光学动态捕捉技术范文
时间：2023-11-28 17:58:08
光学动态捕捉技术篇1
关键词 动作捕捉 影视动画 三维服装
1引言
好莱坞科幻3D影片《阿凡达》在全球掀起了新一轮视觉狂潮，不但创下电影史上最高票房的纪录，同时也获得美国第82届奥斯卡金像最佳影片的提名。除了电影动画，动作捕捉在三维服装仿真中也常常用到， 通常需要以不同体态特征的人体来展示穿着效果， 例如服装的立体感以及合体性等。传统二维或三维动画制作过程中，角色动作或表情一般都是通过手工绘制或通过动画师调节软件中角色模型的“骨骼”或控制器生成。由于角色或人的动作与表情极其复杂，且动画师不是专业表演者，手工方式的动作绘制或调节使得影视动画中的角色不够生动逼真，而且制作时间长、效率低、实时性不够。动作捕捉技术应用在影视动画制作的主要目的是解决影视动画制作中表演艺术与动漫卡通风格特征完美结合，扩展导演讲述故事的自由度，提高工业生产效率。
2 动作捕捉
英文Motion capture，简称Mocap。技术涉及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面可以由计算机直接理解处理的数据。在运动物体的关键部位设置跟踪器，由Motion capture系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后得到三维空间坐标的数据。当数据被计算机识别后，可以应用在动画制作，步态分析，生物力学，人机工程等领域。 常用的运动捕捉技术从原理上说可分为机械式、声学式、电磁式、主动光学式和被动光学式。不同原理的设备各有其优缺点，一般可从以下几个方面进行评价：定位精度；实时性；使用方便程度；可捕捉运动范围大小；抗干扰性；多目标捕捉能力；以及与相应领域专业分析软件连接程度。
2.1机械式运动捕捉
机械式运动捕捉依靠机械装置来跟踪和测量运动轨迹。典型的系统由多个关节和刚性连杆组成，在可转动的关节中装有角度传感器，可以测得关节转动角度的变化情况。装置运动时，根据角度传感器所测得的角度变化和连杆的长度，可以得出杆件末端点在空间中的位置和运动轨迹。实际上，装置上任何一点的运动轨迹都可以求出，刚性连杆也可以换成长度可变的伸缩杆，用位移传感器测量其长度的变化。这种方法的优点是成本低，精度也较高，可以做到实时测量，还可容许多个角色同时表演。但其缺点也非常明显，主要是使用起来非常不方便，机械结构对表演者的动作阻碍和限制很大。
2.2声学式运动捕捉
常用的声学式运动捕捉装置由发送器、接收器和处理单元组成。发送器是一个固定的超声波发生器，接收器一般由呈三角形排列的三个超声探头组成。通过测量声波从发送器到接收器的时间或者相位差，系统可以计算并确定接收器的位置和方向。 这类装置成本较低，但对运动的捕捉有较大延迟和滞后，实时性较差，精度一般不很高，声源和接收器间不能有大的遮挡物体，受噪声和多次反射等干扰较大。由于空气中声波的速度与气压、湿度、温度有关，所以还必须在算法中做出相应的补偿。
2.3电磁式运动捕捉
电磁式运动捕捉系统是目前比较常用的运动捕捉设备。一般由发射源、接收传感器和数据处理单元组成。发射源在空间产生按一定时空规律分布的电磁场；接收传感器（通常有 10 ～ 20 个）安置在表演者身体的关键位置，随着表演者的动作在电磁场中运动 ， 通过电缆或无线方式与数据处理单元相连， 表演者在电磁场内表演时，接收传感器将接收到的信号通过电缆传送给处理单元，根据这些信号可以解算出每个传感器的空间位置和方向。电磁式运动捕捉的优点首先在于它记录的是六维信息，装置的定标比较简单，技术较成熟，成本相对低廉。 它的缺点在于对环境要求严格，对于比较剧烈的运动和表演则不适用。
2.4光学式运动捕捉
光学式运动捕捉通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。目前常见的光学式运动捕捉大多基于计算机视觉原理。从理论上说，对于空间中的一个点，只要它能同时为两部相机所见，则根据同一时刻两部相机所拍摄的图像和相机参数，可以确定这一时刻该点在空间中的位置。当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。 光学式运动捕捉的优点是表演者活动范围大，无电缆、机械装置的限制，表演者可以自由地表演，使用很方便。其采样速率较高，可以满足多数高速运动测量的需要。 Marker 的价格便宜，便于扩充。 这种方法的缺点是系统价格昂贵，虽然它可以捕捉实时运动，但后处理（包括 Marker 的识别、跟踪、空间坐标的计算）的工作量较大，对于表演场地的光照、反射情况有一定的要求，装置定标也较为烦琐。特别是当运动复杂时，不同部位的 Marker 有可能发生混淆、遮挡，产生错误结果，这时需要人工干预后处理过程。从技术的角度来说，运动捕捉的实质就是要测量、跟踪、记录物体在三维空间中的运动轨迹。
3 运动捕捉部分组成
3.1传感器
所谓传感器是固定在运动物体特定部位的跟踪装置，它将向 Motion capture 系统提供运动物体运动的位置信息，一般会随着捕捉的细致程度确定跟踪器的数目。
3.2信号捕捉设备。
这种设备会因 Motion capture 系统的类型不同而有所区别，它们负责位置信号的捕捉。对于机械系统来说是一块捕捉电信号的线路板，对于光学 Motion capture 系统则是高分辨率红外摄像机。
3.3数据传输设备。
Motion capture 系统，特别是需要实时效果的 Motion capture 系统需要将大量的运动数据从信号捕捉设备快速准确地传输到计算机系统进行处理，而数据传输设备就是用来完成此项工作的。
3.4数据处理设备
光学动态捕捉技术篇2
关键词：Mc9s12xs128；单片机；触发；轮对；检测
1 引言
在整个铁路车辆运行系统中，车辆轮对作为与钢轨直接接触的部件，是直接影响车辆是否能够安全行驶的重要因素[1， 2]。车辆轮对参数的测量方法主要包括两大类，即静态检测法和动态检测法[3]。
静态检测法是针对车辆在静止状态时进行检测，存在受操作者主观影响，自动化程度较低等问题[4]。动态检测方法采用机器视觉和图像处理技术，具有非接触和检测速度快等优点，能够减少检测过程中的人为误差，并提升检测效率[5， 6]。采用动态检测方法实现轮对在线检测首先要对被测物进行准确定位并采集图像。对于这种高精度触发装置，未见相关文献描述，本文基思卡尔MC9S12XS128单片机设计了一种适用于车辆轮对在线检测环境的实时图像采集触发装置。该装置实现了车辆轮对磨耗在线检测中，对多个不同工位车辆轮对的准确定位和对应相机的触发控制。
2 触发装置总体设计
触发装置主要用于实现轮对动态检测中控制图像采集设备在被测轮对到达设计位置的时刻，进行准确有效拍摄的关键功能。要准确描述轮对状态需对同一轮对的多个位置进行检测。为此设计的触发装置，分别在轨道左右侧各设置两组检测单元，对轮对图像进行多次采集。
以图1所示左一组检测单元为例，一组三个接近传感器安装在铁轨上，用于检测车辆的速度信息，结合最后一处传感器与CCD相机之间的距离由核心控制处理单元对相机拍摄时间进行计算。
图1 检测单元示意图
在经过一定的延时后，车辆轮对到达图1所示设定位置。在该位置，线激光源在轮对表面形成一条亮光带即光截曲线，触发装置产生外部触发信号控制CCD相机采集该光截曲线图像。所获图像中光截曲线的形状及位置包含了被测轮对的相关参数信息，在计算机上完成后续运算，通过与标准轮对的参数进行比对就能获得详细的磨耗信息。
触发装置需要实现控制四路通道的功能，如图2触发装置示意图所示，本装置设计了以MC9S12XS128单片机组为核心的控制电路，配合控制程序实现信号采集、处理与控制功能。综合考虑传感器数量较多和整体电路设计的简化，采用了以两块单片机为核心的控制处理单元设计方案，两块单片机分别负责一侧各两路通道的信号检测、处理与触发信号的输出控制。
3 电源控制
由于激光光源、激光位移传感器等设备使用寿命有限，而且长时间保持上电状态造成电力资源的浪费，因此触发装置通过左前和右后各一组两个接近传感器来判断对车辆是否处于检测段中，MCU通过改变引脚的高低位控制固态继电器来实现对电源开闭的控制。如图3进出线判断与控制软件流程图所示，当车辆第一只轮对进入检测段，依次触发进线组接近传感器，程序根据传感器检出时间初步判断轮对速度是否符合设计检测范围0-15km/h，速度合格则令固态继电器控制位为高，接通电源。当车辆最后一只轮对离开检测段，获得出线组接近传感器检出时间，当该值与系统当前时间之差超过限定时间，则认为车辆已全部离开检测段，关闭电源。
4 传感器输入信号捕捉
轮对在线检测中使用接近传感器来实现对轮对的探测，接近传感器在检出后产生一个具有一定脉宽的脉冲信号，因此需要控制处理单元实现对该信号的捕捉。输入捕捉功能是MC9S12XS128 MCU 的基本功能之一，用于监测外部事件的输入信号。当外部信号发生变化时，在输入捕捉引脚上发生一个指定的上升沿或下降沿沿跳变。若在该引脚的输入捕捉控制寄存器中设定允许输入捕捉中断，则该外部信号会导致单片机产生输入捕捉中断。在本系统中利用中断响应方法可以得到传感器信号发生变化的时刻。如图4所示，通过记录输入信号相邻的两个不同极性的沿跳变时间，可以计算出该脉冲信号中间时刻作为传感器检出时间。
MC9S12XS128 MCU的PT0～PT7是输入捕捉的外部针脚。当寄存器控制位IOSx=0时，则将与x值相应的通道设置成为输入捕捉通道。当该引脚检测到有上升沿或下降沿时，如果输入捕捉控制寄存器TIE中允许输入捕捉中断，则捕捉到传感器信号时，系统会进入对应中断服务程序。
5 相机触发信号控制
在获得同组三个传感器的检出时间后，结合事先标定测量的传感器实际安装间距，可以计算得到轮对在1号传感器和2号传感器之间的运行速度v1，2号传感器和3号传感器之间的运行速度v2，以及加速度a，则被测轮对到达相机拍摄位置的时间即相机触发信号的输出时间为
（1）
其中v3为被测轮对在3号传感器检出时的瞬时速度，s为3号传感器与设定拍摄位置间距。
6 系统实现与实验
由于触发装置需要处理多达16路接近传感器的检测信号，并控制4路相机、4路激光光源和2路激光位移传感器的电源供应和信号控制，因此设计了核心电路板来实现对多路信号的集中处理。单片机最小系统板设计为直插式，可随时插拔进行更换和维护，采用接插件对输入信号和控制信号进行转接，方便可靠，可维护性强。图5为触发装置核心电路板实物。
由于四个检测单元软硬件设计基本相同，为了验证触发装置工作的正常与否，对其中一个检测单元进行了验证测试。实验装置如图6所示，被测物以一定速度通过左侧一号检测单元。通过对运动状态下的被测物进行图像采集来测试触发装置对运动被测物的定位精度与图像采集效果。
在本次重复性实验中，通过对所有被测物在图像中的中心点坐标进行统计，被测物图像中心点最大像素偏移值为1像素长度，实际最大偏移距离小于0.1mm。
7 结束语
本文针对车辆轮对动态检测的实际需要，设计了一种四通道图像采集触发控制装置。装置功能能够满足轮对在线检测需要，对运动轮对的检测定位达到较高精度。整个触发装置能够稳定、可靠连续工作，实现对轮对的自动检测，所获图像清晰，位置准确，运动模糊小，可为图像处理步骤中进行后续参数计算提供良好的原始图像。
参考文献
[1]吴开华，张建华，严匡等.轮对综合参数光电自动检测系统[J].仪器仪表学报，2006，（03）：298-301.
