CN103136912A - 运动姿态捕捉*** - Google Patents
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Abstract
本发明的运动姿态捕捉***，包括多个测量运动姿态的传感器和用于处理姿态数据的上位机，其中：惯性姿态测量传感器模块通过USART通信电缆与主控模块双向连接，主控模块与上位机无线双向连接，电源管理模块分别连接惯性姿态测量传感器模块和主控模块。该***集成三轴磁场传感器和六轴加速度与角速度的传感器，使用惯性捷联姿态解算，结合卡尔曼数字滤波和数据融合算法，能实现准确的三维立体测量，能自动修正所采集的数据，可以不受环境因素的影响，能准确实时捕捉人、动物和物体的动作姿态，用户可直接利用该***输出的数据，制作效果更逼真的高质量动画。可用于动漫、影视和游戏的角色模型等动态仿真，以及人、动物和物体运动状态的科学研究。
Description
技术领域
本发明涉及运动姿态的数据采集，具体是运动姿态捕捉***。
背景技术
三维动态/静态模拟仿真在数字化的今天显得越来越重要，动画、影视和游戏的角色模型动态仿真制作若再使用实物建模或手工绘制显然不适应潮流，效率低下，工作量大，成本高。随着人们对角色模型动作仿真的要求越来越高，对动作捕捉***的效率、使用的方便性、精度和成本的要求也越来越来越高，这就要求该***向低成本、简单易用、高精确度和高效率等方向发展。动作捕捉***被越来越多地应用于动画，影视和游戏的三维动态模拟仿真制作当中，而三维动态模拟仿真已成为三维制造行业的主力军。
在国际上，特别是科技发达的美国，角色模型动态仿真早已发展起来，在美国的动画电影、科幻电影和游戏中均有体现，且已达到了一定的水平。通过动作捕捉***可以非常方便实现设计者所要求角色模型所要做的动作，只需在电脑中建立好角色模型，再将动作捕捉***安装在演员的身上，让演员做设计者所要求的动作，再将动作捕捉***所采集到的数据通过三维动画制作软件导入到角色模型中，角色模型便会做出和演员一样的运动仿真动画。从而可快速方便地实现三维动态模拟仿真，降低了成本，节省了时间。
目前的动作捕捉***主要有三类：1、通过光学原理实现，但这种***受条件和环境因素影响，对光的变化极为敏感，且***的操作也较复杂。如前面所述，易受环境影响，使用易受限制；2、通过声学原理，这种方法也不是很理想，抗干扰能力差，***操作复杂，不好地实现；3、通过机械传感器实现，此种方法简单可行，算法简单，实现起来也较前两者简单，且不受环境地理因素影响，***操作也较为方便，但目前该方式在三维效果、准确性和实时性、流畅性和逼真性等方面有待改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种运动姿态捕捉***，它可以不受环境因素的影响，能准确实时捕捉人、动物和物体的动作姿态，计算机可直接利用该***输出的数据，提升了动画的质量，使效果更逼真。可服务于动漫、影视和游戏的角色模型等动态仿真，以及人、动物和物体运动状态的科学研究。
为了达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
所述运动姿态捕捉***，包括多个测量运动姿态的传感器和用于处理姿态数据的上位机，其中：惯性姿态测量传感器模块通过USART通信电缆与主控模块双向连接，主控模块与上位机无线双向连接，电源管理模块分别连接惯性姿态测量传感器模块和主控模块。
进一步，惯性姿态测量传感器模块通过USART通信电缆连接主控模块中的网络节点数据集合以及节点数据处理模块和人体姿态数据整合模块。
为了更好地进行数据采集和处理，上述的惯性姿态测量传感器模块中，姿态测量中央处理器集成内部FLASH参数读取装置、内部参数校准装置、上位机指令读取装置、定时器、信号采集与滤波处理装置、数据融合与姿态解算装置、USART通信接口，内部FLASH参数读取装置依次连接着内部参数校准装置、定时器、信号采集与滤波处理装置、数据融合与姿态解算装置、USART通信接口，USART通信接口之后的上位机指令读取装置接入内部参数校准装置，三轴磁场传感器、六轴加速度与角速度传感器均接入姿态测量中央处理器的信号采集与滤波处理装置。其中姿态解算最好采用惯性捷联姿态解算，滤波处理最好采用卡尔曼滤波算法。
