专利名称：运动捕捉方法
技术领域：
本发明涉及一种运动捕捉方法，其中一个或多个标记被设置在对象上的预定位置 处，这些标记的空间位置被采集并数字化，其中该对象的运动借助于随时间变化的数字位 置数据而被记录。
背景技术：
运动捕捉(英语是“Motion Capture")是指这样的方法，该方法使得能够记录 对象的运动，例如甚至人的运动并且将记录的数据数字化，从而可以例如借助于计算机来 分析和存储数字的运动数据。经常地，所记录的数字运动数据被用于将该运动数据转换 (uebertragen)到相应对象的计算机生成的模型上。这种技术目前在制作电影和计算机游 戏的过程中是常见的。数字采集的运动数据例如被用于由计算机支持地计算三维动画图 像。通过运动捕捉，可以借助计算机分析复杂的运动过程，以便以相对较小的成本产生动画 计算机图像。借助运动捕捉可以捕捉极为不同的运动类型，也就是被研究对象的旋转、平移 以及变形。也可以捕捉运动对象中的运动，这些对象例如在人的情况下具有多个关节，这 些关节可以互相独立地运动。总概念“运动捕捉”还包括所谓的“表演捕捉(Performance Capture) ”技术。在这种技术中，不仅捕捉身体运动，还捕捉脸部表情，即人的表情，并借助 计算机分析和进一步处理。在公知的运动捕捉方法中，在相应对象上设置一个或多个标记，这些标记的空间 位置被采集和数字化。这种方法例如在US2006/0192854A1中描述。在该公知方法中使用 对光进行反射的标记。多个专门装备的摄像机从不同方向拍摄该对象的运动。借助软件在 所拍摄的视频图像数据中识别这些标记，然后根据摄像机的不同位置确定这些标记的空间 位置。对象的运动最后借助于这些标记的数字位置数据随时间的变化而计算机支持地被记 录下来。该已知方法的缺点是成本非常高。为了运动捕捉，需要拍摄和分析借助多个摄像 机拍摄的视频数据。缺点还在于，虽然该公知方法使得能够自动在视频图像数据中识别这 些标记，但是不能容易地识别各个标记，也就是说不能自动识别出哪个标记各自在该对象 上的哪个位置处。这种对应似乎必须“手动”进行，以便将这些标记的位置数据与对象上的 相应设置位置相对应。这种对应是适当地分析所记录的运动的前提，例如在将运动数据转 换到对象的计算机生成的三维模型上时。
发明内容
由此，本发明要解决的技术问题是提供一种改进的运动捕捉方法。尤其地，提供一 种使得能够用很小的成本实现运动捕捉的方法。本发明从开头所述类型的方法出发通过以下方式解决该技术问题，即所述一个或 多个标记分别包括一个发射机应答器，该发射机应答器通过电磁射线而被激活，也就是说 以以下方式，即该发射机应答器发射作为电磁射线的定位信号，其中借助该定位信号采集各个标记的位置。本发明的基本思想在于，使用公知类型的发射机应答器作为用于确定位置和捕捉 运动的标记。RFID标签特别合适于作为标记来捕捉运动。RFID是一种公知的用于无接触地进 行识别和定位的技术。RFID系统由发射机应答器和用于读取发射机应答器标识的读取设备 组成。RFID发射机应答器(也称为RFID标签)通常包括天线以及集成的电子电路，该电路 具有模拟部件和数字部件。模拟部件(收发器)用于接收和发射电磁射线。该数字电路具 有数据存储器，其中能够存储发射机应答器的识别数据。在更为复杂的RFID发射机应答器 中，所述电路的数字部件具有冯诺依曼体系结构(von Neumann-Architekture) 0由读取设 备产生的高频电磁场经由RFID发射机应答器的天线被接收。只要天线位于读取设备的电 磁场中，在该天线中就会出现感应电流，通过该感应电流激活该发射机应答器。这样被激活 的发射机应答器经由所述电磁场接收来自读取设备的指令。该发射机应答器产生包含被读 取设备查询的数据的响应信号。根据本发明，该响应信号是定位信号，借助该定位信号来采 集标记的空间位置。相对于传统的运动捕捉方法，本发明的方法具有以下优点可以完全不需要用多 个摄像机来拍摄视频图像。为了捕捉运动不需要拍摄和处理视频图像数据。为了执行本发 明的方法，只需要用于接收定位信号的接收单元(读取设备)。另一个优点在于，设置在对象上的 多个标记中的每个单个标记能够被单独识别。 由此可以自动地将每个标记的所采集的空间位置与该对象上相应的设置地点对应起来。这 相对于传统方法显著降低了自动处理所记录的数字位置数据的难度。RFID标签尤其适合于作为根据本发明的标记，因为RFID标签具有非常小的结构 尺寸。