[2]高向东，谢子方，赵传敏等.基于结构光视觉传感的轮对踏面擦伤快速检测[J].铁道学报，2008，（02）：23-27.
[3]李剑.轮对动态检测系统应用[J].铁道车辆，2012，（04）：39-42.
[4]贺永胜.有关铁路车辆轮对检测技术综述[J].科技传播，2013，（17）：67-68.
[5]冯其波，陈士谦，崔建英等.轮对几何参数动态测量系统[J].中国铁道科学，2008，（05）：138-144.
[6]高静涛，戴立新，王泽勇.轮对状态动态检测系统应用综述[J].铁道技术监督，2009，（07）：10-12.
光学动态捕捉技术篇3
关键词：三维特效技术；场景设计；角色设计
随着的科技不断进步与发展，计算机图像技术的成熟，计算机三维特效技术在影视行业中应用逐渐广泛。以计算机软件为手段的三维特效技术丰富了电影艺术家造梦的手段，为他们提供了更加广阔的创作空间，使他们更加热情的去探索新的电影语言。三维特效技术将电影艺术从必然王国通向了自由王国，为艺术家的思维想象力变为现实提供了有效的途径。三维特效技术成了影视制作中不可或缺的部分。
三维特效技术在电影制作中发挥着淋漓尽的作用，可以改变原来电影原来拍摄的画面结构，解决现实中用摄像机种无法拍摄的画面和导演头脑中异想天开的画面和镜头，实现了那些具有挑战性的奇异的视觉冲击效果。
一、三维特效技术对电影场景设计中的应用
当今电影作品对场景画面设计的要求越来越高，利用传统单一的拍摄手段根本不能够满足实现电影艺术家内心的诉求。电影中的一些场景是不能够从现实的生活中拍摄出来，必须通过三维特效技术表现出来。运用三维特效进行场景模型的制作，对模型进行材质表现，加上一些传统素材的合成，通过后期合成对环境颜色、光影效果进行调节，制作出高度模拟现实生活的虚拟场景。导演罗兰-艾默瑞奇（Roland Emmerich）的《2012》作为当今最成功的灾难片之一，其中的电影场景大量运用三维特效技术进行之制作。《2012》中的视觉三维特效镜头多达1300多个，其中包括火山爆发、海啸、水灾，以及将整个加利福尼亚州“撕碎”的地震……这些场景如果想要通过传统的拍摄手段来进行收集是根本无法实现的。好的剧本所呈现的故事触动我们的心灵，带动我们的感官感受，而创造这一切创造者更是将想象力自由发挥让影片告诉观众他们脑海中构思的景象。现代的三维特效技术为这些创造者们提供了更好的发挥空间，将想象力更为自由加广阔的传达出来。如今电影艺术家直接将自己的想法告诉设计师，设计师通过三维特效技术将电影场景制作出来，这些场景可以超越现实中场景，使电影场景更加的复合电影艺术家的想法。三维特效技术惟妙惟肖的创造出“真实”的世界。
二、三维特效技术在电影角色设计中的应用
1.传统三维特效技术角色设计
随着计算机图像技术的发展，在1989年由20世纪福克斯推出由詹姆斯・卡梅隆导演的《深渊》的出现标志着三维特效数字电影时代的开始。电影中使用大量的三维特技制作出的影像（CG）设计了真实的液态外星生物。电影中的液态外星生物是我们现实生活中不存在一种生物形象，它只是电影艺术家头脑里想象出的虚拟角色。从此以后，设计师根据艺术家的想象运用三维特效技术，通过三维软件进行模型建立，添加材质贴图加上关键帧动画的制作，将这些现实中不可能存在的角色，以具象的形式创作出来。早年周星驰导演的号称中国首部特效电影《海角七号》中“长江七号”一卡通狗角色，近期徐成义导演中国特效大片《捉妖记》中的“小妖”角色等，这些角色都是通过角色模型的建立，材质贴图的绘制加上关键帧动画，渲染输出后通过后期合成，加以影视后期技术的调整。传统三维特效技术的出现，将电影中“不可能”变为可能，给电影艺术家更为广阔的创作空间。
2.新兴三维特效技术角色设计―面部识别
十年前对人类角色建立只有一个目标，那就是制作出一张真实的CGI人脸，但对于用传统三维特效设计的角色，在较早的特效电影里，人类角色的外形被造得再逼真，一旦她/他开口讲话，一颦一笑，便会马上露出马脚。三维特效电影《最终幻想》就是如此，尽管其中女主角的几百万根头发都被一一做出来，人物造型以假乱真，但她僵硬的表情仍然让观众一眼看穿。随着计算机技术的迅速发展，为了能够更加真的反应角色的面部特征，特效师们不得不去探索新技术。面目捕捉技术做为一种新兴的三维特效技术，能够成功的让虚拟角色的表情达到真人水准。
效师们利用一种类似头盔的道具让演员带在头上，在这里这个头盔所起到作用并不是像往常一样是对于人的头部起到保护的作用，而是能通过一种新研的“动作捕捉器”这个先进的特效技术捕捉到演员的各种表情。具体的操作原理是通过扫描演员脸部的绿色小点，摄像机通过计算机数字程序追踪这些点的运动轨迹。为计算机中的虚拟人提供丰富变的灵活表情，而这些表情是真人演员直接传送给计算机赋予给虚拟角色上。詹姆斯・卡梅隆的《阿凡达》可以说是一部具有里程碑意义的三维特效电影，电影中的“蓝色纳威人”这些角色的面部表情就运用面部捕捉三维特效技术进行制作。电影中的角色面部表情丰富细致，各种复杂的表情看起来也表现的淋漓尽致，没有给人丝毫不真实的感觉。
3.新兴三维特效技术角色设计―动作捕捉
随着三维特效技术不断的发展与进步，为了摆脱传统角色建模面数过多，制作关键帧动画需要大量时间和精力，以及渲染时间过长的问题。特效师们不的不去探索一些新的技术来解决传统角色制作效率低下的问题，“动作捕捉”三维特效技术的出现大大提高了特效师的工作效率。运动捕捉英文Motion capture，简称Mocap。技术涉及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面可以由计算机直接理解处理的数据。在运动物体的关键部位设置跟踪器，由Motion capture系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后得到三维空间坐标的数据。当数据被计算机识别后，可以应用在动画制作上。这样可以直接同过模拟真人演员的动作轨迹，将其运动轨迹通过计算机直接赋予创建的角色模型上，让模型角色跟真人演员的动作一致，更加的真实与自然，不会像计算机制作出的关键帧动画那么生硬。演员们穿着镶嵌着反光和条纹作为标记的“动作捕捉”服装。摄像机捕捉表演的基本动作，随后再用电脑将这些动作映射给数字创造的角色。首次使用动作捕捉的是《指环王》中“咕噜“角色，直到2012年由詹姆斯・卡梅隆导演的电影《阿凡达》全程运用动作捕捉技术完成，实现动作捕捉技术在电影中的完美结合，具有里程碑式的意义。其他运用动作捕捉技术拍摄的著名电影角色还有《猩球崛起》中的猩猩之王凯撒以及《忍者神龟》中的忍者龟等。
电影是一门艺术，电影艺术家们希望通过视听语言向观众讲述一个故事，让观众去体会其中的情感。随着计算图像技术的进步，带动了三维特效技术的发展，这使得电影艺术家可以将以往不敢想象的电影题材搬到荧幕上来，这大大的丰富了电影的风格与样式。（作者单位：南京艺术学院）
参考文献：
[1] 李四达，《数字媒体艺术概论》[M].清华大学出版社，2006.01.11
[2] 孙立，动画视听语言[M].京华出版社，2001
[3] 《Motion capture-Non-optical systems-Inertial systems》维基百科.2014.3.14
光学动态捕捉技术篇4
关键词：kinect；人机交互；三维动画；人脸捕捉
一、现状
随着信息时代的到来，科技日新月异的发展，在各个领域，科技都占据着是非重要的位置，在游戏开发中，游戏角色的动画制作一般通过动画制作软件如3D MAX将人物的骨骼与游戏人物模型绑定后，再逐步进行动画的调节，对制作人员技术水平要求相对较高，费事费力。随着动作捕捉技术的成熟，应用于电影特技的动作捕捉技术也被应用到游戏开发当中，通过这种技术，能极大的提高游戏人物动画制作效率，然而建立这种动作捕捉环境动辄需要上百万的投入，小型的游戏开发团队一般难以承受，而对kinect的研究结合iclone5的动作捕捉插件，为游戏人物制作动画，并将动画输入到游戏引擎中进行测试，实践表明，利用该方法，能较好的进行游戏人物动画制作，经济实用，能大大的改善现有的动漫现状。
二、什么是kinect
Kinect是微软在2010年6月14日对XBOX360体感周边外设正式的名字，natal为开发代号。伴随kinect名称的正式，kinect还推出了多款配套游戏，包括lucasarts《星球大战》等。Kinect系统可实现及时动态捕捉，影像辨别，麦克风输入，语音辨识，社群互动等功能，使玩家摆脱传统游戏手柄的束缚，使用自己的肢体来控制游戏。Kinect通过彩色摄像头和3D深度感应器获取色彩信息和空间信息，借助麦克风点阵采集声音数据，提供了更为强大的人机交互方式。之所以具有强大的功能，在于其核心部件primesensor的ps1080系统级芯片，而primesenser设备采用了light coding技术。微软公司的宗旨是我们摆脱固有的工具，让自己能成为技术的主人，可以摆脱遥控器，和键盘。而只需要自己的身体来控制我们想控制的影像。Kinect能帮助我们实现这一梦想，而在最前沿的科技是我们已经实实在在的在这个道路上更进一步。
三、三维动画中kinect的应用
