一种动作捕捉设备的制作方法

[0001]
本实用新型涉及虚拟现实技术领域，具体而言，涉及一种动作捕捉设备。


背景技术：

[0002]
现有的光学动作捕捉追踪系统，通常包括两种类型：被动光学类型和主动光学类型。其中，被动光学类型的光学发光装置为反光点，不自行向动捕相机发射光线，仅通过反射外部光线来实现定位和动作捕捉；而主动光学类型的光学发光装置能够主动发射光线，并根据多个光学发光装置之间形成的空间相对位置信息来实现定位和动作捕捉。
[0003]
为了提高动作捕捉的准确度，光学动作捕捉追踪系统通常增加惯性传感器，实时采集被跟踪对象的活动惯性数据。
[0004]
上述光学动作捕捉追踪系统存在以下不足：
[0005]
1、当被跟踪对象为多个人时，所需要的系统较多，每一套系统都要保证多个光学标识点之间形成的结构外形完全不同，这将导致设计具有较大困难，且限制了系统的使用人数。
[0006]
2、以多个光学标识点之间形成的结构外形有区别的方式来区分不同跟踪对象，在跟踪过程中因为菱形和平行四边形等形状接近而更容易出错，鲁棒性差。
[0007]
3、每一套光学动作捕捉追踪系统需设置一个或者几个光学标识点所形成的结构外形，而有些特定的装备上由于尺寸过小难以保证足够的空间位置，所以光学动作捕捉追踪系统难以实现量产。


技术实现要素：

[0008]
本实用新型的目的在于提供一种动作捕捉设备，其有助于解决上述技术问题。
[0009]
本实用新型是这样实现的：
[0010]
一种动作捕捉设备，其包括控制器及多个发光装置；多个所述发光装置用于设置在被跟踪对象的壳体；所述控制器与所述发光装置电连接，用于控制所述发光装置按照设定频率发射设定波段的光线。
[0011]
上述动作捕捉设备的工作原理在于：
[0012]
发光装置能够以一定的编码形式闪烁，目的在于让动捕相机通过连续拍摄图片，以识别动作捕捉设备的id号。每一个动作捕捉设备上面所有的发光装置闪烁方式完全一致，在一个动作捕捉空间内每一个动作捕捉设备拥有唯一的发光装置闪烁编码。当发光装置亮代表编码为1，当发光装置熄灭(不亮)代表编码为0，每个动作捕捉设备设置固定长度的闪烁编码(目前，一般采用22位编码，也可根据实际情况调整闪烁编码的长度)，闪烁编码在动作捕捉设备出厂设置时即已设定，只要动作捕捉设备一开机，与上位机完成连接后，控制器就控制多个发光装置开始闪烁，向外界发送编码，为动捕相机获取闪烁编码提供光线信息。
[0013]
需要说明的是，一个被跟踪对象在移动时，将安装或者穿戴多个动作捕捉设备，保
证被跟踪对象的全部动作能够被动捕相机记录下来。通常，每个使用者将穿戴至少6个动作捕捉设备在身体的关键节点，包括头部、双手、双脚、腰部等。
[0014]
进一步地，所述发光装置为红外光源装置。其技术效果在于：由于红外光源具有四个突出的优点：1、照射间隔远：常规产品照射间隔30～500米，最远可达3000米。2、亮度大：电荷耦合器件对850nm红外光感应比850nm的其他类型光源感应度高出30％。3、产品寿命长：采用独特的激光电源温控技术，激光红外灯内部工作温度处理恒定的工作温度，使得激光红外产品的寿命有极大的保证。常用的激光红外灯产品的实际使用寿命在8000-10000小时。4、产品功耗低：常用的红外灯常规产品的最高功率不超过20w，而本动作捕捉设备在使用中采用小型灯珠，实测功率仅为0.1w，环保节能性更符合我国相关的环保节能政策。故发光装置采用红外光源制作。
[0015]
进一步地，所述发光装置的数量大于或者等于3个。其技术效果在于：出于节能和安装空间节约的要求，发光装置的数量应当越少越好，而为了体现一个部位的形状结构，发光装置应不少于3个。故每一个动作捕捉设备的发光装置数量应采用大于或者等于3个。
[0016]
进一步地，所述发光装置设置有闪烁编码，多个所述发光装置的闪烁编码相同。其技术效果在于：在动捕相机的拍摄过程中，闪烁编码可以得到明显区分。不同动作捕捉设备上的发光装置采用不同的闪烁编码，而一个动作捕捉设备上的多个发光装置采用相同的闪烁编码。所以，动捕相机通过设置了闪烁编码的发光装置能够将不同的动作捕捉设备准确拍摄区别。