可使用小型化的RFID发射机应答器，其只有尘粒大小。已知RFID发射机应答器例如 只有0.05X0. 05mm大小。这种发射机应答器以千兆赫兹及以上范围内的非常高的频率工 作。这样小型化的RFID发射机应答器可以毫无问题地被设置在几乎任何要捕捉其运动的 对象上。为了捕捉人的运动，例如可以将很多标记集成在由人穿戴的织物中。还可以想到， 为了捕捉位置和运动，将RFID标签不可见地设置在皮肤表面之下。小型化RFID标签同样非 常适合于上述的表演捕捉技术。这些标记可以设置在人的脸部区域中，以捕捉人的表情。在 使用更大的RFID标签时，该RFID标签能够借助于粘接、附着、吸盘连接等等而可拆卸地设 置在对象上。本发明的极为不同的应用领域还包括医疗技术领域。在介入性放射学的领域 中，可将本发明的方法用于跟踪医疗器械(例如导管、活组织检查探针(Biopsienadel)、内 诊镜等)在诊断成像设备的检查体积中的运动，并且在必要时与诊断图像数据一起显示。 此外，根据本发明，标记可以是用于标记人体内损伤和病变组织的组织标记。最后还可以想 到本发明方法的工业用途，例如在物流领域或在质量保障领域中的用途，以便捕捉和跟踪 特定物体(货物、机器、工具等)的位置，或者以便控制机器或工具在执行工作时的特定运 动过程。对于本发明，合适的是使用无源的发射机应答器作为标记。发射机应答器的电路 的电流供应通过在接收电磁射线过程中在天线内产生的感应电流来实现。无源的发射机应 答器的结构尺寸很小是有利的，因为它们没有自己的起作用的电源，例如电池形式的电源。 发射机应答器为了发射定位信号所需要的能量由电磁射线提供，其中通过该电磁射线激活发射机应答器。根据本发明的用于捕捉位置和运动的系统包括多个位于空间中不同位置的接收 单元，用于接收由对象的标记发送的定位信号；以及与这些接收单元连接的分析单元，用于 根据所接收的定位信号确定标记的位置。标记包括发射机应答器或其它类型的无线电发射 器作为发射作为电磁射线的定位信号的辐射源。接收单元在最简单的情况下是天线，天线 从不同位置接收定位信号。发送单元用于发送电磁射线以激活发射机应答器。发射单元、接 收单元以及分析单元一起构成读取设备，如其在原理上常用于读取RFID标签那样，其中分 析单元被增加以用于确定标记的位置的功能。根据在各接收单元位置处定位信号的场强， 可以推断出发射机应答器与该接收单元之间的距离。如果发射机应答器与位于空间中特定 位置的不同接收单元之间的距离是已知，则由此可以借助分析单元又计算出各个发射机应 答器的准确位置，并由此计算出对象上标记的准确位置。问题是在实践的若干情况下，定位信号的场强可能经受波动，例如因为由对象本 身所导致的信号衰减或者因为来自环境的信号反射。出于该原因，借助场强，即例如借助由 标记的发射机应答器发射的定位信号的电磁射线的幅度来进行位置确定可能并不总能具 有足够的精度。为了解决该问题，可以规定，(附加或单独地)借助定位信号在接收单元位 置处的电磁射线的相位来确定标记的位置。与定位信号的电磁射线的幅度对引起干扰的环 境影响的反应相比，相位对引起干扰的环境影响的反应的灵敏度更小。还可以想到，首先借 助幅度粗略地进行位置确定，通过确定相位来提高准确度。借助相位进行的位置确定还使 得能够实现比借助信号幅度的位置确定更高的准确度。由于电磁射线的周期性，借助相位 的位置确定可能不是单值明确的(eindeutig)。必须要么保持受限的测量体积，在该测量体 积内可以根据相位单值明确地推断出位置，要么必须采取额外的措施。在此可以将信号幅 度的测量与相位的测量组合起来。替换地或附加地，可以对在对象运动期间定位信号在各 接收单元的位置处的过零进行计数，以单值明确地推断出正确的位置。根据本发明的一种有意义的扩展方案可以规定，为了采集该一个或多个标记的位 置，借助至少两个位于不同位置的接收单元接收由相应标记的发射机应答器(或无线电发 射器)发射的定位信号的电磁射线，其中借助于通过这两个接收单元接收的定位信号的相 位差来确定位置。根据从接收单元的不同位置接收的定位信号，可以形成相位差。相位差 的测量相比于绝对相位的测量是有利的，因为由各发射机应答器(或无线电发射器)发射 的定位信号的电磁射线没有确定的绝对相位。