissants

La capture optique est basée sur la prise de vue synchronisée de plusieurs caméras, la synthèse des coordonnées (x, y) d'un même objet vu sous différents angles servant à déduire les coordonnées (x, y, z) de cet objet. Cette méthode implique la prise en compte de problèmes optiques complexes comme la parallaxe, la distorsion des lentilles utilisées, etc. Le signal capté subit par conséquent de nombreuses interpolations. Par contre, une calibration correcte de tous ces paramètres permet une grande précision des données récoltées.

Le principe de fonctionnement est analogue à celui des radars : les caméras émettent un rayonnement (en général rouge et/ou infrarouge), réfléchi par les marqueurs (dont la surface se compose d'une matière ultra réfléchissante) puis renvoyé à ces mêmes caméras. Celles-ci ne sont sensibles qu'à un type de longueur d'onde et visualisent les marqueurs sous forme des taches vidéos blanches (ou en niveau de gris pour les caméras les plus récentes). Le recoupement des informations de chaque caméra (2 caméras minimum par conséquent) sert à déterminer la position du marqueur dans l'espace virtuel.

Icône de détail Article détaillé : Match moving.

Basée sur des cellules photosensibles et marqueurs actifs

Avec ce type de technologie, la capture optique est basée sur la prise de vue synchronisée de 3 cellules photosensibles sur une même unité de mesure. La synthèse des coordonnées (x, y, z) se fait par conséquent immédiatement en temps réel par une seule et même unité dont chaque cellule voit l'objet sous différents angles permettant d'en déduire ses coordonnées (x, y, z). Cette méthode quoique moins sensible, prend en compte les problèmes optiques complexes comme la parallaxe, mais n'utilise pas de lentilles contrairement aux cameras. Le signal émis par des marqueurs actifs (micro-LED) est filtré à travers une paroi traitée à cet effet et plate (pas de problème de distorsion d'image) et capté directement par les cellules photosensibles en même temps. Aucune calibration n'est indispensable, puisque les 3 cellules du dispositif sont fixées d'origine dans une structure rigide puis pré-calibré avec une batterie de tests dynamiques d'une redoutable précision après assemblage. Cette technique et les précautions qui entourent la mise en service des ces unités de mesure permettent le calcul des coordonnées 3D de chaque émetteur actif ou marqueur actif dans le volume de capture avec une très grande précision.

Le principe de fonctionnement est par conséquent celui "d'émetteur-récepteur" : Les marqueurs actifs émettent directement un signal infrarouge captés par les cellules photosensibles. Celles-ci ne sont sensibles qu'à un type de longueur d'onde et identifient les marqueurs actifs en temps-réel grâce à une séquence d'émission multicomplexe. Ces marqueurs sont par conséquent identifiés automatiquement et immédiatement en temps réel comme étant des points dynamiques avec des coordonnées 3D dans l'espace virtuel.

Capture mécanique

La capture mécanique fonctionne grâce à un exosquelette construit autour de l'élément à capter, et dont chaque articulation est couplée à un codeur angulaire. La valeur de rotation du codeur est enregistré par un calculateur. En connaissant la position relative de chaque codeur, un logiciel est capable de reconstituer le mouvement complexe d'un squelette constitué généralement de plusieurs articulations. On applique aussi un décalage pour chaque codeur, car il n'est fréquemment pas envisageable de faire coïncider précisément la position du codeur avec celle l'articulation réelle (en particulier dans le cadre d'une capture d'un mouvement d'humain).

Si cette technique offre une grande précision et une grande rapidité, elle est cependant limitée par les contraintes mécaniques inhérentes à la mise en place des codeurs et de l'exosquelette. En effet, la liberté de mouvement n'est pas aussi importante qu'avec des dispositifs de capture optique à boules réfléchissantes. De plus, ces exosquelettes utilisent fréquemment des connexions filaires qui relient les codeurs au calculateur. La précision de la reproduction d'un mouvement est qui plus est conditionnée par celle de la modélistation du squelette, qui résulte directement de la mesure des positions relatives entre chaque codeur. Il faut d'autre part adapter la taille de l'exosquelette à chaque morphologie. Enfin un exosquelette pèse généralement plus lourd que des boules réfléchissantes. La capture mécanique ne sert à reproduire que des mouvements relatifs entre codeurs, mais ne permet pas de positionner le squelette dans un univers de manière absolue. Il faut utiliser des méthodes de triangulation optique pour placer exactement l'animation dans un univers. Il faut tout autant d'exosquelette de captation que d'objet (personnages) à animer, et il est peu aisé de mesurer les interactions entre plusieurs exosquelettes, ou si on veut par exemple faire interagir le personnage avec des objets, ou d'autre personnage.

Les avantages de la capture mécanique sont la précision de la mesure (un codeur optique peut comporter plusieurs centaines de milliers de traits par tour), la rapidité du fait de la connexion filaire, et l'insensibilité aux facteurs extérieurs. Elle est cependant peu adaptée pour la capture de mouvements humains. Par contre elle convient bien à des dispositifs robotiques où les éléments mobiles sont rigides, comme des bras ou têtes robotisées à plusieurs axes, ou à des dispositifs immobiles dans l'espace (à cause de la contrainte de la connexion filaire)

Capture par centrales inertielles

La capture par centrales inertielles permet l'acquisition de l'attitude du corps humain en temps réel en supprimant les contraintes imposées par les technologies utilisant des caméras. Le dispositif portatif peut être basé sur un ensemble de centrales inertielles MTx de la marque XSENS et du dispositif Xbus, ou bien être constitué d'un réseaux de capteur MotionPod de la marque MOVEA, par exemple.

Capture magnétique

La capture magnétique repose sur la création d'un champ électro-magnétique en un point réel, qui aura pour coordonnées (0, 0, 0) en x, y et z dans sa représentation virtuelle, et qu'on appelle «antenne», mais aussi sur l'introduction de «capteurs» dans ce champ électro-magnétique. Ces capteurs sont en fait des bobines de fils électriques perturbant le champ magnétique, et dont le calcul des différences de potentiel avec l'antenne traduit à la fois leurs positions et leurs orientations.

Le principal avantage de cette méthode est que les signaux captés sont particulièrement peu interprétés, aucune interpolation n'est effectuée hors du calcul même de la position et de l'orientation des capteurs. Cependant, tout objet métallique constituant une boucle (loop) inclus dans le champ, et d'une façon plus générale toute distorsion électro-magnétique, conduira à un «tremblement» des données captées, les rendant ainsi quasiment inutilisables. Par contre, ces tremblements peuvent être éliminés assez aisément par l'utilisation de logiciels tels que "MotionBuilder".

Dans l'ensemble des cas

Dans l'ensemble des cas, on pose des marqueurs sur l'acteur à des lieux du corps caractéristiques, par exemple aux articulations, et ce sont les mouvements de ces marqueurs qui sont captés.

Il faut ensuite faire correspondre les deux univers, réel et virtuel, pour renvoyer ces données dans un squelette cohérent, le réalisme du mouvement étant aussi dépendant de la véracité de l'information captée que de la qualité du squelette sur lequel on l'applique.


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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 14/04/2009.
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