[0017]
进一步地，还包括惯性传感器；所述惯性传感器用于设置在被跟踪对象的壳体中，所述惯性传感器与所述控制器电连接。其技术效果在于：惯性传感器的惯性动作捕捉效果，作为光学动作捕捉的辅助手段，能够捕捉光学动捕无法准确实时还原的例如下蹲、拥抱、扭打等人体动作。
[0018]
进一步地，所述惯性传感器包括加速计和陀螺仪。
[0019]
进一步地，所述惯性传感器还包括磁力计。
[0020]
其技术效果在于：加速计用来检测传感器受到的加速度的大小和方向，它通过测量组件在某个轴向的受力情况来得到结果，表现形式为轴向的加速度大小和方向(x轴y轴和z轴)，但用来测量设备相对于地面的摆放姿势，则精确度不高，该缺陷可以通过陀螺仪得到补偿。陀螺仪的工作原理是通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角，并计算角速度，通过夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态。它的强项在于测量设备自身的旋转运动，但不能确定设备的方位。故惯性传感器优选采用加速计和陀螺仪的组合。另外，磁力计的强项在于定位设备的方位，可以测量出当前设备与东南西北四个方向上的夹角。所以，惯性传感器还可以根据需要决定是否补充磁力计。
[0021]
进一步地，还包括通信模块；所述通信模块与所述控制器电连接。其技术效果在于：通信模块用于实现动作捕捉设备与上位机、同步器的通讯，一方面通过通信模块将惯性数据传输至上位机，并接受上位机的管理，另一方面通过接收同步器发射的同步信号实现自身与系统的时间同步。
[0022]
进一步地，还包括电源模块；所述电源模块与所述控制器电连接。其技术效果在于：电源模块为整套设备提供能源供应。其中，电源模块应包括电源控制模块和电池模块；其中电池模块可选择普通蓄电电池，也可以采用可充电电池以及电池充电模块。电源模块
保证了动作捕捉设备的足够能源供给以及移动使用的便利性。
[0023]
上述动作捕捉设备的动作捕捉方法，包括以下步骤：
[0024]
步骤一，所述控制器控制多个所述发光装置按照设定频率发射设定波段的光线；
[0025]
步骤二，动作捕捉相机拍摄多个所述发光装置的光线信息，以获取被跟踪对象的活动状况。
[0026]
上述动作捕捉设备的另一种动作捕捉方法，包括以下步骤：
[0027]
第一步，所述控制器通过所述通信模块接收来自上位机的管理信息，并控制所述通信模块向上位机发送应答信息；
[0028]
第二步，所述控制器通过所述通信模块接收来自同步器的时间同步信息，并将自身的时间调整为与同步器的时间同步；
[0029]
第三步，所述控制器控制多个所述发光装置按照设定频率发射设定波段的光线；
[0030]
第四步，动作捕捉相机拍摄多个所述发光装置的光线信息，以获取被跟踪对象的活动状况。
[0031]
本实用新型的有益效果是：
[0032]
本实用新型的动作捕捉设备，通过发光装置向外发射频闪光线，配合动捕相机实现人体动作的跟踪，与传统的通过发光装置之间形成的结构外形来区分不同动作捕捉设备相比，仅根据发光装置闪烁编码即可明显区分，与多个发光装置布置为特定形状相比，设计更简单、辨别的误差更小、适应性更强。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0034]
图1为本实用新型提供的动作捕捉设备的结构示意图；
[0035]
图2为本实用新型提供的动作捕捉设备在人体上的安装布局示意图；
[0036]
图3为本实用新型提供的动作捕捉设备中发光装置在一个闪烁编码长度内的曝光状况示意图；
[0037]
图4为本实用新型提供的动作捕捉设备的动作捕捉方法流程图。
[0038]
图中：100-控制器；200-发光装置；300-惯性传感器；400-通信模块；500-电源模块。
具体实施方式
[0039]
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在附图中描述和标注的本实用新型实施例的组件能够以各种不同的配置来布置和设计。