动作捕捉前的准备工作。首先必须在在相关的软件中建模和绑定人物角色，我们选择在玛雅里面进行，然后设定我们想要的角色模型再打开驱动软件和kinect，此时出现骨骼适配界面，其中绿色人形为系统设定的体形样式，蓝色人形为kinect拍摄到对象的姿势，主要目的是要求被拍摄者姿势和系统设定姿势的一致，当绿色人形与体形适配后就会构建出kinect识别所形成的图像，此时被拍摄者所做的任何动作都会被kinect进行识别。这样我们就不需要耗费大量的人力和物理来进行动画的模拟，虽然说不能完全的代替动画进行动画制作，可是kinect捕捉动态能大大的减轻动画工作者的压力，同时给动画制作提供宝贵的素材，在三维动画中有着非凡的意义，这一项科技在慢慢成熟中，而将在三维动画中掀起一个大的变革，我们翘首期待并为之一起努力。
四、kinect的发展前景
Kinect在教育，医疗，计算机，电子商务等方面都具有潜在的突出表现，而对此的开发将成为一个大潮流，在潮流中三维动画则是其中的一个分支，目前，人机交互方式主要是通过键盘，鼠标和触摸屏来实现，但还不是最自然的人机交互方式，在未来会逐步被更为人性化的触觉型和语音控制等人机交互方式所代替。而kinect的出现，在一定程度上让这种新的交互方式向前推进一大步，美国麻省理工学院的研究人员开发了depthjs系统，只需要手势就可以对网页进行浏览，点击，缩放，下拉，关闭等操作，实现了体感浏览器的功能，在华南理工大学的金连文教授开发的“空中手写――基于kinect的虚拟手写识别”项目中，使用者只需要手指在空中自由地移动，系统就可以对手写的英文，汉字等字符进行识别，实现了向电脑设备手势输入知识的功能。随着kinect与计算机技术结合的日益成熟，将会改变原有的人机交互方式，触摸屏，鼠标，键盘等外部输入设备会逐步淘汰，进入到新的人机交互时代。
五、国内外发展
国内
在人体动作捕捉方面，段世梅，孙倩，通过在人身上安装惯性传感器，将运动信息经嵌入式系统处理，在计算机端驱动动画人物模型，实现了一套人体动作捕捉系统，在该实验中惯性传感器捆绑在人体上，实时采集人体的运动数据，经嵌入式操作平台打包发送给人体运动pc机，pc机对数据进行剔除野点等处理，用处理过的数据驱动三维人体模型，对日常生活中人的站立行走等基本进行了实验，在实际应用方面，山东大学有人针对提高家庭服务机器人智能的目标，提出了一种面向家庭服务的人体动作识别算法，然后，利用yvbcr图像与灰度图像二值化的综合消除阴影，从而实现人体分割与定位，最后结合环境信息进行了对人体动作的识别，基于满足机器人家庭服务的需求。
国外
动作捕捉技术方面，目前主流的动作捕捉技术可分为光学式，机械式，以及视频捕捉式等，例如09年的好莱坞大片《阿凡达》就是让演员身着色素点矩阵服装来演示着各种动作，通过不同角度摄像机协同拍摄，最后在计算机中完成了三维合成，整个影片在技术方面花费了高昂的成本。可以说，传感器方面的革新使人体骨架建模有了更优的解决方案，为基于人体骨架识别和运动跟踪方面的应用开发了广阔的前景。在三维方面我们也可以尝试真人拍摄的方法来进行拍摄三维动画。对角色人物进行动作捕捉来开拓动画的制作渠道，丰富动画产业链，与先进的技术接轨。
六、总结
目前，kinect应用技术的开发还只是初见端倪，但已经表现出强大的生命力和多样性发展趋势，随着kinect技术的进一步成熟和充分挖掘。相信下一代kinect将会配备更强大的处理芯片，具有更高的分辨率和传输速率，能够实现捕捉人体细节，为人机交互带来质的突破，必将在更多的领域得到广泛地应用。
（作者单位：四川美术学院）
参考文献：
[1]狄海进，基于三维视觉的手势跟踪及人机交互中的应用{D}.南京大学，2011
[2]王明东，基于kinect骨骼跟踪功能实现pc手势控制{11}漳州职业技术
光学动态捕捉技术篇5
摘要：AutoCAD 绘制平面图的功能强大，工程绘图要求的就是出图效率。在绘图之前我们需要做一些设置，再应用左手键盘、右手鼠标的绘图方法可大大提高绘图速度。在 AutoCAD 使用过程中有很多技巧，通过不断总结技巧，可逐步提高绘图速度。
关键词：AutoCAD技术 绘图技巧 绘图效率
随着计算机技术的日益普及, 美国Autodesk公司开发的绘图软件AutoCAD使人们逐渐摆脱了繁重的手工绘图，使绘图自动化成为可能。掌握AutoCAD这一绘图软件,灵活运用这一软件快速,准确,美观的绘图已是大趋所向。如何提高学生的绘图效率,使学生快速,准确,美观的绘制图形,成为我们必须思考的问题,并且要采取有效的措施。因此，培养良好的作图习惯，不断总结绘图经验和技巧，是提高绘图效率的手段之一。笔者根据多年的教学实践和操作经验，把 AutoCAD 的绘图经验和技巧总结如下。
一、遵循原则：
室内设计要遵循一定的原则,绘图同样要遵循作图的原则,有些学生在绘图时忽略原则,急于上手画,导致后面出现问题不好解决,甚至返工,为了提高绘图速度,最好遵循以下绘图原则:
1.按照科学步骤作图原则。绘图前应有一个全盘的考虑和安排,要按照科学的步骤进行,其最基本的步骤是: A、绘图环境的设置B、建立所需图层C、设置对象样式D、开始绘图（注意：绘图时一般都推荐使用1∶1的比例,最后为改变图样大小,可在打印时在图纸空间内设置不同的打印比例。
2.充分利用图层原则。在AutoCAD中给我们设置了图层,我们要充分利用图层,把各种线形、标注文本甚至装配图中不同的零件、不同的视图等图形元素尽可能放在不同的图层内,由图层控制这些元素,以便它们互相独立,这样哪个图形元素出现问题就可在该层内编辑修改,而不影响其它。
3.注重设置自己模板的原则。在绘图中要注重使用和设置自己的绘图模板,如图层、标注样式、文字样式、栅格捕捉等内容设置在图形模板文件中(即另存为*.DWT文件),以后绘制新图时,可在创建新图形向导中单击“使用模板”,利用模板方便快速绘图。
二、巧用命令：
许多命令都有相同或近似的功能,如果能根据绘图要求,选用最合适的命令,可明显减少操作步骤,提高绘图效率。并且AutoCAD使用命令很多,而且使用频率较高,使用快捷键可以明显节省访问命令的时间,提高绘图速度。
三、掌握技巧
1.充分利用块。定义图块,重复使用“块”是若干实体的集合,在使用上块就是一个图形,只是赋予了一个名称。图块是AutoCAD加快图形处理的一项重要功能。利用块的性质,可以将当前图形中的一组对象,或者以前某个独立的图形定义为一个块,也可以将常用的图作成块,存放在样板里。这样绘制图形时需要用到就可以直接调用,不需重新绘制,花费大量时间和精力。例如,可以将机械图中常用的固定不变的成分:标题拦,粗糙度符号等一次性绘出,并定义属性后分别制作成块保存,使用时直接插入,并赋以属性值即可,不用再重复绘制,利用图块技术可以大大提高绘图的速度,节省图形文件占用的磁盘空间,提高绘图效率。
2.重复命令的使用方法。AutoCAD绘图时命令重复使用的频率较高,快速执行重复命令可以大大减少重复的操作,进而提高绘图效率。
（1）重复执行上一次的命令。按回车或空格可以快速重复执行上一次的命令,或者在绘图区单击鼠标右键,在弹出的快捷菜单中选择最上面的一行,那就是要重复执行的刚刚执行过的命令。
（2）重复执行最近六次使用的命令在命令行单击鼠标右键,在弹出的快捷菜单中选择“近期使用的命令”,则弹出的下一级菜单就是最近六次使用过的命令,只要根据需要选取就可以了。
（3）重复执行任何使用过的命令鼠标在命令行的空白处单击,按的向上键“”或向下键“”可以找到任何使用过的命令,然后按回车就可重复执行该命令。
3.有效利用作图辅助工具。为了提高应用AutoCAD的绘图速度,AutoCAD提供了一些作图辅助工具,在绘制图形时应充分利用这些功能。
（1）捕捉命令：Snap有ON和OFF两种状态,用于设置格栅,及锁定光标移动的距离,该命令设置了一个捕捉的隐形栅格,捕捉方式为ON时,能快速准确地将屏幕上的十字光标和输入点锁定在最近的栅格上,即光标被锁定在坐标为栅格整数的点上。Snap的热键为F9。
（2）栅格命令：Grid有ON和OFF两种状态,当Grid设置为ON时,在定义的区域显示栅格,间距可通过Grid命令选项设置,默认值与栅格间距一致,与Snap配合,能够迅速直观地捕捉到栅格上的点。Grid的热键为F7。
（3）正交命令：Ortho有ON和OFF两种状态。当设置ON时,可以绘制垂直、水平、正交线,可以使用户方便、准确地画出与当前X轴或Y轴平行的线段,Ortho的热键为F8。
（4）适时使用目标捕捉命令：Osnap的功能是捕捉可见实体上的某些特殊点,例如:端点、中心点、切点等,对于这样的点,如果用光标拾取,难免会有些误差,若用键盘输入,可能不知道它的准确数值。进入目标状态时,光标十字线上增加了正方形靶区,用此靶区光标拾取图形时,输入点将被锁定在该实体的特殊点上,可以迅速、准确地捕捉到这些特殊点,以便绘出精确图形。
（5）快速退出对话框或撤消当前命令:用左手按ESC键可完成退出对话框或撤消当前命令等操作,这种操作既方便又快捷。
结束语：俗话说，熟能生巧。多年的教学实践证明，我们只有多动手操作，并不断总结绘图经验和技巧，才能更好地掌握绘图方法，提高绘图效率。
参考文献：
[1]薛焱,王祥仲.中文版AutoCAD基础教程[M].北京:清华大学出版社,2003.
