专利名称：基于骨架模型的姿态测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种虚拟现实行业中使用的姿态采集输入设备，更具体地来说属于一种基于骨架模型的姿态测量装置。
背景技术：
姿态采集特别是人体的姿态采集已经有越来越广泛的应用，姿态采集设备有广泛的使用需求。已有的姿态采集设备，多采用以下几种方法或装置1，使用有机械连接的角度传感器测量作为被测目标的目标物的位置。如机械式的虚拟现实输入手套。利用该手套的五个手指均连接有多个角度传感器，将人手的动作状态输入到计算机。这种输入多用于远程机械手控制、虚拟显示仿真、人手仿生学研究，还有三维动画制作过程中的人手姿态测量。也可在人体躯干、四肢和头部安装类似的角度传感器，以输入整个人体的姿态。其缺点是由于有机械连接，无法使被测姿态的人或物自由运动，测量角度和精度均受限制，且被测目标的人感觉非常不舒服。
2，光球摄像法姿态采集。这种方法是将作为被测目标的人体身着全黑色紧身服装，身体的各个关节和关键点绑定若干对特定波长光线有强烈反射作用的光球，以采集人体状态。使用时人体在黑色不反光的幕布前做出各种需要测量的动作，并用前述的特定波长的灯光照射被测人体，有若干台带有该特定波长滤色片的摄像机从多个角度对目标进行摄像。由多个摄像机摄到的图像经过高速计算机进行三维重构，得出被测目标的运动姿态。这种方法广为使用，特别是电影特技拍摄、人体运动姿态采集、互动娱乐角色建模等方面运用最为广泛。其好处是对于快速的运动相应较好，但是设备昂贵，因为要进行大量三维图像处理。如果要实时采集姿态，那对于处理设备的计算能力要求则更高，多采用大型图形工作站等进行处理。
3，三维激光线扫描摄影建模。利用两只或多只激光线立体扫描器，通过测距的方法得到被测目标的轮廓模型，进而将多个方向的轮廓模型用计算机进行组合，成为一个静态三维模型，而以随时间的多个三维模型经过插值，得到被测目标的姿态变化。其缺点是不能测量高速运动的目标。
以上设备皆限于复杂、费用高，或使用不方便，难以普及推广。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种实时、便捷、廉价的将被测目标的姿态输入至计算机中的姿态测量装置及其方法——基于骨架模型的姿态测量装置，以弥补已有技术的不足。
为了便于理解和实施，下面介绍一下本实用新型包括关键部件在内的原理。专门采用的传感器组由固定在基板上的加速度传感器和磁阻传感器组成。近几年发展起来传感器技术为姿态采集提供了所需的加速度传感器，这种传感器多用于震动监测和角度测量。该传感器可以测量自身的加速度，在静态时测量的是自身的重力加速度与测量轴的角度余弦值。可以使用三只单轴加速度传感器组成三轴加速度传感器。本实用新型采用的另一种传感器是微型磁阻测量传感器，这种传感器芯片采用多轴磁玻莫合金电桥，通过测量电桥偏差来确定磁场的方向和强度，以测量以地磁为基准的方位角。市售的一种以该传感器为主体组成三维磁阻混合电路模块内还包括温度、磁偏差补偿和基准电压，使用其测量地磁方向非常方便。其中加速度传感器输出的电压值是与加速度成正比的，如果传感器静止时，其输出就是传感器测量方向与重力加速度的夹角余弦值乘以施加在传感器上的电源电压的1/2。传感器组中的加速度传感器使用至少三个传感器，其空间位置为三个轴互为正交，以便在任何姿态都可以得到仰角数据；磁阻传感器的输出值是传感器与正磁北方向的夹角余弦值乘以施加在传感器上的电源电压的1/2。磁阻传感器也使用至少三个传感器，其空间位置为三个轴也互为正交，以便在任何姿态都可以得到方位角数据。确定仰角和方位角后，即确定了传感器组的姿态，即可反映出与其刚性连接的被测目标的姿态。这些传感器的各x、y、z轴的输出信号皆被A/D转换电路转换为数字量，并通过现场总线传输至计算机。将传感器组固定于被测目标的各可活动单元上，就可测得被测目标的姿态数据，最后由含有软件程序的计算机进行处理，即得到被测目标的姿态，并显示和存储。在某些特殊情况下，如被测目标的姿态变化只有两个自由度，则上述的传感器组中的加速度传感器和磁阻传感器可由少于三个的传感器所构成。