[0040]
因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的
实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0041]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0042]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0043]
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
[0044]
在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0045]
下面结合附图，对本实用新型的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0046]
第一实施例：
[0047]
图1为本实用新型提供的动作捕捉设备的结构示意图；图2为本实用新型提供的动作捕捉设备在人体上的安装布局示意图；图3为本实用新型提供的动作捕捉设备中发光装置200在一个闪烁编码长度内的曝光状况示意图。请参照图1～图3，本实施例提供一种动作捕捉设备，其包括控制器100及多个发光装置200；多个发光装置200用于设置在被跟踪对象的壳体；控制器100与发光装置200电连接，用于控制发光装置200按照设定频率发射设定波段的光线。
[0048]
进一步地，发光装置200为红外光源装置。
[0049]
进一步地，如图2所示，发光装置200的数量大于或者等于3个。优选地，3个或者3个以上的发光装置200在安装设置时应呈刚性连接，并且，相互之间的距离应足够大，以便于更精确地拍摄定位和动作捕捉。
[0050]
进一步地，发光装置200设置有闪烁编码，多个发光装置200的闪烁编码相同。
[0051]
上述动作捕捉设备的工作原理如下：
[0052]
发光装置200能够以一定的编码形式闪烁，目的在于让动捕相机通过连续拍摄图片，以识别动作捕捉设备的id号。每一个动作捕捉设备上面所有的发光装置200闪烁方式完全一致，在一个动作捕捉空间内每一个动作捕捉设备拥有唯一的发光装置200闪烁编码。当发光装置200亮代表编码为1，当发光装置200熄灭(不亮)代表编码为0，每个动作捕捉设备设置固定长度的闪烁编码(目前，一般采用22位编码，也可根据实际情况调整闪烁编码的长度)，闪烁编码在动作捕捉设备出厂设置时即已设定，只要动作捕捉设备一开机，与上位机
完成连接后，控制器100就控制多个发光装置200开始闪烁，向外界发送编码，为动捕相机获取闪烁编码提供光线信息。
[0053]
优选地，一个被跟踪对象(或者一个待监控的使用者)在移动时，将安装或者穿戴多个动作捕捉设备，保证被跟踪对象的全部动作能够被动捕相机记录下来。通常，每个使用者将穿戴至少6个动作捕捉设备在身体的关键节点，包括头部、双手、双脚、腰部等。
[0054]
需要强调的是，发光装置200通过点亮和熄灭的变化来发送编码。图4为本实用新型提供的动作捕捉设备的动作捕捉方法流程图。如图4所示，系统中，动作捕捉相机的曝光周期是t1，在曝光周期内曝光时长为t1，其中t1<t1。发光装置200闪烁一位的周期与曝光周期一致，为t1，若编码长度为l，则发光装置200整个编码周期为t1乘以l。在t1周期内，如果该位编码位0，则发光装置200一直处于熄灭(不亮)的状态；如果该位编码位是1，则发光装置200点亮时长为t2，其中t2<t1，且通过时钟同步保证整个t2完全在t1覆盖范围内。画图举例说明：
[0055]
第二实施例：
[0056]
如图1～图3所示，本实施例提供一种动作捕捉设备，其与第一实施例的动作捕捉设备大致相同，二者的区别在于本实施例的动作捕捉设备还设置有惯性传感器300；惯性传感器300用于设置在被跟踪对象的壳体中，惯性传感器300与控制器100电连接。
[0057]
进一步地，惯性传感器300包括加速计、陀螺仪和磁力计中的至少一种。