为了传输数据，上述的三轴磁场传感器、六轴加速度与角速度传感器均连接姿态测量中央处理器的A/D转换接口。
上述的主控模块中，网络节点数据集合以及节点数据处理模块之后连接节点数据融合模块，人体姿态数据整合模块分别与节点数据融合模块、运动状态数据传输协议模块双向连接，运动状态数据传输协议模块与无线数据传输模块1双向连接。
本发明中，上位机中与主控模块无线数据传输模块1无线双向连接的无线数据传输模块2双向连接运动状态数据解释模块，运动状态数据解释模块与上位机管理***双向连接。
进一步，为了使本发明的运动姿态捕捉***更好地工作，获得更加逼真流畅准确的三维效果，本发明的上位机管理***设置上位机管理***主界面及分别与之链接的：
关键部位安装位置设定子***；
传感器校准子***；
传感器灵敏度设置子***；
运动姿态数据记录子***；
虚拟人物动作展示子***。
本发明中，惯性姿态测量传感器模块主要放置在人体的主要关键部位：在人体的左踝、右踝、左膝、右膝、左手腕、右手腕、左肘、右肘、颈部和腰关节处。惯性姿态传感器模块（主要是各个传感器）的放置方向可以根据实际的接线方式，可以进行不同的放置，但是需要在在网络节点数据集合以及节点数据处理中设置，否则在运动过程中将会出现一些错误的动作。
网络节点数据集合以及节点数据处理模块接收各个惯性姿态测量传感器模块的数据，将各个传感器的安装方向进行设置，校准各个传感器模块的输出是否正确，并进行节点数据处理，标注每一个关键部位传感器模块的数据，以便节点数据融合。
电源管理模块至关重要，电源的稳定性直接关系到传感器数据的正确性，如果电源的输出文波太大，直接影响了整个运动状态捕捉***的稳定工作，本电源管理模块采用16V锂电池供电，锂电池的容量为4000毫安时，设置了开关电源电路设计，保证了转换精度和实时性。
人体姿态数据整合模块把各个节点的数据，根据人体的运动方式，计算出各个关节的主要运动方向、速度和方式，并建立立体空间XYZ三维坐标***，随着人体的运动而产生相应的运动方式和路线。同时也对人体各个主要关键部位放置的惯性姿态测量传感器模块的原始数据和融合后的数据进行比对，确定三个轴向数据的正确性。
节点数据融合模块：标注了节点的传感器数据由于是惯性器件，存在一些噪声，那些在节点数据融合中，需要用软件滤波将所采集到的数据进行处理的方式，本过程就是利用卡尔曼滤波将采集到信号中的干扰信号和杂音进行过滤，并且将失真的信号还原，得到符合人体姿态测量要求的信号。
运动状态数据传输协议模块是把人体运动姿态数据整合的数据进行编码，编码的格式是十六进制格式，在运动状态数据传输之前加上数据指令头，标注指令传输长度，中间就是运动状态数据，最后有数据校验和数据传输结束标注。采用这个格式可以保证传输的无误性和实时性。
无线数据传输模块1采用一个现有的无线数据传输模块，具有发送和接收功能，该模块采用XBee-PRO 900HP，设置了一块XBEE-PRO 900HP的底板，底板也包含了电源稳压模块，数据收发过程中，为了防止处理器（CPU）对该模块产生数据干扰，专门设置了一个射极跟随器，从而隔离了处理器与无线数据传输模块的串扰。
无线数据传输模块2与无线数据传输模块1一样。
运动状态数据解释模块根据传输的协议格式，解释每一个字段的具体含义，校验数据的正确性，如果校验后准确，则把人体各个主要关节的十六进制数据并转化成ASCII码。
上位机管理***把人体的主要关节ASCII码数据，虚拟重构到上位机的人物上，并实时展示出运动的状态。同时，设置传感器灵敏度、发出关键部位安装位置设定以及传感器校准的指令，并记录运动姿态数据。
本发明的***的工作过程是：
1、开机，运行上位机管理***及相关程序；
2、分别将惯性姿态测量传感器模块安放在表演者身体上的各个关键部位，如
在人体的左踝、右踝、左膝、右膝、左手腕、右手腕、左肘、右肘、颈部和腰关节处，再将主控模块安装在演员身体的背部中心；
