运动捕捉设备及相关方法

专利名称：运动捕捉设备及相关方法
技术领域：
本发明涉及一种运动捕捉设备及相关的运动捕捉方法。本发明还 涉及一种运动再现设备及相关的运动再现方法。
背景技术：
用于捕捉结构运动的设备是一种用于测量通过处理能够描述该结 构运动的量的设备。例如，该结构可以是移动或不移动的人或机器人。人体运动的捕捉是一种广泛用于许多应用的技术，例如生物力学 分析、遥控操作、角色动画、生物工程学，等等。运动捕捉设备的第一种类由包括两个不同部分的设备组成，其中 将该设备的第一部分放置在移动物体上并且相对于所述物体的移动而 固定该设备的第二部分。在该第一种类中，主要具有光学系统、电磁 系统和超声系统。这些设备在精度方面有效。然而，这些设备的确具 有一些缺点。因此，必须既在物体上又在物体所在的环境中安装设备。在所有情况下，这些系统具有短量程(与物理源的范围保持一致)和 相当长的安装与校准阶段。它们的成本也非常高。目前可能最多使用的该技术是基于光学，例如在专利申请US 2003/0215130 Al和US 2005/00883333 Al中所描述的。这些系统使通 过位于发生动作的场景周围的照相机拍摄的图像来重建身体的移动成 为可能。将对于照相机高度可视的标识点设置在移动物体上。通过立 体视学原理的处理提供每个标识点的3D (3D代表"三维")位置。 尽管如此，光学闭塞的问题很多，这使使用的照相机的最小数量很高。 有些创造者提出减少这种类型的缺点，例如在标题为"Skeleton-Based Motion Capture for Robust Reconstruction of Human Motion (用于人体 运动的机器人重建的基于骨架的运动捕捉)"(L. Herda; P. Fua; R . Plankers; R. Boulic; D. Thalmann， Computer Graph Lab (LIG) , EPFL-web 01 / 2000)的文章中有所描述。其它创造者建议基于轮廓的处理 方法，该轮廓通过将其与移动物体的模型相关而从单个照相机提取(参 照 "Marker-free Kinematic Skeleton Estimation from Sequences of Volume Data (来自体积数据序列的免标识点的运动学骨架估计)"C. Theobalt; E. Aguiar; M.Magnor; H. Theisel; H-P. Seidel; MP Informatik)。基于电磁学的系统重建设置在物体上的传感器的角度和位置。与光学系统类似，超声系统找到发射者的位置。这两种技术与基 于照相机的技术一样在空间上受到相同的限制。设备的第二种类涉及设置在移动物体上的单个单元形式的设备。 这是具有外骨骼设备的情况。这些设备使免于捕捉体积的限制成为可 能，但是由于它们由设置在结构或人体上的机械铰接臂组成，所以这 些设备是受限的。移动的重建使用铰接组件的段之间的角度测量值， 而不是位置测量值。近期，基于相当旧的原理(惯性单元原理)的系统在小于传统规 模的规模上看到了曙光，特别是侧面为几厘米级别的规模(参照专利 US 6 162 191)。将这些由角速度传感器(陀螺测试仪)组成的设备置 于移动物体或移动人体上。假如对引起漂移的测量值进行数学积分一 次，则角速度传感器提供旋转段的角度。加速度计乃至磁力计有时与 陀螺测试仪相结合，从而只要移动减慢，其基于地磁和引力场的测量 值就会重置方位的估计，从而抵消漂移。然而，如果保持加速度，则 由于不再发生重置，所以快速移动的捕捉就会出现问题。另外，陀螺 测试仪是一直难于使用、相当昂贵并且还对加速度具有一定灵敏度的 传感器。另一种方案(参照专利US 6 820 025)由与铰接的段并列且包括 用于重建移动的陀螺测试仪的角度传感器组成。