此外还可以通过以下方式改善本发明的基于 相位的位置确定，即设置η个接收单元，其中η > 3，η是自然数，并且根据在η个位置处所 接收的定位信号借助相应数量的相位检测器来形成直至η · (η-1)/2个相位差值并由分析 单元处理，这些相位差值分别对应于接收单元对。通过例如5、10或更大数目的分布在空间 中的接收单元，可以通过接收单元的可想到的不同配对来形成相应大数目的相位差值。例 如在空间中分布10个天线的情况下，可以形成45个配对并相应地根据所接收的定位信号 形成多达45个相位差值。这些大量的提供给分析单元的测量值产生了很高的冗余，并且因 此在位置确定中产生了可靠性和精度。优选的，为了测量相位差可以采用市场上常见和便 宜的相位检测器，如其例如在PLL部件中所使用的那样。经常，在这样的PLL部件中已经集 成了信号放大器来放大所接收的信号。合适的是，在借助相位差的位置确定中，将根据所接收的定位信号产生的相位差
7值与(例如存储在分析单元中的)参考相位差值进行比较。可以进行与所存储的参考相位 差值的简单比较，在必要时与内插相结合，所述参考相位差值相应地对应于χ、y和ζ坐标 以确定位置。替换地，可以借助神经网络进行位置确定，其中向该神经网络输入根据所接收 的定位信号产生的相位差值作为输入值。这样，在神经网络的输出端产生空间坐标，根据该 空间坐标给出各标记的瞬时位置。合适的是，事先执行校准测量，其中针对多个预定位置采 集参考相位差值。这些参考相位差值可以简单地与预定位置的空间坐标一起存储在相应的 数据矩阵中。同样，可以基于校准测量来训练所提到的神经网络。有意义的还有，与校准无 关地定期用对象或标记查找预定的参考点。这可用于以规则的间距执行针对坐标原点的调 整。在该位置确定中，可以在必要时非常简单地通过简单的向量相加补偿坐标原点的移动， 而不需要重新进行完整的再校准。为了在确定标记的空间位置时实现尽可能高的精度，有意义的可以是，将发射机 应答器和相应的接收单元设置为使得它们工作在两个或更多不同的频率下。由此可以在确 定位置时实现一种分级的方法来逐渐地提高精度。通过在低频率和相应的大波长时产生定 位信号，首先可以粗略但单值明确地确定位置。然后，为了提高精度，过渡到更高的频率，或 者连续地继续提高定位信号的频率。在确定相位时，为了实现特定的空间分辨率，在更高 的频率的情况下对分辨率的要求更低。在连续提高频率的情况下，确定过零的数量以确定 发射机应答器和接收单元之间的准确距离。为了尽可能准确地确定位置，可以考虑在两个 方向上的频率变化，即频率从低到高或从高到低。依据为了确定位置而必须覆盖的频率范 围，可能需要设置两个或更多天线，这些天线与发射机应答器的电路连接，其中每个天线分 别被分配了一个特定的频率范围。同样可考虑使用分别包括多个单独的发射机应答器的标 记，这些发射机应答器工作在不同的频率下。根据本发明，为了捕捉运动，在必要时在对象上设置多个标记。这些标记的发射机 应答器可以要么是并行地(所谓的批量采集)、要么是在时间上前后相继地被激励以发射 定位信号，以便确定标记的空间位置。
下面借助附图详细解释本发明的实施例。图1示出根据本发明的用于捕捉运动的系统；图2示出根据本发明的借助相位差来捕捉位置和/或运动的系统。
具体实施例方式图1所示的系统用于捕捉运动。其涉及记录人1的运动并对该运动数字化。在人 1的整个身体上分布地设置多个标记2。为了捕捉运动，记录并数字化这些标记2的空间位 置。人1的运动由计算机3借助随时间变化的数字位置数据来记录。计算机3可以分析这 些标记的数字位置数据，例如以便将运动过程转换到三维模型。这种建模可在产生动画计 算机图像的过程中使用。在图中所示的系统中，设置发射电磁射线5的发送单元4。根据本 发明，标记2分别包括一个发射机应答器(在图中未详细示出)。射线5由标记2的发射机 应答器接收。这些发射机应答器由所接收的射线5激励，从而这些发射机应答器发送定位 信号作为高频的电磁射线6。由标记2的发射机应答器发射的定位信号被3个位于空间中特定位置处的接收单元7、8和9接收。接收单元7、8和9与分析单元10连接，该分析单元 借助定位信号的电磁射线6在接收单元7、8和9各自位置处的幅度和相位来确定标记2的 位置。这些位置数据最后以数字形式被提供给计算机3。 在图2所示的实施例中，对象1是医疗器械，例如导管，在该导管的末端设置具有 发射机应答器的标记2。分布在空间中的3个接收单元7、8和9是简单的天线。这些天线 以3个可能的配对与3个相位检测器11连接。