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作者简介：岳东辉（1982―），山东新泰，徐州空军学院基础部基础实验中心助教，从事计算机基础教学与研究；
蒋婷婷（1986―），江苏徐州，徐州空军学院训练部教育技术中心助教；
光学动态捕捉技术篇6
所谓自旋捕集技术就是为了检测和辩认短寿命自由基,将一种不饱合的抗磁性物质(称自旋捕集剂,一般为氮酮和亚硝基化合物),加入要研究的反应体系,生成寿命较长的自旋加合物,可以用ESR检测.现在已经合成上百种自旋捕集剂,最常用的自旋捕集剂有tNB(nitroso-tert-bu-tane),DMPO(5,5-dimethyl-1-pyrroline-1-oxide),PBN(phenyl-tert-butynitrone)等(如图1),它们和自由基反应都可以生成氮氧自由基,所得ESR波谱的一级分裂都是氮原子引起的三重分裂,这一点和自旋标记所得到的ESR波谱很类似.但是自旋加合物的ESR波谱常常被分裂为二、三级更复杂的图谱,由二、三级分裂峰值的数目和强度可以推导出捕捉到自由基的结构和性质.
1.1氧自由基的捕捉
超氧阴离子自由基不仅具有重要的生物功能和与多种疾病有密切相关,而且它还是所有氧自由基中的第一个自由基,可以经过一系列反应生成其它氧自由基,因此具有特别重要的生物功能和意义.羟基自由基是已知的最强的氧化剂,它比高锰酸钾和重铬酸钾的氧化性还强,是氧气的三电子还原产物,反应性极强,几乎可以和所有细胞成分发生反应,对机体危害极大.因此,这2种自由基是利用自由基捕集技术研究最多的.DMPO是一种对氧自由基捕集效率很高的自旋捕集剂,而且形成的自旋加合物,DMPO-OH,DMPO-OOH,有特征的超精细分裂图谱和超精细分裂常数.DMPO-OH的ESR波谱由4条谱线组成,强度比为1∶2∶2∶1,这是由于N的超精细分裂常数等于H的超精细分裂常数的结果(aN=aH=1.49mT)(图2),是用ESR技术判别羟基自由基的重要标志[1-7].超氧阴离子自由基DMPO自旋加合物的典型ESR波谱,DMPO-OOH的ESR波谱是由4组12条谱线组成的,其中aN=1.43mT,aHβ=1.17mT,aHγ=0.125mT.这类ESR波谱常被人们用来检验一个体系是否有超氧阴离子自由基产生的判据(图3)[1-7].DMPO自旋加合物不稳定,很难用于体内氧自由基检测,针对这一缺点,人们又合成了一系列新的自旋捕集剂,比较成功的有5-(Diethoxyphosphoryl)-5′-methyl-1-pyrro-lineN-oxide(DEPMPO),5-tert-butoxycarbonyl5-methyl-1-pyrrolineN-oxide(BMPO)和5-ethoxycarbonyl-5-methyl-1-pyrrolineN-oxide(EMPO)[1];利用这些自旋捕集剂可以得到比较稳定的可以检测的ESR波谱(图4).
1.2脂类自由基捕集
脂质过氧化是一个产生自由基和自由基参与的链式反应.过去人们研究脂质过氧化一般都采用TBA(thiobarbituricacid)法检测脂质过氧化产生的最终产物之一MDA(ma-lonaldehyde),这样很难深入研究脂质过氧化的自由基机理.利用4-POBN(4-pyridyl-1-oxide-N-t-butylnitrone)自旋捕集剂在亚油酸,脂质体微粒体,突触体和红细胞膜等体系中捕捉到了脂质过氧化产生的脂类自由基(图5),研究了它们产生的机理及天然抗氧化剂对脂类自由基的清除作用机理[1-4,8-10].
1.3单线态氧的捕集
单线态氧虽然不是自由基,但是高度活性常常反应产生自由基.利用叔胺四甲基哌啶(TEMPONE)可以特异地检测单线态氧,是3条等强度的ESR谱线组成的(图6).为了证明体系中确实有单线态氧产生,往往还需要单线态氧的清除剂———胡萝卜素证明.另外,四甲基乙烯(TME)、2,5二甲基呋喃(DMF)、9,10-二苯基蒽(DPA)等也可以淬灭单线态氧,用以证实单线态氧的存在.单线态氧在D2O中的寿命要比在H2O中长10~15数量级,这也是鉴别单线态氧存在的一个重要方法.若在反应体系中加入D2O,用ESR检测单线态氧产率增大,进一步证明体系中确实有单线态氧产生[1-4,10].
1.4NO自由基的检测
NO是内皮细胞松弛因子,能够松弛血管平滑肌,防止血小板凝聚,是神经传导的逆信使,在学习和记忆过程及免疫和疾病中发挥着重要作用.NO是自由基,但由于它的自旋和轨道角动量偶合不能用ESR直接检测.有3种ESR技术可以检测溶液中的NO,一种就是传统的氮氧自由基自旋捕集NO自由基,另一种是用铁盐络合物.前者可以和NO反应生成自旋加合物自由基,对化学体系产生的NO自由基捕集效果很好,但是很难用于细胞和生物体系;后者已经成功地用于检测体内产生的NO自由基了.我们利用血红蛋白检测到了NO自由基(图7).我们又用建立了DETC2-Fe2+络合物检测生物体内产生的NO自由基,并且用有机溶剂抽提DETC2-Fe2+络合物成功的检测了组织和培养细胞中产生的一氧化氮自由基,使ESR自旋捕捉一氧化氮自由基的灵敏度提高50~100倍(图7,8)[1,4,11-16].
1.5一氧化氮和氧自由基的同时检测
在生物体内和活细胞中,一氧化氮自由基和超氧阴离子自由基往往是同时产生的.人们过去一般是分别测定它们的产生和进行研究的,这样就会造成一定误差,同时也不方便.因此,我们实验室建立了一种利用ESR自旋捕捉技术,把体内和活细胞中产生的一氧化氮自由基和活性氧自由基(ROS)同时捕捉住并进行检测(图9).这样就可以既准确又方便地检测和研究体内和活细胞中产生的一氧化氮自由基和活性氧自由基的规律[1,4,17].
2ESR自旋捕集技术在生物医学研究中的应用
2.1炎症过程产生的自由基
炎症是机体受到外界微生物入侵后的一种保护性反应.吞噬细胞在炎症反应中起着重要作用,它们在炎症反应时吞噬细菌,受刺激活化,产生呼吸爆发,消耗氧气,活化己糖磷酸化支路,释放超氧阴离子自由基,过氧化氢和单线态氧,这些产物在杀伤入侵者的同时对正常机体组织也会产生损伤.我们用ESR自旋捕集技术直接捕捉到了活化人多形核白细胞呼吸爆发产生的活性氧自由基和NO自由基[1-6,15-16].
2.1.1巨噬细胞产生氧自由基的捕集
关于吞噬作用的生化机理研究最多的是肺巨噬细胞和血液中的中性粒细胞,因为它们可以方便地从支气管灌流液和外周血中分离得到.在吞噬一开始,它们都明显增加氧消耗,比休息状态增加10~20倍,同时,起动己糖磷酸化支路,葡萄糖消耗急剧增加,称为呼吸爆发.而氰化物不能抑制这一氧消耗,说明与呼吸链无关.呼吸爆发的启动依赖对膜的扰动,因为不仅调理化的细菌,而且小乳胶粒,调理过的酵母多糖和一些化学试剂都能诱导巨噬细胞呼吸爆发,这些化学试剂包括佛波醇(PMA),氟离子,小分子肽N-甲酰甲硫氨酰苯丙氨酸(fmet-leu-pne)和伴刀豆蛋白A等,因此呼吸爆发并不需要吞噬作用出现.我们用ESR自旋捕集技术直接捕捉到了PMA刺激多形核白细胞呼吸爆发产生的氧自由基证明在体系中产生的ESR信号主要来自PMA刺激多形核白细胞呼吸爆发产生的超氧阴离子自由基及其歧化反应生成的过氧化氢和羟基自由基(图10)[1-6].
2.1.2巨噬细胞产生一氧化氮自由基的直接捕集
在3×107cell/mL的巨噬细胞体系中,捕集复合物(N-methyl-D-glucaminedithio-carbamate)(MGD)2Fe2+的浓度稀释到0.4mmol/L.加入100ng/mLPMA和/或0.3mmol/LL-精氨酸混合后,混合物立刻转入石英毛细管中,在ESR仪上于37℃检测,每30s记录一氧化氮ESR信号.一氧化氮捕集复合物((MGD)2Fe2+NO)给出三线峰ESR波谱,g因子为2.035,超精细分裂常数为1.25×10-3T(图11).测量一氧化氮波谱第一条峰的高度,作为一氧化氮相对浓度[15,16].以上实验结果充分说明,PMN受到PMA刺激,在免疫反应时产生一氧化氮自由基.
2.2心脏病和自由基
心脏病是人类死亡率很高的一种疾病.缺血再灌注损伤会引起和加重人类很多严重疾病,如心脏病,中风,风湿性关节炎,运动损伤及器官的保存和移植.近来的研究结果表明,组织的缺血再灌注损伤与自由基有着密切关系.ESR自旋捕集技术在心脏病研究中的应用,特别是在心肌缺血再灌注损伤产生自由基的研究报道很多[1-4,11-14,20,21].
2.2.1缺血再灌产生氧自由基的自旋捕集
将自旋捕集剂加入再灌注液一起灌注缺血心肌,或者在缺血再灌注前注射到体内,捕捉产生的自由基,目前使用的自旋捕集剂主要是PBN.我们用自旋捕集技术研究心肌缺血再灌注产生自由基和药物对自由基的清除作用.用自旋捕集剂PBN捕捉到了大鼠心肌缺血再灌注产生的自由基.它的ESR波谱由2×3的6条谱线组成,是由缺血再灌注产生的氧自由基及与心肌细胞膜反应产生的脂类自由基与PBN加合而成.加入SOD,金属离子络合物去铁敏可明显使这一信号减小,说明这一信号是由缺血再灌注产生的超氧阴离子自由基及羟基自由基引起的[1-3,21].