3、分别用USART双向通信电缆将各惯性姿态测量传感器模块与主控模块相连，然后开启主控模块与上位机的无线连接；
4、表演者身体立正，全部打开运动姿态捕捉***的电源，运动姿态捕捉***开始初始化，***的指示灯开始闪烁，上位机会源源不断地接收到表演者动作姿态的数据并保存下来，同时，虚拟人物动作展示子***就会显示模拟的运动。
本发明的积极效果是：
1、本发明采用了ARM处理器技术实现数据采集，保证了数据采集、数据融合准确性和实时性；
2、该***集成三轴磁场传感器和六轴加速度与角速度的传感器，使用惯性捷联姿态解算，结合卡尔曼数字滤波和数据融合算法，能实现准确的三维立体测量，提供高精度姿态；
3、该***采用60Hz数据的刷新速率，大幅地提高了动画的流畅性和逼真性；
4、该***能自动修正所采集的数据，具有较强的纠错能力，保证长时间运行测量结果准确，保证了动作姿态数据的准确性和实时性。
附图说明
图1是本发明的运动状态捕捉***硬件结构示意图；
图2是惯性姿态测量传感器模块结构示意图；
图3为上位机管理***框图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，惯性姿态测量传感器模块通过USART通信电缆与主控模块双向连接，主控模块与上位机无线双向连接，电源管理模块分别连接惯性姿态测量传感器模块和主控模块。
惯性姿态测量传感器模块通过USART通信电缆连接主控模块中的网络节点数据集合以及节点数据处理模块和人体姿态数据整合模块。
见图2。惯性姿态测量传感器模块中，姿态测量中央处理器集成内部FLASH参数读取装置、内部参数校准装置、上位机指令读取装置、定时器、信号采集与滤波处理装置、数据融合与姿态解算装置、USART通信接口（双向），内部FLASH参数读取装置依次连接着内部参数校准装置、定时器、信号采集与滤波处理装置、数据融合与姿态解算装置、USART通信接口，USART通信接口之后的上位机指令读取装置接入内部参数校准装置，三轴磁场传感器、六轴加速度与角速度传感器均接入姿态测量中央处理器的信号采集与滤波处理装置。其中姿态解算采用惯性捷联姿态解算，滤波处理采用卡尔曼滤波算法。
三轴磁场传感器、六轴加速度与角速度传感器均连接姿态测量中央处理器的A/D转换接口。
网络节点数据集合以及节点数据处理模块之后连接节点数据融合模块，人体姿态数据整合模块分别与节点数据融合模块、运动状态数据传输协议模块双向连接，运动状态数据传输协议模块与无线数据传输模块1双向连接。
上位机中与主控模块无线数据传输模块1无线双向连接的无线数据传输模块2双向连接运动状态数据解释模块，运动状态数据解释模块与上位机管理***双向连接。
见图3。上位机管理***设置上位机管理***主界面及分别与之链接的如下五个子***：
关键部位安装位置设定子***——设定设定传感器的安装位置和方向;
传感器校准子***——包括三轴磁场校准和六轴加速度与角速度传感器（三轴加速度计校准、三轴陀螺仪校准）；
传感器灵敏度设置子***——包括三轴磁场灵敏度设置和六轴加速度与角速度传感器（三轴加速度计灵敏度设置、三轴陀螺仪灵敏度设置）；
运动姿态数据记录子***——存入硬盘；
虚拟人物动作展示子***。
本发明中，惯性姿态测量传感器模块的工作流程包括如下步骤：
1) 开始，姿态测量中央处理器上电开始工作，启动看门狗复位***；
2) ***准备，内部参数校准参数读取；
3) 读取上位机发出的陀螺初始化、磁场校准的指令，以便于对各个传感器进行校准；
4) 读取内部FLASH校准参数，采用出厂时默认参数值进行姿态计算；
5) 开启定时器中断，启动ARM处理器内部的***中断，进行内部数据融合，姿态计算等工作；
6) 信号采集以及滤波算法，根据各个传感器数据的输出特性，采用卡尔曼滤波技术进行滤波；
7) 数据融合与姿态解算，对六轴加速度与角速度的传感器，三轴磁场传感器采用四元素法求解姿态角；
8) 将姿态角数据通过USART通信接口传送到主控模块。
本发明的电源管理模块采用16V锂电池供电，锂电池的容量为4000毫安时，设置了开关电源电路。