法国专利申请FR 2 838 185描述了一种用于捕捉在参照系内移动 的固体方位的设备。该运动捕捉设备由置于该固体上的轴向或矢量传 感器产生的测量值而提供由该参照系中固体的移动参照系给出的至少 一个方位角「所使用的传感器优选地为磁力计和加速度计。因而，在测量值M、参照系中表示的引力场G、参照系中表示的磁场H和方位角e之间存在着等式(1):M = ，,G，7/) (1)因而，将分别由加速度计和磁力计产生的物理量的测量值M建模 为函数F，所述函数代表相对于固体在其中移动的参照系，依附于该 固体的参照系的旋转气通过下面的等式(2)，由等式(1)得到方位角P:0 =厂' (7,//) (2)如果运动被加速，则新的等式(3)描述该系统，艮P:M = ，,a,G,//) (3)然后，未知数0和未知数a形成了高维空间，其以实用的方式阻止 了函数F的倒置。因此，不可能从等式(3)求解未知数e和未知数a。 因此，如果没有附加信息，在移动物体加速时或至少在移动物体的加 速度不能被忽略时，该设备不允许方位角度的测量。这表现为缺点。本发明不具有上述设备的缺点。发明内容这是因为本发明涉及一种用于捕捉结构的运动的设备，所述结构 由N个连续的固体段组成，所述固体段从第1级的段直到第N级的段 彼此铰接，N为大于或等于2的整数，所述第n (n=2，， N)级的 段在铰接点P。处与所述n-l级的段铰接，其特征在于，所述运动捕捉 设备包括提供信息的第一装置，所述信息能够在连续的时刻f/咴复参照系 中所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量5,，其中k为大于或等于1 的整数，第二测量装置，其固定于所述第1级的段并且在每个时刻"提供 代表所述参照系中所述第1级的段的方位矢量^的测量值，以及辅助测量装置，其固定于11(11=2，， N)级中的每个段并且在 每个时刻"提供代表所述第n级的段的方位矢量l的测量值。根据本发明的辅助特征，所述第二测量装置和所述辅助测量装置 由加速度计和提供统一物理场的测量值的传感器组成，所述统一物理 场存在于所述结构在其中移动的空间中，并且该统一物理场具有在所 述参照系中的已知方向。根据本发明的另一辅助特征，所述第二测量装置和所述辅助测量 装置进一步包括至少一个陀螺测试轴。根据本发明的再一辅助特征，所述提供在所述参照系中的己知方 向的统一物理场的测量值的传感器为磁力计。根据本发明的又一辅助特征，所述提供在所述参照系中的已知方 向的统一物理场的测量值的传感器为光电单元。根据本发明的再一辅助特征，所述第一装置由速度测量仪组成， 以使得所述能够恢复所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量的信息 为所述点的速度。根据本发明的再一辅助特征，所述第一装置由位置测量仪组成， 以使得所述能够恢复所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量的信息 为所述点的位置。本发明还涉及一种用于再现结构的运动的设备，所述结构由N个 连续的固体段组成，所述固体段从第1级的段到第N级的段相对彼此 地铰接，N为大于或等于2的整数，所述第n(n-2，…，N)级的段 在铰接点P。处与所述第n-l级的段铰接，其特征在于，所述设备包括根据本发明的运动捕捉设备，其中第n级的段的所述辅助测量装 置位于所述铰接点Pn附近，以使得可以将用于将所述第n级的段的辅助测量装置与所述铰接点Pn分离的距离认为是O，以及计算装置，其在每个时刻^处执行a) 通过由所述第一装置提供的信息计算所述参照系中的所述绝对 加速度矢量5，，b) 通过所述绝对加速度矢量5,和代表所述第1级的段的所述方位 矢量(^)的所述测量值计算在所述参照系中所述第1级的段的方位 矢量^ ;C)通过下列等式计算所述参照系中所述铰接点Pn的加速度矢量5,,(""):i乂其中，；=41)/力，L为从所述铰接点Pn.,指向所述铰接点Pn的 矢量并且其模数具有将所述铰接点Pn与所述铰接点p^分离的距离的 值，以及d)通过所述加速度矢量《和代表所述第n级的段的所述方位的所 述测量值计算所述第n级的段的所述方位矢量^ (w22)。