2.2.2缺血再灌产生一氧化氮自由基的捕集
一氧化氮自由基具有重要生物功能,对心血管既有保护作用又可能有损伤的“双刃剑”作用在这里体现的非常清楚.心脏病,特别是心肌缺血再灌注损伤与一氧化氮自由基的关系引起人们的广泛关注和兴趣.不仅用生理生化方法进行了研究,而且也用ESR技术研究了缺血再灌注过程产生的一氧化氮自由基.我们利用3种不同方法研究在离体和在体缺血再灌注损伤中产生的一氧化氮自由基及其作用,心肌细胞缺氧再给氧产生的一氧化氮自由基的信号转导作用,银杏黄酮和知母宁等天然抗氧化剂对一氧化氮自由基的调节作用和对心肌的保护作用[1-4,11-14,20,21].
2.3神经退行性疾病缠身自由基的研究
目前全球人口老龄化的趋势日益明显.最新人口普查表明,我国60岁以上的老年人口已达1.3亿,已提前步入老龄化社会,到2050年我国老年人口数量将达到4.39亿,占总人口的1/4.我国是在社会、经济不太发达,各地区发展水平又不平衡的情况下进入老龄社会的,这种社会矛盾将给我国带来比发达国家更多更严重的一系列医疗和社会问题.因而深入研究衰老,特别是脑衰老和其相关的神经退行性疾病,例如帕金森病、阿尔茨海默病等疾病,显得尤为迫切.从分子、细胞和在体水平上,研究与脑衰老相关的人类重大疾病的发病机理,寻求有效的预防和治疗药物和方法,不仅可以提高老年人的生活质量,减轻家庭和社会的负担,更可以为人类在新的世纪中破译脑的奥秘,最终战胜脑疾病提供重要的线索和依据.研究表明在神经退行性疾病的发病和发展过程中,自由基损伤是一个重要因素[2-4,23-31].
2.3.1帕金森综合症脑组织自由基的捕集
我们实验室利用6-OHDA诱导建立了帕金森综合症的细胞和大鼠模型,探讨茶多酚对其保护作用机制.结果发现,茶多酚可以浓度和时间依赖性减轻6-OHDA诱导产生的旋转行为,降低中脑和纹状体中ROS和一氧化氮自由基含量、抗氧化水平,增加了脂质过氧化程度、硝酸盐/亚硝酸盐含量、蛋白结合硝基酪氨酸浓度,同时还降低nNOS和iNOS表达水平.TH免疫染色和TUNEL染色表明,茶多酚预处理可增加黑质致密部存活神经元,减少凋亡细胞.实验结果证明,口服茶多酚可以有效保护脑组织免于6-OHDA损伤引起的神经细胞死亡,其保护作用可能是通过ROS和一氧化氮自由基的途径实现的[23-25].
2.3.2中风脑组织自由基的捕集
中风的死亡率仅次于心脏病和癌症,列于死亡病因的第3位,同时中风还是成年人最主要的致残性疾病.我们建立沙鼠半脑缺血再灌注损伤中风大鼠模型,利用ESR技术研究了中风的自由基机制和山楂黄酮对沙鼠脑缺血再灌注损伤保护作用的一氧化氮自由基调节机理,发现山楂黄酮对沙鼠脑缺血再灌注损伤有很好的保护作用,而且与一氧化氮自由基关系密切[26].
2.3.3老年痴呆症脑组织自由基的捕集
我们利用Aβ诱导海马神经元凋亡和转APP基因AD小鼠模型研究中发现有大量活性氧和一氧化氮自由基产生,同时iNOS表达增加,与氧化应激相关信号途径NFB和MAPK激活.利用ESR方法,研究了转基因鼠海马和皮层区的NOS酶的活力和产生的一氧化氮自由基,结果发现在尼古丁处理的转基因鼠组,海马和皮层区的NOS酶的活力显著下降,而且在这2个脑区,活性氧和一氧化氮自由基的含量也有显著下降[27-31].
2.4辐射损伤产生自由基的研究
自20世纪40年代始,由于在日本广岛和长崎2颗原子弹的爆炸和大规模的核试验,造成了大量人群的辐射损伤.很多国家都开展了这方面的研究,使放射生物学的研究有了长足的进步.用EPR技术发现了电离辐射对机体作用会生成自由基,由此建立了机体电离辐射损伤的自由基学说,成为辐射生物学效应的重要理论,同时也成为自由基生物学与医学最早被人们关注的领域,这对推动自由基生物学与医学的发展起了重要的作用[53-57].
2.4.1辐射治疗和氧自由基
辐射可以致癌,但辐射也可以治疗癌症,而且是一个重要方法.这种方法就是用高能辐射照射肿瘤以杀伤肿瘤细胞,为了提高疗效近年来又使用了敏化剂.用ESR技术发现氧自由基在放疗中发挥着重要作用.辐射产生的羟基自由基进攻细胞靶分子(RH)常常包括抽氢和形成次级自由基(.R),如果这些次级自由基不能被氢供体很快修复,就会与氧气反应产生过氧自由基(ROO.)和脂自由基(.L),这就是脂质过氧化链式反应,同时还可以破坏蛋白质和其它化合物的巯基[32-34].
2.4.2辐射敏化剂和氧自由基
辐射敏化剂是一种化学试剂,它具有增强辐射对肿瘤的杀伤作用.我们用EPR技术研究了光照血卟啉同脂质体膜的相互作用,发现光照血卟啉可以使脂质体膜通透性明显增加,红外激光和紫外激光增加更明显,紫外激光比红外激光作用更大.光照血卟啉可以使脂质体膜中脂肪酸自旋标记物ESR信号减小,说明发生了电子转移.光照血卟啉还可以使脂质体膜磷脂分子有序度稍有下降[32,33].光动力疗法(PhotodynamicTherapy,PDT),又被称为光辐照治疗(PhotoradiationTherapy,PRT)或光化学疗法(Photochemotherapy).我们建立的活性氧和一氧化氮同时捕集的方法,检测了光照30min后细胞内活性氧和一氧化氮的水平,光照以后可以使细胞内活性氧和一氧化氮均显著增加,其中活性氧增加最为明显,说明光动力反应产生的单线态氧氧化细胞内蛋白和不饱和脂肪酸,从而显著增加细胞内活性氧水平[34].
2.5吸烟中产生的自由基中的捕集
目前我国有3.5亿烟民,并且还有继续增加的趋势.流行病学调查表明吸烟不仅可以引起支气管和肺损伤,而且可以导致人类最可怕的疾病癌症和死亡率最高的心血管疾病.过去人们一直认为吸烟的毒性来自尼古丁,但这是错误的.吸烟是一个很复杂的燃烧过程,在吸烟的气相和焦油中存在大量自由基,它们可以直接和间接攻击细胞成分,可能是引起各种疾病的重要原因.点燃过程中产生的大量有害气体,毒性最大的就是自由基,焦油和一氧化碳,其中亚硝胺和苯荓芘是焦油中致癌性最强的两种物质.我们建立和发展了用ESR技术检测吸烟产生自由基的方法.因为吸烟产生的自由基分布在焦油和气相中,它们的性质差别很大,焦油中的自由基比较稳定,可以直接用ESR测定,气相中的自由基活泼,不稳定,不能用ESR直接测定,采用自旋捕集技术测定[35-38].
2.5.1吸烟焦油中的自由基
吸烟的焦油是吸烟烟气中颗粒大于0.1μm的物质,其中包括几种特别稳定的自由基,可以用电子自旋共振波谱仪(ESR)直接观察到.通过ESR波谱分析,发现它们主要来自醌/半醌自由基(Q./QH.),多环芳烃自由基,碳和磷自由基,后3者的浓度在焦油中比较低,只占15%,特别是最后2个就更低.每支烟焦油中自由基的浓度大约为6×1014个自由基.多环芳烃自由基是一类直接致癌物,其ESR信号不宜饱和但在室温不宜观察到.焦油中的主要自由基成分是Q./QH.,大约占85%,其ESR信号很容易饱和,在低温很容易观察,这是一类非常重要的自由基,很容易自氧化产生氧自由基,从而导致一系列毒理反应.
2.5.2吸烟气相中的自由基
吸烟气相中的自由基多是瞬时不稳定自由基,不能用ESR波谱仪直接观察,需要用自旋捕集技术.我们用自旋捕集剂PBN和DMPO捕捉到了吸烟气相的自由基,其中主要是烷氧基(RO.)和烷类(R.)自由基.这些自由基是在吸烟燃烧形成的气流在流行过程中不断形成的,吸烟气相中的自由基多是瞬时不稳定自由基,主要是一氧化氮、二氧化氮、烷氧基(RO.)和烷类(R.)自由基.这些自由基是在吸烟燃烧形成的气流在流行过程中不断形成的,首先含氮物质在吸烟燃烧时氧化生成大量NO,遇氧生成反应性更强的NO2自由基,它可以和吸烟燃烧生成的烯类物质反应生成烷类自由基R.,R.可以和O2反应生成烷过氧自由基ROO.,ROO.又可以和NO反应生成烷氧自由基RO..这些自由基遇到细胞成分就会发生反应,不仅与细胞膜发生脂质过氧化反应,还可以氧化蛋白质和核酸.正是由于自由基的高反应活性,对细胞的损伤作用,就是他引起各种疾病的重要原因.
2.6在植物抗病和感病作用研究中的应用
动物系统研究表明一氧化氮自由基和活性氧在免疫反应中发挥着重要作用.最新研究发现一氧化氮自由基作为活性氧的合作者启动植物的保护基因和过敏坏死反应.一氧化氮自由基和活性氧在植物抗病反应中起着极其关键的作用.单独活性氧还不足以导致细胞死亡,一氧化氮自由基的介入和协调才可引起植物感染部位细胞的死亡,从而引起过敏坏死反应.本实验室自2000年开始就着手利用电子自旋共振研究一氧化氮自由基在植物免疫反应中的重要作用,取得了一些进展[39-41].