[0058]
此时，动作捕捉设备表面存在红外发光装置200，用于通过红外动捕相机获取光学数据，设备内的惯性传感器300用于获取惯性数据，整个动作捕捉设备将光学数据与惯性数据融合，获取设备在空间中的位姿信息，再通过人体穿戴的所有光学惯性混合动捕设备的位姿信息解算人体的动作数据，从而实现动作捕捉。
[0059]
特殊地，惯性数据上传方式采用基于2.4g频段的无线通信方式，由动作捕捉设备向上位机发送惯性数据。所发送的惯性数据可以是惯性传感器300输出的原始惯性数据，也可以是经过动作捕捉设备的控制器100处理过的数据。
[0060]
第三实施例：
[0061]
如图1～图3所示，本实施例提供一种动作捕捉设备，其与第一实施例或者第二实施例的动作捕捉设备大致相同，二者的区别在于本实施例的动作捕捉设备还设置有通信模块400；通信模块400与控制器100电连接。
[0062]
其中，通信模块400用于实现动作捕捉设备与上位机、同步器的通讯，一方面通过通信模块400将惯性数据传输至上位机，并接受上位机的管理，另一方面通过接收同步器发射的同步信号实现自身与系统的时间同步。
[0063]
需要说明的是，动作捕捉设备在正常工作中通过通信模块400能够不断接收到上位机传送来的心跳信息。若超过一定时间间隔没有接受到心跳信息，则表明通信模块400与上位机脱离通信，通信模块400将进入休眠状态，以减小功耗。
[0064]
特别地，上述时间同步通信方式采用基于mac层iee802.15.4协议的无线通信方式。时间同步信息传输为单向传输，由系统同步器发送同步信号给动作捕捉设备，动作捕捉设备的通信模块400接收到同步信号后输送到控制器100进行自身的时钟调整，从而保持自身与系统的时间同步。
[0065]
第四实施例：
[0066]
如图1～图3所示，本实施例提供一种动作捕捉设备，其与第一实施例、第二实施例或者第三实施例的动作捕捉设备大致相同，二者的区别在于本实施例的动作捕捉设备还设置有电源模块500；电源模块500与控制器100电连接。电源模块500为整套设备提供能源供应。其中，电源模块500应包括电源控制模块和电池模块；其中电池模块可选择普通蓄电电池，也可以采用可充电电池以及电池充电模块。电源模块500保证了动作捕捉设备的足够能源供给以及移动使用的便利性。
[0067]
如图4所示，本实施例的动作捕捉设备的一种使用方法包括以下步骤：
[0068]
步骤一，控制器100控制多个发光装置200按照设定频率发射设定波段的光线。
[0069]
步骤二，动作捕捉相机拍摄多个发光装置200的光线信息，以获取被跟踪对象的活动状况。
[0070]
如图4所示，本实施例的动作捕捉设备的另一种使用方法包括以下步骤：
[0071]
第一步，控制器100通过通信模块400接收来自上位机的管理信息，并控制通信模块400向上位机发送应答信息；
[0072]
第二步，控制器100通过通信模块400接收来自同步器的时间同步信息，并将自身的时间调整为与同步器的时间同步；
[0073]
第三步，控制器100控制多个发光装置200按照设定频率发射设定波段的光线；
[0074]
第四步，动作捕捉相机拍摄多个发光装置200的光线信息，以获取被跟踪对象的活动状况。
[0075]
可选地，在上述步骤中，通信模块400也可以同时向上位机发送惯性数据。所发送的惯性数据可以是惯性传感器300输出的原始惯性数据，也可以是经过动作捕捉设备的控制器100处理过的数据。其意义在于：光学跟踪和惯性跟踪融合的动作捕捉既可避免单纯光学方案中的遮挡问题，又可避免惯性方案无法长时间精准定位的问题，在充分发挥惯性方案高帧率、低延时，充分发挥光学方案高精度的同时，提高了定位鲁棒性；另一方面系统不完全依赖于光学定位，相比于单纯的光学定位技术，单位面积需要安装的相机数量要求降低，从而降低系统成本。因此，光学惯性传感器融合技术的应用实现了低成本(成本降低到1/10)、高实时性(延时降低10倍)、高精度的虚拟现实多人动作捕捉。
[0076]
以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。