本发明还涉及一种用于再现结构的运动的设备，所述结构由N个 连续的固体段组成，所述固体段从第1级的段到第N级的段相对彼此 地铰接，N为大于或等于2的整数，所述第11(11=2，…，N)级的段 在铰接点、处与所述第n-l级的段铰接，其特征在于，所述设备包括:根据本发明的运动捕捉设备，其中所述第n级的段的辅助测量装置远离所述铰接点Pn，以及计算装置，其在每个时刻^处执行a) 通过由所述第一装置提供的所述信息计算在所述参照系中的所 述绝对加速度矢量5,，b) 通过所述绝对加速度矢量5,和代表所述第1级的段的所述方位 矢量^的测量值计算在所述参照系中所述第1级的段的所述方位矢量 《；c) 通过下列等式计算在所述参照系中所述铰接点pn的加速度矢 量5("^2):其中，；=^^)/&， L为从所述铰接点p^指向所述铰接点Pn的 矢量并且其模数具有将所述铰接点Pn与所述铰接点p^分离的距离的 值，以及，d)通过所述加速度矢量5 、代表所述n级的段的方位的测量值(Mn)以及在先于所述时刻r,的至少两个时刻处所述第n级的段的所 述方位矢量，计算所述方位矢量^ ("》2)和固定在所述第n级的段上的所述辅助测量装置的所述测量点的加速度矢量L，使得^为:其中，^为从所述铰接点Pn指向所述n级的段的所述辅助测量装 置的矢量并且其模数基本上等于将所述铰接点Pn与所述第n级的段的所述辅助测量装置分离的距离。根据本发明的附加特征，射频传输装置将代表由所述第一测量装 置和所述第二测量装置提供的基本电信号传输到所述计算装置。根据本发明的另一附加特征，所述射频传输装置包括接收所述基 本电信号并且将代表该基本电信号的电信号转发到所述计算装置的中间单元。根据本发明的再一附加特征，存储装置存储由所述第一测量装置 和所述第二测量装置提供的测量值。根据本发明的又一附加特征，所述存储装置位于所述结构上。本发明还涉及根据独立权利要求14所述的运动捕捉方法， 根据独立权利要求18所述的运动再现方法，以及 根据独立权利要求19所述的运动再现方法。根据本发明的基本测量设备由两种类型的传感器组成，其中的一 种为加速度计。优选地，通过用于捕捉固体旋转运动的设备产生基本测量设备， 如在本申请人于2002年4月5日递交的公开号为FR2 838 185的法国 专利申请中描述的。因此，基本测量设备由一对(加速度计，传感器 X)组成。传感器X表示提供统一物理场的测量值的任意传感器，所述物理 场存在于移动物体移动的空间中，该物理场的方向在参照系中是已知 的或在参照位置处被测量。涉及传感器X的唯一约束是，首先传感器 一定不对加速度敏感，并且其次，测量的物理场的方向与垂直的不同。 因此，传感器X可以是用于测量地球磁场方向的磁力计。传感器X还 可以是光电单元，其测量到达该单元的光强度。例如，如果光源是太阳，并且测量光强度时，日期、时间、经度和纬度是已知的，则绝对 参照系中日光光线的入射角是可以预测的，并且因此，根据该设备相 对于所述日光光线的方向产生的角度来调整该测量。因此，这也是测量角度的另一种方式。传感器x还可以由一个或多个用于辅助加速度计测量的陀螺测试轴组成。第一装置可以由本地测量系统执行，所述第一装置提供能够恢复 所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量5,的信息。如果装置不可用 于补偿重力加速度，则简单的加速度计是不适当的。在人体移动测量 的具体情况中，本地测量系统可以有利地放置于人体的重力中心或其 附近(例如，置于腰部)。