2.6.1ESR自旋捕集技术检测植物产生的ROS和一氧化氮自由基捕集方法的建立在植物中检测一氧化氮自由基与动物组织中检测有相同之处也有不同之处,相同的是原理,不同的是方法.我们仍采用ESR自旋捕捉技术的原理,因为植物与动物的一个明显区别是植物细胞有细胞壁,而动物则没有.植物与动物另外一个不同的是其根、叶茎分离后可以在相当长时间维持正常生理状态,这为体内检测自由基带来极大方便.我们建立和发展了测定植物体系产生一氧化氮自由基的方法,有直接方法和间接方法,有离体的也有在体的,这些方法为研究植物体系产生一氧化氮自由基的规律及其在植物抗感病和植物免疫反应的机理发挥了重要作用[39,41].
2.6.2一氧化氮自由基在小麦条锈病抗感过程中的作用机理条锈菌引起的小麦锈病是世界上许多地区小麦的重要病害.利用抗病品种是防治小麦锈病的主要措施.我们利用ESR技术研究的内源一氧化氮自由基与小麦不同抗性类型的关系,发现一氧化氮自由基启动的时间点和强度是决定抗病类型的关键因素;同时利用外源一氧化氮自由基和寡糖素对小麦抗条锈性的诱导,证明了在小麦的过敏性坏死反应(HR)中一氧化氮自由基与毒性病原菌信号的协同作用以及诱导抗性中一氧化氮自由基的时间进程与低反应型抗性中一氧化氮自由基时间进程的一致性.通过分光光度法和蛋白印迹法分析了一氧化氮自由基的来源,并对一氧化氮自由基的多种来源进行了研究[39].
2.6.3亚硝酸还原酶是高等植物一氧化氮自由基的重要来源在动物体,一氧化氮合酶几乎是一氧化氮自由基的唯一来源,但是在植物中一氧化氮自由基的来源就复杂的多,而且还有争论.我们利用ESR技术研究了高等植物中一氧化氮自由基的来源,结果表明硝酸还原酶活性是在2个水平上控制的,(1)硝酸还原酶基因表达控制硝酸还原酶蛋白水平;(2)蛋白调节硝酸还原酶活性.这些结果表明小麦苗中产生的一氧化氮自由基主要是通过硝酸还原酶催化产生的,但是这并不是唯一途径[41].
2.7ESR自旋捕集技术在抗氧化剂及药理学研究中的应用
中药是中华几千年医药实践总结出来的,是我国历史的瑰宝,对保障中华儿女身体健康发挥了重要作用.尽管很多中药治病的机理还不清楚,但是其医疗效果是明显有效的.在中医药现代化过程,如何研究和解释中药治病的机理就是一个重要内容.我们利用ESR自旋捕集技术研究发现,很多中药,特别是中草药的有效成分都是天然抗氧化剂,例如五味子、黄芩、丹参等的药理学及其有效成分对氧自由基清除作用和对细胞成分的保护作用.
2.7.1五味子药理学作用
五味子的有效成份包括一组五味子素,主要有五味子酚(Sal),五味子醇甲(SolA),五味子甲素(SinA),五味子乙素(SinB),这些结构不同的五味子素具有不同的药理作用.为了探讨它们药理作用不同的根源,我们用自旋捕集技术研究了不同结构五味子素在不同体系中对氧自由基的清除作用,结果发现,结构不同的五味子素对氧自由基的清除作用不同.五味子醇甲和五味子乙素对PMA刺激多形核白细胞呼吸爆发产生的氧自由基的ESR波谱有明显清除作用,五味子乙素对这一细胞体系产生的氧自由基的清除作用比五味子醇甲强,它们对氧自由基的清除能力大于维生素E,但小于维生素C[42,43].
2.7.2黄芩甙及其铜锌络合物药理作用
黄芩含有丰富的黄酮类化合物.黄芩甙在临床上主要用于抗菌消炎和抗感染.黄芩甙及其铜锌络合物对氧自由基的清除作用,对羟基和超氧阴离子自由基清除的速率常数和对血红蛋白损伤的保护作用.用光照核黄素体系产生超氧阴离子自由基,这3种物质都不同程度清除了该体系产生的超氧阴离子自由基,其中黄芩甙铜络合物清除能力最强,黄芩甙锌次之,黄芩甙最弱.锌离子对该体系产生的超氧阴离子自由基没有影响,铜离子可使该体系产生的超氧阴离子自由基转化成羟基自由基.发现黄芩甙及其铜锌络合物对氧自由基引起红细胞膜损伤有明显的保护作用[44,45].
2.7.3在研究山楂黄酮的抗氧化和健康作用中的应用
山楂黄酮是目前我国唯一一个取得药字号的黄酮类药物,我们利用电子自旋共振波谱技术检测了山楂黄酮对自由基的清除作用,发现山楂黄酮对Fenton反应产生的羟基自由基有很强的清除作用,是银杏黄酮的1.3倍,但比维生素C稍弱;对黄嘌呤/黄嘌呤氧化酶体系产生的超氧阴离子自由基有非常强的清除作用,是维生素C的大约2倍,是银杏黄酮的大约18倍;山楂黄酮对过氧亚硝基也有很强的清除作用,是维生素C的大约1.4倍,比银杏黄酮的弱一些.并可以清除线粒体膜脂质过氧化产生的脂类自由基,这无疑是山楂黄酮具有以上药物功能的重要基础[26].
2.7.4在研究丹参酮抗氧化途径及其对心脏病的治疗作用机理中的应用
丹参、复方丹参和丹参酮已经广泛用于临床治疗各种疾病,特别是心脏病,效果显著.我们利用ESR自旋捕集技术研究了丹参酮作抗氧化剂治疗心脏病和防止阿霉素毒性的机理,发现丹参酮对这一体系产生的超氧阴离子自由基清除率还是比较明显的,而且有明显的剂量依赖关系,但检测不到丹参素和丹参酮对Fenton反应产生的羟基自由基的清除作用.发现丹参酮对起动脂质过氧化的活性氧自由基的清除能力并不强,但对脂质过氧化过程中的脂类自由基有较好的清除效果.发现鱼藤酮,抗霉素A阻断线粒体呼吸链产生的自由基主要是羟基,用KCN阻断线粒体也得到羟基自由基.丹参酮对心肌亚线粒体产生的羟基自由基的初始强度没有什么作用,但显著加速所测试的自由基信号的衰减[46,47].
2.8植物光合系统中产生活性自由基
高等植物叶绿体在光合作用过程本身就是一个电子转移和容易产生自由基的过程,又因叶绿体在光合作用过程中处于富氧环境而极易受到氧化损伤.当光照过强或光能利用率过低时,活性氧都有可能大量产生.而这些活性氧对蛋白、膜脂和色素分子都具有破坏作用.因而,深入研究活性氧所诱导的光合作用抑制机理对于如何减缓植物细胞的强光破坏,进而提高植物的光合作用效率具有重要意义.因此很早人们就一直研究叶绿体在光合作用过程产生的自由基,主要是在光系统2(PSII)内发现了大量的超氧阴离子自由基,但是,由于捕捉剂性能的限制对超氧阴离子自由基捕获一直不很理想,直至新一代高效自由基捕捉剂DEPMPO的出现之后,文献中才报道了关于水稻叶绿体PSII颗粒中捕获超氧阴离子自由基的可靠证据[48,49].在此基础上,近年来又相继报道了一系列有关强光照射条件下PSII颗粒内超氧阴离子与羟基自由基的研究工作[50-54].
2.8.1PSII内超氧阴离子自由基产生的ESR证据
为了更可靠地应用自旋捕集技术确认高等植物PSII在强光(633nmHe-Ne激光器)照射下能够生成超氧阴离子自由基,刘杨教授研究组分别采用DMPO与DEPMPO两种自由基捕捉剂进行原位分析,实测所得的ESR信号如图12所示.虽然从信号谱峰分析来看确信无疑2个信号都来自超氧阴离子自由基的加合物,但实验中为避免干扰也同时验证了SOD的岐化效应.
2.8.2PSII中由超氧阴离子、羟基自由基诱导的光抑制损伤产生自由基的自旋捕捉
高等植物长时间强光照射往往会导致光合器官的光合活性降低,它通常表现为PSII电子传递活性减弱和PSII反应中心(PSII-RC)中D1蛋白的结构损伤,这正是所谓的光抑制现象.虽然目前对于PSII光抑制的分子机制尚不十分明确,已经提出的光抑制模型主要有受体侧光抑制[55,56]、给体侧光抑制[57-60]、单线态氧假说[60,61]和锰依赖的光抑制[56].此外,文献[57]认为光合器官不仅仅只在吸收了过量光能的时候才会发生光抑制现象,在弱光条件同样会产生光抑制.为更准确地评价光诱导产生的超氧阴离子对PSII放氧活性的影响,在放氧活性检测的平行条件下进行自旋捕集实验.他们在捕获剂DEPMPO存在的条件下,在PSII颗粒样品中得到了与在次黄嘌呤和黄嘌呤氧化酶(HX/XOD)体系捕获的DEPMPO超氧加合物(DEPMPO-OOH)(图13(b))一致的ESR信号(图13(a)).其精细裂分常数为AN=1.32mT、AH=1.10mT、AP=5.01mT,与文献报道的DEPMPO-OOH精细裂分常数(AN=1.34mT、AH=1.19mT、AP=5.25mT)相符[53].该结果再次验证了PSII颗粒在光照条件下的确可以产生超氧阴离子.图13(c)给出的是PSII内源SOD活性被抑制时的ESR信号,PSII经TCNE处理后,其内的细胞色素b559由高氧化还原电位态转变成低氧化还原电位态,从而使PSII丧失了内源SOD活性,于是所检测到的自由基信号大大增强.对比而言,外源SOD的加入几乎完全清除了PSII在光照条件下产生的超氧阴离子,ESR基本检测不到DEPMPO-OOH信号(图13(d)).此处自由基ESR信号的消失与外源SOD使光抑制处理的PSII的放氧活性恢复到非光抑制处理空白水平的96%相呼应.