姿态测量的第一步工作是按照被测目标的骨骼运动特点，在计算机中建立被测目标的骨架模型。骨架模型的建立方法在人体医学和人类仿生学方面已经有长期的应用。以人的姿态测量为例，可以建立以躯干为基准活动单元的人体骨架模型。其它直接连于躯干的肢体作为基准的子模块，同时也作为更下一级肢体的父模块。父子模块之间只能以关节为零点的极坐标方式运动而不能脱离关节。测量时将上述传感器组刚性固定于被测目标的可活动单元上进行测量。也只有运用骨架模型才可将测量姿态需要确定的9个自由度缩减为3个自由度，以降低姿态测量的复杂程度。
因此，本实用新型包括固定在被测目标的可活动单元上的至少一个传感器组，各传感器组的输出信号由电缆分别连接到含有A/D转换电路的转换传输电路并被转换为数字信号，再经过有线或无线的数据传输总线传输至运行有软件程序的计算机而显示和存储，并由电源供电。
基于骨架模型的本实用新型的姿态测量方法为首先在计算机中建立以被测目标的各活动单元为特征的骨架模型，再将传感器组固定于被测目标的各活动单元上，然后将计算机测量的各传感器组的输出值，转化为可活动单元的姿态矢量和运动矢量，最后将其运用至已建好的骨架模型上，并显示、存储。
上述传感器组由固定在基板上的至少两个呈正交排列的加速度传感器和至少两个呈正交排列的磁阻传感器组成，两种传感器可以并排或叠加固定在基板上。
基于骨架模型的本实用新型可以实时的将采集的被测目标的姿态数据输入至计算机中，用于虚拟现实、运动员姿态研究、电影替身动作采集、互动娱乐程序主角的动作采集，也可用于动物以及非磁性物体的状态采集。由于本实用新型直接测量被测目标的姿态向量，而不是原有技术使用实时视频处理，所以本实用新型中不需要昂贵的高性能计算机，只要普通PC计算机即可。本实用新型运用被测目标的骨架模型，使传感器的数量和复杂程度有较大降低，更适合本装置的普及。
以下结合附图对本实用新型做进一步说明。
图1，本实用新型的总体结构示意图图2，本实用新型的软件流程图图3，本实用新型的姿态测量的立体示意图图4，本实用新型的仰角测量示意图图5，本实用新型的方位角测量示意图图6，本实用新型的模块化的电路原理图图7，本实用新型的另一种转换传输电路的模块化的原理图图8，本实用新型的传感器组结构示意图其中，1，被测目标 2，传感器组 3，电缆 4，A/D转换电路 5，电源 6，数据传输总线 7，接口卡 8，计算机 9，显示器 10，基板 11，加速度传感器 12，磁阻传感器 13，模型左上臂 14，多路模拟开关 15，转换传输电路 16，手持物具体实施方式
本实用新型包括固定在被测目标1的可活动单元上的至少一个传感器组2，各传感器组2的输出信号由电缆3分别连接到含有A/D转换电路4的转换传输电路15并被转换为数字信号，再经过有线或无线的数据传输总线6传输至运行有软件程序的计算机8而显示和存储，并由电源5供电。
基于骨架模型的本实用新型的姿态测量方法为首先在计算机8中建立以被测目标1的各活动单元为特征的骨架模型，再将传感器组2固定于被测目标1的各活动单元上，然后将计算机8测量的各传感器组2的输出值，转化为可活动单元的姿态矢量和运动矢量，最后将其运用至已建好的骨架模型上，并显示、存储。
上述传感器组2由固定在基板10上的三个呈正交排列的加速度传感器11和三个呈正交排列的磁阻传感器12组成，两种传感器可以并排或叠加固定在基板10上。