例如，本地测量系统可以是结合有微分电路的GPS类型(GPS代 表"全球定位系统")的设备。该GPS设备通过对位置数据求两次微 分，能够随时了解携带其和微分电路的元件的位置，确定地理参照系 中的绝对加速度。本地测量系统也可以通过结合有微分电路的射频定位设备执行。 射频定位设备需要使用指向标(ULB雷达(ULB代表超大带宽)， 光学指向标，等等)。因此，射频定位设备会使本地测量系统的自主 特性丢失。然而，他们确实证明了在首先定位指向标的场地(enclosure) 中跟随移动时使用他们是非常有利的。使用射频系统还具有数据传输 和位置测量的双重优势(特别是使用ULB设备的情况下)。正如在 GPS设备的情况下，为了获得加速度测量值，对由射频定位设备提供 的位置测量值进行两次微分。导向的压力测量(管)直接与空气中的体速度相关。因此，可能 沿三个轴确定压力测量仪固定于其上的段的速度矢量。通过对该速度 测量值进行一次微分，获得加速度。有利地，该运动捕捉设备相对于移动结构的层次结构可以是"动 态的"。例如，在具有人的特点的结构的情况下(人或机器人)，这 意味着可以将本地测量系统或系统ML置于脚、手、腰等处，或任意 其它可以被当作刚性成分的人体部分。在本发明的其它实施例中，提供信息的第一装置不是测量装置，该信息能够恢复所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量5，。其中公 知的是，该段上的点在参照系中是固定的，事实上，不需要对这一段 进行加速度测量。然后，可以将这一段有利地选择为第1级的段。因 此，例如，提供能够恢复所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量5,的 信息的第一装置可以是存储装置，所述存储装置掌握在所述参照系中 所述第1级的段上的点所占用的固定位置。在剩余的描述中，通过不限定的实例，提供能够恢复所述第1级 段的上的点的绝对加速度矢量5,的信息的所述第一装置是固定于所述 第1级的段的测量装置ML。认为该测量装置ML叠加在也固定于所 述第1级的段的第二测量装置MD1上。在更普通的情况下，测量装置 ML和MD,彼此远离，可以随后将测量装置ML当作位于所述第1级 的段和第0级的段之间的虚拟铰接点。测量装置MD能够表现空闲状态的特性。于是，由设备MD提供 的信号的变化低于阈值。 一旦在一个点处检测到空闲状态，则该点在 固定的参照系中极有可能是静止的(这是因为，尽管统一的直线运动 与静止状态给出相同的结果，但这样的运动是不可能的并且难以保 持)。在检测到静止的情况下，该结构的加速度为0并且能够检测到 该静止状态。然而有一些情况，其中铰接在特定的移动中是静止的。例如，行 走中，每只脚交替短暂地处于静止的情况。在这种情况下，应用本发 明的方法以使得所述第1级的段交替地为右脚或左脚。在剩余的描述中，本发明将描述铰接结构的移动的捕捉和再现， 所述铰接结构由一连串的段组成。然而，很清楚，本发明还可以应用 于任意形式的任意非铰接的固体(于是，可以认为这是所述铰接结构 的所述第l级的段)，或应用于由几组铰接段组成的复杂铰接结构。


在参照附图对给出的优选实施例的解释中，本发明的其它特征和 优点将变得明显，其中图1象征性地描述了与本发明的运动捕捉设备相关的铰接结构的实例；图2描述了在具有四个铰接段的结构的情况下根据本发明的运动 捕捉设备的实例；图3描述了设置有根据本发明的运动捕捉设备的两个连续的铰接段；图4A描述了在本发明的上下文中使用的测量处理方法的特定情 况的基本步骤；图4B描述了普通情况下在本发明的上下文中使用的测量处理方 法的基本步骤；图5A描述了图4A中所示的测量处理方法的主要步骤的详细流程图；图5B描述了图4B中所示的测量处理方法的主要步骤的详细流程图；图6A象征性地示出了在上述的特定情况中为具有五个铰接段的 结构的不同段获得的加速度和方位数据随时间的变化；图6B示出了在所述普通情况下为具有铰接段的结构的不同段获 得的加速度和方位数据的逐步计算结果；图7A和图7B描述了根据本发明的运动再现设备的两个实施例。在所有附图中，相同的附图标记代表相同的组件。