2.8.3过氧化氢和羟基自由基对PSII放氧活性的抑制作用
与过氧化氢相比,羟基自由基是一种更加活跃和更具有破坏性的活性氧物种,在强光引起的光抑制中最有可能破坏PSII的放氧中心,致使PSII失活.因此在光抑制过程产生的过氧化氢对放氧的破坏作用不但源于过氧化氢本身,而且更可能源于它的衍生物--羟基自由基.为直接验证由过氧化氢介导的羟基自由基的产生,实验中以DEPPEPO为自由基捕捉剂检测PSII光抑制过程中产生的自由基信号.在此需要说明的是,DEP-PEPO是亲脂性的DEPMPO的类似物,同DEPMPO一样也能够有效地捕获超氧阴离子和羟基自由基[54].由于DEPPEPO在1-辛醇/水体系中的油水分配系数(Kp)值为7.6,所以它可优先选择性地进入到PSII颗粒的脂溶性区域,并有效地原位捕获该地区产生的自由基[44,45].如图14(a)所示,在光抑制处理PSII中并未检测到DEPPEPO羟基自由基加合物(DEPPEPO-OH)的ESR信号,但将PSII与5mmol/LH2O2在冰浴中共育10min后实验观察到了DEPPEPO-OOH和DEPPEPO-OH两组分别来自超氧阴离子和羟基自由基加合物的叠加ESR谱(图14(b)).通过对图14(b)的计算机模拟谱(图14(c))进一步求得它们的精细裂分常数(DEPPEPO-OOH:AN=1.28mT、AH=1.25mT、AP=5.28mT;DEPPEPO-OH:AN=1.39mT、AH=1.36mT、AP=4.95mT).外源过氧化氢可能通过Fenton类型的反应产生更多的羟基自由基,PSII中结合的金属离子,包括亚铁血红素和非亚铁血红素的铁和锰都可能是催化该反应的活性位点[62].另外,在水溶液中羟基自由基的平均寿命只有0.1μs,相应的平均扩散距离也只有4.5nm.由此可见羟基自由基在如PSII颗粒等非水环境中的平均扩散距离将更小.所以,羟基自由基在其产生位点很小的范围内就与细胞成分发生反应.由此认为由DEPPEPO捕获的羟基自由基很可能产生于PSII颗粒放氧中心附近的脂溶性区域,从而更容易损伤PSII的放氧中心,使其放氧活性降低.
2.8.4去锰过程中PSII对超氧阴离子的调节
PSII具有光诱导生成超氧阴离子的性质,并且TCNE可以增加上述过程中的自由基.此外,还发现经抑制剂TEMED处理得到的去锰PSII对Cytc光还原较未处理空白水平更高,说明去锰处理使得PSII内的超氧阴离子自由基浓度增加.他们推测PSII中的锰加33k蛋白以及HPCytb559都可能具有内源SOD的活性.近期Zhang等人[63]针对PSII去锰体系用ESR自旋捕集方法验证了光诱导超氧产生的增加效果.他们的解释是:PSII中的内源SOD活性是由33k蛋白和锰共同担当.根据上述结果推测PSII中去锰过程、Cytb559的HP或LY状态与超氧阴离子自由基之间可能存在一个内在的关联.首先,图15中的(a)与(b)分别展示出PSII在去锰前后的用新型磷酰基自由基捕获剂DEPMPO所得的超氧阴离子自由基信号变化.在捕捉剂DEPMPO存在条件下光照所得的DEPMPO超氧加合物[DEPMPO-OOH]•的ESR信号可以根据2点加以确认:其一是比较自由基加合物信号(图15(a)与图15(b))与经典XOD/HX体系(图15(c))的ESR波谱图形,实验发现二者几乎完全一致;再者根据图15(a)所测超精细耦合参数(AN=1.32mT、AH=1.10mTandAP=5.01mT)也与以往文献报道超氧阴离子加合物参数十分接近.为检验PSII内在产生超氧阴离子自由基实际能力,在图15(d)实验中加入内源SOD活性的抑制剂-TCNE,发现ESR信号强度陡然大幅度增加.在TCNE不存在条件下,MD-PSII超氧阴离子的生成量较UT-PSII的自由基生成量强了约1.2倍.然而,当加入TCNE,MD-PSII的实验结果显示其超氧阴离子的ESR信号较TCNE处理前仅增强一倍左右;相比之下,UT-PSII的超氧阴离子生成量在添加TCNE后增加了一个数量级以上.换言之,加TCNE后MD-PSII超氧阴离子的生成量仅为UT-PSII的自由基生成量的1/6,二者信号强度的次序完全颠倒.以上仅为应用自旋捕集-ESR方法对高等植物PSII内以超氧阴离子自由基为代表的活性自由基进行研究的一些实例,并且通过结合其它实验与理论研究手段获得了一系列光合作用研究中有关活性氧光抑制与光保护问题的新成果.这些有关光系统中活性自由基的研究实例还充分说明自旋捕集-ESR技术是一种研究生物自由基的最可靠的手段.
2.9蛋白质氧化产生自由基的捕集
因为在细胞中含有丰富的蛋白质以及蛋白质与自由基的高反应性,蛋白质就成为细胞内氧化损伤的主要靶分子.蛋白质与自由基反应能形成不稳定的蛋白质自由基,这些蛋白质自由基又能与氧气反应生成新的氢过氧化物自由基,并且在蛋白质内部启动链式反应,导致DNA断裂.这些氧化损伤可以发生在蛋白质的侧链也可以发生在主骨架上.一些氧化剂对蛋白质的氧化局限在一些特殊的残基上,而另外一些氧化剂,如羟基自由基是非特异的,对蛋白质的氧化是广泛的.因此利用ESR自旋捕集技术就可以研究这些蛋白质氧化的自由基机理.
2.9.1对蛋白质骨架的氧化损伤产生的自由基
Davies等人研究发现自由基同蛋白质骨架快速反应出现在从一个碳位置的抽氢反应上,形成一个稳定的碳中心自由基.这个碳中心自由基有2个可能的反应,一是与另外一个自由基和氧气反应而停止氧化过程,这主要是由于在生物体系中和空间电子相互作用造成的.主要通路通过释放HO-2和产生一个亚胺而结束自由基反应,接着就是蛋白质水解和骨架断裂.二是从另外一种物质抽氢产生过氧化氢,接着分解形成烷氧自由基再引起骨架的断裂和产生亚胺[64].
2.9.2特异蛋白质氧化损伤-侧链氧化损伤产生的自由基
大部分蛋白质的脂肪酸侧链只同反应性很强的自由基反应.一个最值得注意的是次卤酸(HOCl,HOBr)与赖氨酸和精氨酸发生的二电子卤素转移反应,产生不稳定的氯胺/氯酰胺和溴胺/溴酰胺,接着分解产生氮中心和炭中心自由基[65].这些自由基主要引起抽氢反应产生炭中心自由基.同羟基反应可能出现在任何位置和可以产生一系列自由基,随自由基的不同,产生自由基也不同,利用ESR自旋捕集技术可以检测到不同自由基[66].产生的炭中心自由基有2种可能的反应,一是与另外一个自由基反应形成二聚体,在有氧气存在时不太会发生这类反应,而在缺氧情况下发现会在蛋白质之间发生交联,进一步导致蛋白质聚集;二是这个碳中心自由基会被巯基修复产生含硫自由基[67].在蛋白质上形成的过氧自由基可以发生自由基-自由基终结反应,产生醇类和羰基类化合物或者烷氧自由基和氧气.烷氧自由基一旦形成就会发生快速抽氢反应,进一步产生醇类和羰基类化合物[68].这类反应产生的自由基在生物体系就会进攻其它生物分子,如DNA[69],脂类和其它蛋白质[70].芳香侧链的氧化反应大部分发生在加成反应中[71],酪氨酸残基与自由基反应产生酪氨酸苯氧自由基,这个反应或者通过芳香环的直接氧化或者通过在羟基物质脱氢.或者通过加成反应完成.这个自由基可以通过自我反应形成二聚体或者交联反应形成二酪氨酸[72].这会发生在分子内和分子间的蛋白质交联.这些苯氧自由基可以同氢供体,巯基,多酚类物质和维生素C等反应修复氨基酸损伤[73].
2.9.3乳蛋白的氧化产生的自由基
Mason实验室发展了利用ESR-HPLC联用技术检测蛋白质氧化产生的自由基[74].利用DMPO多克隆抗血清能够特异灵敏辨认蛋白质与DMPO产生的加合物的性质,他们研究了乳过氧化物酶(LPO)产生的自由基(图16).在DMPO存在时,LPO与GSH反应生成LPO自由基DMPO加合物,这个加合物的产生与GSH、LPO和DMPO及pH值有关,GSH不能用H2O2取代.加入叠氮钠、过氧化氢酶、维生素C、硫氰酸、I-、亚硝酸盐,多酚加合物明显减少.在LPO/GSH/DMPO体系中ESR自旋捕捉到一个GSH自由基信号,但是没有直接检测到蛋白质自由基的信号.加入叠氮钠、过氧化氢酶、维生素C、I-、硫氰酸明显减少这一信号,而多酚和亚硝酸盐却增加这一信号.GSH能明显改变LPO化合物II的波谱特征,表明GSH结合到化合物II的血红素上,而多酚和亚硝酸盐能够抑制这一改变把化合物II还原到天然酶,GSH还能抑制LPO的氧化活性.因此,这些结果表明这个自由基可能是通过硫氢基与化合物IId血红素反应形成的以血红素为中心的自由基被DMPO捕捉到的.
2.9.4糖胺聚糖氧化产生的自由基
过氧亚硝基/过氧亚硝酸(ONOO/ONOOH)是强氧化剂,在炎症过程可以大量产生,氧化损伤细胞成分.Davies等人[75]研究了ONOO/ONOOH与糖胺聚糖产生的产物.ONOO/ONOOH可以修饰透明质酸,肝素,软骨素,皮肤素和硫酸类肝素,但都依赖氧气.这个反应通过裂解二糖产生一些特异的多聚物片段.EPR自旋捕集实验表明在糖胺聚糖和有关单糖上形成了炭中心自由基(如图17).这些结果表明在炎症过程中,在细胞外可能形成了ONOOH和有关自由基.