本实用新型的被测目标1可以是人或动物以及非磁性的物体。图1中的被测目标1以人体为例进行说明。被测目标1是由若干块可活动单元组成的人体模型，以其中心如躯干部分作为基准活动单元，其他均作为其子模块按照一定的连接方式连接到基准单元上。例如，头部在颈椎位置连接到躯干上，头部只能以颈椎部分的连接点按极坐标运动，或以连接点为轴旋转运动，以便唯一地确定头部相对于躯干的相对空间关系。被测目标建立模型后的每一个活动单元均固定至少一个传感器组2，传感器组2内包含有固定于基板10上的一个互为正交排列的三轴加速度传感器和一个互为正交排列的三轴磁阻传感器，特殊情况下，传感器组2中所含的传感器也可以少于三轴。传感器组2的输出端经过电缆3连接到内含有A/D转换电路转换传输电路15上，将模拟信号转换为数字信号。所有的传感器组2都有电缆3连接(图1中只画出五条)，通常状况下，每条电缆3都有六条数据传输通路(如图6、图7)。数据经过转换传输电路15传输至计算机8。数据传输至计算机8后，最终通过在计算机中的测量软件计算、显示、储存被测目标的姿态和运动。整个采集设备由电源5供电。作为有线的数据传输方式可以使用RS-232串行接口，可以使用RS-485串行接口，也可以使用DeviceNet等现场工业现场总线，或者是以太网总线，作为无线的传输方式可以是无线RS-232串行接口、蓝牙接口、红外接口，甚至可以使用无线网络接口。这些接口均有成熟的工业模块可以直接应用。
如图8，传感器组2是在基板10上固定有加速度传感器11和磁阻传感器12，该加速度传感器11是正交的三轴加速度传感器，磁阻传感器12是正交的三轴磁阻传感器，其三个轴分别是x1、y1、z1和x2、y2z2。此传感器组2使用绑扎带等方法固定在被测目标上。
图3图4图5是以一个活动单元为例，来说明姿态的测量原理。图中以人体骨架模型左上臂13为例来说明。图3中的骨架模型左上臂13的放大图的图4表示加速度传感器的测量原理。静态或匀速直线运动时，三个轴x1、y1、z1的矢量和即是重力加速度G。骨架模型左上臂13的放大图的图5表示磁阻传感器的测量原理，x2、y2、z2三个轴的矢量和即是北方的方向N。这两个方向应用于骨架模型左上臂13，通过极坐标确定了其仰角与方位角。为清楚起见，在此分为图4、图5两个图表述，实际上这两种传感器被成对的固定在同一个传感器组2中。
本实用新型的模块化的电路原理实施例如图6和图7所示。测量电路由三大部分组成，即传感器组2及与其电路连接的转换传输电路15和相连接的计算机8。传感器组2的输出信号被连接到转换传输电路15，其作用是将传感器的信号转换、采集、传送，最终传入到计算机中，可以有多种的电路结构形式，图6所示的转换传输电路15有与传感器组2相应的多个A/D转换电路4，各A/D转换电路4均连接至数据传输总线6上而与接口卡7相连，接口卡7将数据输出至计算机8中，如图6中虚线框所示。
数据传输信号的流向是图6中的转换传输电路15将传感器组2的加速度传感器11和磁阻传感器12的输出信号输入至各A/D转换电路4转换为数字信号，并通过数据传输总线6传输至计算机8。数据传输总线6可以是有线连接的总线，例如RS485、CAN总线、以太网总线，也可以是无连线的总线，例如蓝牙接口、红外接口，甚至可以使用无线网络。其中每个A/D转换电路4都有特定的地址，以不至于混淆。数据传输总线6的另一端连接于计算机8，A/D转换电路的测量结果被传输至计算机8。
转换传输电路15还可包含有一个多路模拟开关14和一个与其相连的A/D转换电路4，经由A/D转换电路4将数据输出至计算机8中。这种电路更简单，即将所有传感器组的输出信号连接到多路模拟开关14中，该多路模拟开关14由多个单刀多掷模拟开关组成，这些开关的片选信号和选择输入的地址线由时钟信号分频并协同计数器和译码器组合逻辑得到。随着时钟信号将所有的传感器输出轮流被连接到A/D转换电路4的输入端。这样，所有的状态信息被输入到计算机进行处理。上述的单刀多掷模拟开关、计数器和译码器均可采用市售标准型号。