在相位检测器11的输出端上的信号，即通 过在天线7、8和9的位置处所接收的定位信号6的相位差确定的信号，被输入分析单元10 以确定标记2的位置。根据本发明，该位置的确定借助通过每两个接收单元7、8和9所接 收的定位信号的相位差来进行。根据从天线7、8和9的不同位置接收的定位信号6，由相位 检测器11形成相位差。利用η个天线可以形成多达η · (η-1)/2个相位差值，这些相位差 值分别对应于天线对。分析单元10借助这些相位差执行位置确定，使得由所接收的定位信 号6产生的相位差值与存储的参考相位差值相比较。由此得到标记2的x、y和ζ坐标。替 换地，位置确定可以借助神经网络进行，其中神经网络由分析单元10来计算。在实际的位 置确定或运动捕捉之前，执行校准测量，其中对标记2的多个预定位置采集参考相位差值。 这些参考相位差值与这些预定位置的空间坐标一起被存储在分析单元10中。同样，可以基 于校准测量来训练所提到的神经网络。有意义的还有，定期地用对象1或标记2来寻找在 空间中固定预定的参考点12。由此可以以规则的间隔来执行对于坐标原点的调整。
权利要求
一种运动捕捉方法，其中至少一个标记(2)被设置在对象(1)上，这些标记的空间位置被采集并数字化，其中该对象(1)的运动借助随时间变化的数字的位置数据来记录，其特征在于，所述至少一个标记(2)包括发射机应答器，该发射机应答器被电磁射线(5)激活，具体是以以下方式该发射机应答器发射定位信号作为电磁射线(6)，借助该定位信号采集该标记(2)的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射机应答器包括集成的电子电路 以及与该电子电路连接的天线，该天线用于接收和发射电磁射线(5，6)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发射机应答器被构造为无源的发射 机应答器，其中所述电子电路的电流供应由在接收电磁射线(5)过程中在天线内产生的感 应电流来进行。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述发射机应答器是RFID标签。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在RFID标签的电子数据存储器中存储关 于对象(1)上的设置地点的数据。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，借助于由所述至少一个标记(2) 的发射机应答器发射的定位信号的电磁射线(6)在接收所述定位信号的接收单元(7，8，9) 的位置处的幅度和/或相位来实现对所述至少一个标记(2)的位置的采集。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，为了采集所述至少一个标记(2) 的位置，借助于至少两个位于不同位置的接收单元(7，8，9)接收由该标记(2)的发射机应 答器发射的定位信号的电磁射线(6)，其中借助于通过两个接收单元(7，8，9)接收的定位 信号的相位差来确定位置。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过η^ 3个位于不同位置的接收单元 (7,8,9)接收所述定位信号，其中η是自然数，并且根据在η个位置处接收的定位信号产生 多达η· (η-1) Λ个相位差值，这些相位差值分别对应于接收单元(7，8，9)对，并且借助这 些相位差值来确定所述至少一个标记(2)的位置。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述位置确定通过以下方式进行，即 根据所接收的定位信号产生的相位差值与参考相位差值进行比较。
10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，借助神经网络进行位置确定，其中向 该神经网络输入根据所接收的定位信号产生的相位差值作为输入值。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，执行校准测量，其中针对所述至少 一个标记(2)的多个预定位置采集参考相位差值。
12.根据权利要求10和11所述的方法，其特征在于，基于在校准测量中作为基础的、预 定的位置和所采集的参考相位差值来训练所述神经网络。