3ESR自旋捕集技术在生物医学研究中的发展趋势
光学动态捕捉技术篇7
《阿凡达》的拍摄动机其实早在1995年就已经提上台面。但以当时的技术水平,想要拍摄《阿凡达》这样的电影,并把其中的虚拟世界制作出来,基本上是不可能完成的任务。即使被制作出来,也没有几个影院和银幕可以放映。3D电影在当时还并不是能被广泛拍摄并放映的。虽然早在20世纪50年代3D技术就开始被运用到电影制作中来,但始终是停留在简单的视效呈现和拉客争人的噱头中。80年代3D被广泛应用到一些类型片当中去,以恐怖、动作、纪录片为主,像《13号星期五》《鬼哭神嚎》《大白鲨》等都以其作为卖点。不过因为这些影片自身的制作水准不高,缺乏震撼观众视听的大片登场,加之技术上的局限性,到了20世纪90年代后,3D电影更是在很长一段时间内少有人问津,逐渐淡出了人们的视野。另外一方面,在当时能够给影片视听享受以极致体验支撑的IMAX巨幕也是凤毛麟角。即使在美国这样的电影大国,银幕数与占有量也不乐观,虽然有着为数不少的汽车影院等类似于巨幕形式的放映地,但从硬件条件跟性价比上,也难以令人满意。一直以来,IMAX影院的搭建基本都是在一些诸如展览馆、科技馆、主题公园之类的地方,放映的也多是一些科教片,纯粹是为了给人们最初级的影音震撼而已。基于这样的一个现实考量,最终暂缓了《阿凡达》的拍摄,时至今日对电影工业而言, 3D技术突飞猛进、拍摄设备的更新换代,3D电影产业格局的真正开始。对电影特效真实感的强化将成为电影发展的主要方向之一。
《阿凡达》可以说是迄今为止电影史上拍摄花费最为昂贵的影片,据称其初始预算为23亿美元,最终成本超过3亿美元,《纽约时报》更是称其总耗资已超过5亿美元。这样一部鸿篇巨制很大一部分成本都花在了技术上,仅是动画渲染需要的硬盘存储空间就超过1000TB,即使不考虑RAID空间损耗和备份,使用500块2TB硬盘搭建这套存储系统,成本就在10万美元以上。其中大部分由电脑动画生成,拍摄立体画面使用的全新3D Fusion Camera系统也花费了大量的成本。实际上,参与这部电影特效制作的公司至少有十家,不过其中负责最核心部分的是四家。分别是威塔数字视觉特效工作室,主要负责CGI方面的工作; Raelity Camera System公司,主要负责3D效果的拍摄与制作; “工业光魔”以及Digital Domain,主要负责细微粒子化特效制作,比如那些大气、尘埃以及海洋等。影片对于3D技术的使用堪称完美。其完美就在于没有炫耀,而是真实到了让你几乎意识不到的境界。影片没有令人眩晕的重影,也没有令人呕吐的视觉错位,有的是身临其境的真实感,层次分明的远景与近景,以及触手可及的动物、植物和人类。
二、为《阿凡达》所用的特效技术
《阿凡达》只有25%的内容使用了传统的外景拍摄,剩下的全部都在CG世界结合表演捕捉和虚拟环境生成。虚拟现实拍摄系统中的合成转向摄像机是一个突破性技术。转向摄像机根本没有镜头,只有一块屏幕和若干标记点来记录它与演员的相对位置及方向。那些信息会通过一个效果交换器进行处理,并将低精度CG版本的演员和潘多拉星球的环境合成后,实时反馈到摄像机的屏幕上。使用这种虚拟相机可以像拿着真的摄像机一样,端着屏幕在动作捕捉舞台上一边走动,一边拍摄演员。即便是在演员的拍摄结束后,仍可以在空舞台上继续拍摄不同的镜头角度,同时回放整个场景。在拍摄的现场,四周还围绕着120台固定摄像机,能够以毫米为单位一次性录制所有演员的3D运动,演员穿上带有反射参考标记和条带的运动捕捉服,并辅以数名摄像师拍摄视频参考。摄像机捕捉的数据流传入Autodek的软件MotionBuilder后,可以实时地将演员的运动在一个低精度的计算机环境中转换成数字角色的动画,因为批量捕捉一次性捕捉了所有角度的表演,导演可以要求渲染出任意角度的镜头,然后根据视频参考的回放来决定镜头的运动方式。
演员表情的细微表达是演员表演的精髓,这是被很多电影中数字角色被忽略的地方。但是,《阿凡达》没有忽视,导演让演员自己来控制表演,而不是动画师。为此,拍摄时还用一种类似美式足球头盔的“E-Motion Capture”头罩,演员戴上后,电脑可收集演员的面部表情及肌肉变化,效果比上一代的动态捕捉技术更精准。《阿凡达》的女主角Neytiri的表演者,为了匹配数字替身的动作,不仅要穿上一身镶有标记点和条纹的运动捕捉服,同时还要佩戴专门设计的“头盔”, 固定在头盔上的小型摄像机用来拍摄她脸上画出的绿色标记点,并追踪表情的所有运动,从瞪眼、鼻子抽动到皱眉,从下颌、牙齿到舌头的复杂运动关系。以获取面部特写的精确信息来制作人物表情。另外影片还利用了面部表演捕捉还原系统(Facial Performance Replacement)。在传统电影制作当中,如果后期当遇到有更改台词,面部动作重设的需求时,一般都会使用ADR系统(额外对话采集系统)进行修改,即在嘴形无法对上之时,将选取远景活动角色非脸部部分进行补拍以免穿帮。有了面部表演捕捉还原系统,这些麻烦事完全可以迎刃而解。其可以通过已有的表演数据生成新的所需要的面部扫描件和对白捕捉,轻而易举完成修改。
另外特效团队打造的演员表演捕捉舞台工作点,类似是一个感应舞台系统。规模超大,比以往的表演捕捉舞台大上六倍有余,能够设置出一个完整的新西兰。此次完全是为了能够展现出《阿凡达》中那奇幻瑰丽壮美的外星世界。基本上除了少量的实景拍摄、真人表演以及模型特效外,大部分拍摄工作都是在这里完成的。《阿凡达》还由虚拟摄影棚与协同工作摄影机合作完成,这是真人表演同CG画面相映成趣的合成观察平台。实际上其本身是一块空地,但当你通过显示器观看时就会发现已经有各式虚拟场景存在。导演可以通过虚拟摄影机来指挥演员的表演。演员类似于被放进一个充满CG物体的虚拟空间中,通过这个系统可以令导演在真实世界拍片一样,任意选取各种摄影角度,控制协调CG物体的活动,在第一时间看到真人表演同虚拟场景结合后的视效。 而这个系统的核心设备就是协同工作摄影机,由布满在摄影棚顶部的140个数字摄像机组成,搭建出一套表演捕捉技术平台。摄像机通过追踪现场LED灯打出的近红外光谱的反射,将捕捉到的数据传输到一套系统中,再将光谱的反射与演员的运动进行组合分析,得出整个镜头的立体模型。之后,这些数据再被映射到后期的计算机处理,从而令CG场景呈现出高度拟真的效果。这不仅令演员可以同步与数字环境进行互动,同时也为导演进行有效的指导调配行了极大方便。
《阿凡达》采用了2000年开始研究发明全新的3D虚拟影像摄影系统拍摄设备。通过两台SONY的HDC-F950摄像机进行拍摄,这两台摄影机的镜头酷似人类的双眼,可以提供不同视角的画面,因为装配有不同的滤镜,因而在被摄物进入镜头时就会移除图像的不同部分,传递给大脑一种视差错觉,建立起最终感官得到的三维视角。在《阿凡达》的拍摄中,改进后的摄影机所获取的银幕呈现效果将更具深度,前景与背景会显现于不同的层面之上,也不再是以往那些移动的平面图像。 这样的好处就是不仅可以得到更棒更具动感的立体视效,同时也能令观赏者不再因为画面深层的抖动与快帧递进产生头晕,而这套设备也使直接拍摄3D电影变成现实。
最后影片是以IMAX3D技术播放的,它是IMAX立体影片的放映技术。IMAX3D使用两盘IMAX专用的70mm胶片,一盘胶片对应一只眼睛,通过偏振过滤眼镜(被动式)或红外同步系统(主动式)配合电子眼镜以提供两个单独的图像。结合IMAX巨幕,IMAX3D能够产生逼真的全视野立体效果。IMAX 3D技术不仅使用世界最大的IMAX底片,并且使用双胶片分开录制、播放左眼及右眼的影像,使得影像更立体清晰,色彩也更鲜明。
观众观看IMAX3D影片还需要佩戴极化眼镜,它不同于以往在观看IMAX 3D电影时的那种红绿镜片纸板眼镜,此眼镜为灰色极化眼镜镜片加工而成,佩戴上之后不仅能提升观影体验,也能缓解视觉疲劳,通过它观众推开了现实与幻想世界之间半掩的窗户,让观者看到栩栩如生的瑰丽景致并信以为真。
三、结 语
《阿凡达》的播出无疑为真人3D电影设立了新的标杆,其对未来电影业的影响才刚刚开始展露。随着2008年第一部真人3D数字电影《地心游记》在中国受到欢迎,越来越多的3D电影走进人们视线。这次的《阿凡达》把真人3D电影推向一个前所未有的高度,可以说是为电影的特效制作开创了一个新纪元。
当然,不是所有电影都必须以在技术观感上超越《阿凡达》为己任,但以后每个以视觉效果为卖点的电影确实面临着更严苛的评判标准和更挑剔的观众。3D电影技术的发展将会推动很多产业发展,就像20世纪电影加入声音和色彩一样, 特效制作是电影行业又一个飞跃。推广3D电影的原因不再是什么秘密,3D电影比起2D电影能够带来更多回报。相信3D有非常大的带动作用,3D影院可以为观众带来全新视觉感受,相信3D技术可以提升影院上座率和票价并且比2D版本更能吸引观众。另外防盗版是推广3D影院的一个额外收获。大部分盗版是通过便携摄像机偷拍电影屏幕获得,但是3D电影却无法用便携摄像机偷拍。这也更利于现今整个社会打击盗版和维护知识产权。
[参考文献]
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[2]郝冰.数字特技与视觉真实性的问题[J].影视技术,2002(02).
[3]詹姆斯•卡梅隆的探索与冒险之旅[J].数字娱乐技术,2010(01).
光学动态捕捉技术篇8
DISP是指数码相机机身按键，特指文件信息。在微型计算机原理与接口技术中代表位移量。在MATLAB中的命令，表示只显示结果，不显示变量名。索尼照相机也是索尼公司的优质产品之一，索尼照相机走的是高端时尚前卫路线，CCD技术先进， 便携中的高像素，防抖，自动捕捉头像，而且索尼照相机还支持笑脸快门，可以捕捉精彩的一瞬间。索尼DSC TX1具有1020万有效像素，Exmor R CMOS影像传感器，3、0触摸式液晶屏，4倍光学变焦，手持夜景模式，全景拍摄模式，720P高画质动态影像。
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