具体实施方式
图1描述了与本发明的运动捕捉设备相关的铰接结构的实例； 将例如人体或具有人的特点的机器人的结构分解为一组段，所述 一组段是许多彼此铰接的固体组成部分。因而，将所有段分解为头段 TE，颈段C， 一组躯干段T1、 T2、 T3， 一组左臂段BG1、 BG2、 BG3、 BG4， 一组右臂段BD1、 BD2、 BD3、 BD4， 一组左腿段JG1、 JG2、 JG3、 JG4、 JG5和一组右腿段JD1、 JD2、 JD3、 JD4、 JD5。图2描述了设置有根据本发明的运动捕捉设备的铰接结构。例如， 该结构是由分布在从肩膀到手的范围内的四个铰接段B,、 B2、 B3、 B4 组成的机器人臂。B,段设置有本地测量系统ML和基本方位测量设备MD,。基本方 位测量设备MD，远离本地测量系统ML。本地测量系统ML的固定点 和基本方位测量设备MD,的固定点定义了模数为D,的矢量^，该矢 量从ML指向MD,。正如先前提到的，当固定第1级的段上的点时， 该本地测量系统ML是不必要的，因为随后已知参照系中该点的加速 度为0。每个段Bn (n=2， 3， 4)都设置有铰接点Pn，相邻段B^在该铰 接点处铰接。将基本方位测量设备MDn置于每个段Bn上。该基本方 位测量设备MDn的固定点远离铰接点Pn，该基本方位测量设备MDn的固定点与铰接点Pn定义模数为Dn的矢量^，该矢量从Pn指向MDn。 本发明的运动再现设备的功能是通过对第一段B,加速度和方位 的了解而逐步估计不同段的连续铰接点的加速度以及不同段彼此之间 的角度。在下面图表和论述中，n为段的属种索引或秩，k为属种时间增量 索弓l，A为在固定参照系中第n级的段的铰接点Pn的加速度，并且《为 固定参照系中第n级的段的三维方位(3D方位)。为了方便起见，加 速度A和方位《在该专利申请中通常以标量形式表示。然而，必须注 意的是，所有这些量在参照系中为三维矢量。图3描述了配备有本发明的运动捕捉设备的移动结构的详细视图。段Sn在铰接点Pn处与段S^铰接。将段Sn的长度看作距离U， 所述距离U将铰接点PnW与铰接点Pn分离。同样，将段S^的长度看 作距离L^，所述距离L^将铰接点Pn与铰接点P^分离。铰接点Pn., 和Pn定义从P^指向Pn的矢量L，并且其模数等于分离铰接点Pn和 Pn.,的距离。铰接点Pn具有加速度 并且铰接点Pn_,具有加速度l,。第n级的段和第n-l级的段上各自的设备MD。和MDn.,的测量点具有各自的加速度6 和" _,。在剩余的描述中，首先将介绍本发明的特定情况，其中矢量&是可以忽略的(于是，可以认为矢量&是o矢量)，并且随后将介绍本发明的普通情况，其中矢量3"是不能忽略的。图4A描述了根据本发明的特定情况，即矢量&为0的情况，确定量an和&的普遍原理。通过铰接点P^的加速度"n-'、代表第n-l级 的段的矢量L-'和代表第n-l级的段的3D方位矢量的矢量^—,，计算 铰接点Pn的加速度二。其根据运动合成法则为<formula>formula see original document page 19</formula>其中符号a代表"矢积"运算符，并且加速度；为已知的量，然后可以基于等式(5)计算方位《<formula>formula see original document page 19</formula>其中Mn代表位于第n级的段上的基本测量设备MDn提供的测量值，G和H为在第n级的段处分别在参照系中测量的引力场和磁场。 等式(5)本身是已知等式，其对应于前面给出的等式(2)。 图4B描述了普通情况下在本发明的上下文中使用的测量处理方法的基本步骤。在普通情况下，将有关设备MDn测量点的加速度^和 ^的等式写为并且<formula>formula see original document page 19</formula>或者又写为<formula>formula see original document page 19</formula>