运动状态数据传输协议模块把人体运动姿态数据整合的数据进行编码，编码的格式是十六进制格式，在运动状态数据传输之前加上数据指令头，标注指令传输长度，中间就是运动状态数据，最后有数据校验和数据传输结束标注。采用这个格式可以保证传输的无误性和实时性。
无线数据传输模块1采用一个现有的无线数据传输模块，具有发送和接收功能，该模块采用XBee-PRO 900HP，设置了一块XBEE-PRO 900HP的底板，底板也包含了电源稳压模块，数据收发过程中，为了防止处理器（CPU）对该模块产生数据干扰，专门设置了一个射极跟随器，从而隔离了处理器与无线数据传输模块的串扰。
无线数据传输模块2与无线数据传输模块1一样。
运动状态数据解释模块根据传输的协议格式，解释每一个字段的具体含义，校验数据的正确性，校验准确后，则把人体各个主要关节的十六进制数据并转化成ASCII码。
上位机管理***把人体的主要关节ASCII码数据，虚拟重构到上位机的人物上，并实时展示出运动的状态。
该***采用60Hz数据的刷新速率。
本发明研究实验结果表明：同时对相同仿真步长条件下，应用以上方法在高动态角运动环境下的解算精度高，由圆锥运动引起的俯仰角算法漂移误差也得到了有效抑制。用最优估计理论的数据处理方法和卡尔曼滤波器对速度信息进行融合，保证了测量精度的精准性和实时性。并且采用线性卡尔曼滤波器为惯导***误差提供最小方差估计，然后利用这些误差的估计值去修正姿态控制***。
Claims (8)
1.运动姿态捕捉***，包括多个测量运动姿态的传感器和用于处理姿态数据的上位机，其特征在于：惯性姿态测量传感器模块通过USART通信电缆与主控模块双向连接，主控模块与上位机无线双向连接，电源管理模块分别连接惯性姿态测量传感器模块和主控模块。
2.根据权利1所述的动作捕捉***，其特征在于：惯性姿态测量传感器模块通过USART通信电缆连接主控模块中的网络节点数据集合以及节点数据处理模块和人体姿态数据整合模块。
3.根据权利1所述的动作捕捉***，其特征在于：惯性姿态测量传感器模块中，姿态测量中央处理器集成内部FLASH参数读取装置、内部参数校准装置、上位机指令读取装置、定时器、信号采集与滤波处理装置、数据融合与姿态解算装置、USART双向通信接口，内部FLASH参数读取装置依次连接着内部参数校准装置、定时器、信号采集与滤波处理装置、数据融合与姿态解算装置、USART双向通信接口，USART双向通信接口之后的上位机指令读取装置接入内部参数校准装置，三轴磁场传感器、六轴加速度与角速度传感器均接入姿态测量中央处理器的信号采集与滤波处理装置。
4.根据权利3所述的动作捕捉***，其特征在于：三轴磁场传感器、六轴加速度与角速度传感器均连接姿态测量中央处理器的A/D转换接口。
5.根据权利3所述的动作捕捉***，其特征在于：所述姿态解算采用惯性捷联姿态解算，所述滤波处理采用卡尔曼滤波算法。
6.根据权利1所述的动作捕捉***，其特征在于：主控模块中，网络节点数据集合以及节点数据处理模块之后连接节点数据融合模块，人体姿态数据整合模块分别与节点数据融合模块、运动状态数据传输协议模块双向连接，运动状态数据传输协议模块与无线数据传输模块1双向连接。
7.根据权利1所述的动作捕捉***，其特征在于：上位机中与主控模块无线数据传输模块1无线双向连接的无线数据传输模块2双向连接运动状态数据解释模块，运动状态数据解释模块与上位机管理***双向连接。
8.根据权利7所述的动作捕捉***，其特征在于：上位机管理***设置上位机管理***主界面及分别与之链接的：
关键部位安装位置设定子***；
传感器校准子***；
传感器灵敏度设置子***；
运动姿态数据记录子***；
虚拟人物动作展示子***。
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| PB01 | Publication | ||
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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Application publication date: 20130605 |