如图2，本实用新型的软件流程如下首先按照被测目标的骨骼运动特点，在计算机中建立被测目标的骨架模型，软件程序通过硬件的驱动程序接口读取加速度传感器和磁阻传感器的测量值，并将此值转换为加速度矢量和方位角矢量。然后将加速度矢量和重力加速度矢量相减，可得被测目标的运动加速度。显然其时间积分值即为被测目标的运动速度，所得的速度值叠加父模块的姿态矢量和运动矢量，即可以计算出被测目标各单元的姿态和运动状态。最后，软件将所有被测目标的姿态应用到已经建立好的以被测目标的各活动单元为特征的骨架模型上，即可实时显示姿态并保存目标的姿态和运动速度。整套软件进行运算时可以采用矩阵运算来简化骨架运动模型，并且可以利用矩阵矢量存储位置信息。存储的数据可以被软件转换为3D MAX等应用软件可以识别的骨架动作信息文件。骨架模型的建立以及矩阵运算均可采用现有技术。
具体测量具体步骤如下首先将传感器组固定于被测目标的头部、胳膊、腿、脚等可活动单元上，躯干和髋骨部分采用有弹性的马甲和短裤固定传感器组。另外，对于被测目标手中所拿的各种手持物如刀剑、棍棒、球拍等作为骨架模型的延伸也固定一只传感器组，甚至在服饰上也可固定传感器组，以便将作为骨架模型延伸的其他物件的姿态和动作也做记录。然后使用计算机通过转换传输电路连续采集各传感器组的输出值，软件将这些值换算为被侧目标的各活动单元的仰角和方位角，并且传感器测量的加速度值的矢量和与重力加速度矢量之差以及方位角的变化率可以换算出被测目标各单元的运动速度。最后计算机将这些角度和速度运用到在计算机软件种预先设置好的骨架模型，并显示和储存被测目标的姿态和运动状态。
权利要求1.基于骨架模型的姿态测量装置，其特征在于由含有软件程序的计算机(8)和相应的测量电路组成，其中测量电路包括固定在被测目标(1)的可活动单元上的至少一个传感器组(2)，各传感器组(2)的输出信号由电缆(3)分别连接到含有A/D转换电路(4)的转换传输电路(15)并被转换为数字信号，再经过有线或无线的数据传输总线(6)传输至运行有软件程序的计算机(8)而显示和存储，并由电源(5)供电。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述传感器组(2)由固定在基板(10)上的至少两个加速度传感器(11)和至少两个磁阻传感器(12)组成，两种传感器并排或叠加固定在基板(10)上。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述的传感器组(2)中的加速度传感器(11)在空间上呈正交排列，磁阻传感器(12)在空间上也呈正交排列。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的转换传输电路(15)有与传感器组(2)相应的多个A/D转换电路(4)，各A/D转换电路(4)均连接至数据传输总线(6)上而与接口卡(7)相连，接口卡(7)将数据输出至计算机(8)中。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的转换传输电路(15)含有一个多路模拟开关(14)和一个与其相连的A/D转换电路(4)，经由A/D转换电路(4)将数据输出至计算机(8)中。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的计算机(8)是PC计算机。
专利摘要本实用新型涉及一种基于骨架模型的姿态测量装置和姿态测量方法。包括固定在被测目标的可活动单元上的至少一个传感器组，各传感器组的输出信号由电缆分别连接到含有A/D转换电路的转换传输电路并被转换为数字信号，再经过有线或无线的数据传输总线传输至运行有软件程序的PC计算机而显示和存储。上述的传感器组由呈正交排列的至少两个加速度传感器和至少两个磁阻传感器组成。可用于虚拟现实、运动员姿态研究、电影替身动作采集、互动娱乐程序主角的动作采集，以及动物以及非磁性物体的状态采集。本实用新型巧妙地运用被测目标的骨架模型，实时、便捷、廉价的将被测目标的姿态输入至计算机中，使传感器的数量和费用较低，更适合本装置的普及。
文档编号G01B21/00GK2844845SQ200520110770
公开日2006年12月6日 申请日期2005年6月28日 优先权日2005年6月28日
发明者张凯临, 陈戈 申请人:中国海洋大学