然后，可以将量WO写为如下形式然后，如先前在上述的特定情况下那样，通过等式(4)计算矢量 接下来，在时刻^，使用等式(6)计算矢量^和《其中，函数L是组合函数F和函数K的函数ma)-f(L(ug，//，^(0)=+(二 (O,)," ), g,//,"))=i(; ("，g，//,"》； (,j 图5a描述了图4a中描述的测量处理方法的基本步骤的详细流程图。图5a中描述的处理单元详述了量""(")和《("的计算，其在时刻"与第n级的段关联。通过下列的测量值或计算数据来确定第n级的段 的量""(0和《(0:为三个不同的时刻"、"、/"2计算涉及第n-l级的段的加速度""(")、,("-,)和a-,(U，并且由测量设备MD^在两个不同时刻l和"提供的测量值Mn—和H)，在时刻《计算的第n-l级的段的方位《-'("，以及 由基本测量设备MDn在时刻^提供的测量值a/。("。 将量" —U和m"—,(")应用于算子2，其使用等式(5)并且提供 方位lA-2)。同样，将量^,(/",)和^d)应用于算子2，其使用等式 (5)并且提供方位《Wi)。 定义时间信息间隔^2，为 ，接下来，将量^-' 2)和I)以及时间信息间隔屿应用于用来计算量n)的微分算子DIFF:= 《d)/a,21 。然后，计算量i(O和^Km("V^ :通过微分算子DIFF计算量""-"":w*，10，其中n)是前面计算过的量，《—""是已知的(先前计算过)，且a,'。并且通过微分算子DIFF计算量"(w"-'("))W:争"—'(OW =H)H))/Afl0 ，其中w"一(f"')和w》是前面计算过的量，并且 ="-、然后，将量""-'("、'("和^v^))^应用于算子1，其使用等式(4 )并且提供量""^)。然后，将计算的量""("与已知的测量值M"(" 应用于算子2，其使用等式(5)并且提供方位量e"("。通过本发明的铰接运动捕捉设备获得的测量值的处理可以为移 动结构的每个段确定其在铰接点处的加速度以及其在参照系中的方 位。然后，可能描述例如在屏幕上该结构的运动。如参考图5A清楚示出的，除了其它的以外，由与在先前时刻"和/,_2的第n-l级的段相关的信息而推导出在时刻"处第n级的段的一对 值k")A(/』的确定。因此，显然地，并非所有涉及结构的全部段的加 速度和方位数据都可以由第一测量值得知。因此，在能够全面再现铰接运动之前，必须获得一定数量的测量值。图5B描述了图4B中描述的测量处理方法的主要步骤的详细流程图。除了参考图5A提及的数据之外，对于时刻^,和^处的第n级的 ，，这里还由计算的方位^("-1)和A(^2)来确定与第n级的段相关的量""和")。然后，将量""-'l"、 H》、U")和M"-"-》应用于算子2，其 使用等式(6)并且提供方位《W。。同样，将量""-'l') 、 UU 、 和K—'(")应用于算子2，其使用等式(6)并且提供方位U^)。然后，将量""-'")、^("和"K-A)V^应用于算子l，其使用等 式(4)并且提供量""^)。然后，将在时刻^前的两个时刻估计的方位 《l')和《("-2)、计算的量""(")和已知的测量样本^("应用于算子2， 其使用等式(6)，其中前面通过算子DIFF给出过^^)和^^"&):21其中，然后，算子2提供方位量《(《)。