13.根据权利要求1至12之一所述的方法，其特征在于，所述标记(2)的发射机应答器 被设置用于产生两个或更多不同频率的定位信号。
14.根据权利要求1至13之一所述的方法，其特征在于，所述标记(2)的发射机应答器 并行地或者在时间上前后相继地被激励以发射定位信号。
15.根据权利要求1至14之一所述的方法，其特征在于，所述标记(2)能够借助粘接、 附着、吸盘连接等可拆卸地设置在对象(1)上。
16.根据权利要求1至15之一所述的方法，其特征在于，所述标记(2)被集成在由其运动将被采集的人穿戴的织物中。
17.根据权利要求1至16之一所述的方法，其特征在于，所述标记(2)被植入到其运动 将被采集的人的皮肤表面之下。
18.根据权利要求1至17之一所述的方法，其特征在于，所述标记(2)被设置在人的脸 部区域中以捕捉该人的表情。
19.根据权利要求1至18之一所述的方法，其特征在于，所述对象(1)是医疗器械。
20.一种发射机应答器作为设置在对象(1)上的用于采集该对象(1)的位置和/或运 动的标记(2)的应用，该发射机应答器能由电磁射线(5)激活，具体是以以下方式该发射 机应答器发射定位信号作为电磁射线(6)，借助该定位信号能采集该发射机应答器(2)的 位置。
21.根据权利要求20所述的应用，其特征在于，多个标记(2)设置在对象(1)上的预定 位置处。
22.根据权利要求20或21所述的应用，其特征在于，借助由发射机应答器发射的定位 信号(6)的电磁射线在接收所述定位信号(6)的接收单元(7，8，9)的位置处的幅度和/或 相位来采集所述标记(2)的位置。
23.根据权利要求22所述的应用，其特征在于，为了采集至少一个标记(2)的位置，借 助至少两个位于不同位置的接收单元(7，8，9)接收由该标记(2)的发射机应答器发射的定 位信号的电磁射线(6)，其中借助由所述至少两个接收单元(7，8，9)接收的定位信号的相 位差来确定位置。
24.根据权利要求20至23之一所述的应用，其特征在于，所述发射机应答器是RFID标签。
25.根据权利要求20至24之一所述的应用，其特征在于，所述对象(1)是医疗器械。
26.一种用于捕捉位置和/或运动的系统，具有 对象(1)，在该对象上设置至少一个标记(2)；多个位于不同位置处的接收单元(7，8，9)，用于接收由所述标记(2)发射的定位信号；以及与这些接收单元(7，8，9)连接的分析单元(10)，用于根据所接收的定位信号确定所述 标记(2)的位置，其特征在于，该至少一个标记(2)包括发射定位信号作为电磁射线(6)的射线源。
27.根据权利要求26所述的系统，其特征在于，所述射线源是发射机应答器。
28.根据权利要求27所述的系统，其特征在于，所述发射机应答器由发送单元(4)的电 磁射线(5)激活，并从而被激励以发射定位信号。
29.根据权利要求26至28之一所述的系统，其特征在于，所述标记(2)的位置由分析 单元(10)利用电磁射线(6)在至少一个接收单元(7，8，9)位置处的幅度和/或相位来确 定。
30.根据权利要求29所述的系统，其特征在于，借助分析单元(10)利用通过每两个接 收单元(7，8，9)接收的定位信号的相位差来确定位置，为此所述接收单元(7，8，9)经由相 位检测器(11)与分析单元(10)连接。
31.根据权利要求29所述的系统，其特征在于，设置η> 3个接收单元(7，8，9)，其中η是自然数，并且根据在η个位置接收的定位信号由所述相位检测器(11)形成多达 η Vn-DA个相位差值并由分析单元(10)处理，这些相位差值分别对应于接收单元(7，8， 9)对。
全文摘要
本发明涉及一种运动捕捉方法，标记(2)设置在对象(1)上，这些标记的空间位置将被采集并数字化，对象(1)的运动借助随时间变化的数字位置数据由计算机(3)来记录。本发明的任务是改进这样的方法。为此本发明建议，标记(2)分别包括一个发射机应答器，该发射机应答器被电磁射线(5)激活，具体以以下方式该发射机应答器发射定位信号作为电磁射线(6)，借助该定位信号捕捉该标记(2)的位置。
文档编号G01S13/87GK101971052SQ200880125343
公开日2011年2月9日 申请日期2008年12月22日 优先权日2007年12月21日
发明者L·哈斯诺, V·特罗斯肯 申请人:阿梅多智能追踪解决方案有限公司