通过本发明的铰接运动捕捉设备获得的测量值的处理可以为移动 结构的每个段确定其在铰接点处的加速度和其在参照系中的方位。然 后，可能描述例如在屏幕上该结构的运动。例如，如参考图5A清楚示出的，除了别的以外，由与在先前时刻"一,和"处第n-l级的段相关的信息，可以推导出在时刻^处第n级的段的一对值k(")，《("]的确定。因此，显然地，并非与该结构的所有 段相关的加速度和方位数据都可以由第一测量值得知。因此，在能够全面再现铰接运动之前，必须获得一定数量的测量值。同样，在不认为矢量^为0的普通情况下，为了初始化该方法， 必须知道第n级的段的两个先前连续的方位。例如，当该段稳定时， 可以使用专利申请FR 2 838 185中描述的方法获得这些方位。另一方 面，如前所示，在代表第n级的段方位的测量装置足够接近铰接点Pn 的情况下，没有必要知道该第n级的段的两个先前连续的方位并且可 以简化该方法。图6A象征性地举例说明了在特定情况下，即将矢量5"看作为0 的情况下，对于具有五个铰接段的结构的不同段获得的加速度和方位 数据随时间的变化。在图6A中，横轴代表构成该结构的段的级n，并且纵轴代表连续 测量时刻^。级n和时刻"的交叉点处指示在时刻々处对于第n级的段 的已知量(加速度和方位)。这些量由测量数据和/或从测量数据推导 出来的数据组成。为了使图6A不过于复杂，由符号^代表量^"/力，并且由符号^ 代表量^e"^2。另外还给出匈,"'2(") = n,。在时刻/,，与该段相关的唯一已知量为 "'(O，,这些数据当然不足以描述该结构的运动。 在时刻/2，与第1级到第5级的段相关的已知量为 W》，他)，MW2)这些数据还不足以描述该结构的运动。 在时刻/3，与该段相关的已知量为化)，这些数据还不足以描述该结构的运动。 在时刻"，已知量为这些数据还不足以描述该结构的运动。在时刻^，已知量为《)，他)，M,5),《",2(/5) 魂)A(O辨/鄉5) ^2/^2("这些数据还不足以描述该结构的运动。在时刻。与第l级到第5级的段相关的己知量分别为:"2("，,，辨/竭，^2/我)， "3("，,，辨/魂)。这些数据还不足以描述该结构的运动。在时刻,7，与第1级到第5级的段相关的已知量分别为:化)，,。这些数据还不足以描述该结构的运动。在时刻/8，已知量为:《)，他)，"2("，W8)，"3(")，,，W3",2(/8),，辨/化)在时刻^，已知量为《)，,，。2(,9)，,，(f2《/^2(/9),，W3",2(,9)，，,，辨/鄉9)，。5")，,。这些数据可能完整地描述该结构的运动。如果对后来的时刻r,。和^继续给出表示，则为在时刻6。，与第1级到第5级的段相关的己知量分别为鳴)，W10)，辨W,o)， W《/^2(/10)，Wm)， W,O)，辨/,0)，匈力2"。)， "5"。)， g(,U))， ^《；并且在时刻,'，，与第l级到第5级的段相关的已知量分别为:",(。，帆)，"2(。，帆)，辨/,')，《)，f/2《/^2(。，""。，帆)，辨/雄,)，帆)，c^/c^/,,)。只要五个段(n=5)的加速度和方位己知，即从时刻,9开始，就可 以完整地定义具有五段的结构的铰接运动。同样发现，例如对于有三 个段(n=3)的结构，从时刻,5开始该三个段的加速度和方位己知。因此，可能在整数n和整数k之间确定一种关系，所述关系解释 了运动捕捉设备正确工作的事实，即为结构的所有段提供必要的加速 度和方位信息。这种关系可以写为A > 2rt — 2图6B举例说明了在普通情况下，对具有铰接段的结构的不同段 获得的加速度和方位数据的逐步计算结果。下面描述了前三个段的加 速度和方位数据的计算。第一段的情况第一步，使用测量值a,(O和M(O，其分别对应于对第1段测量(或 计算)(通过第一测量装置ML)的加速度和由第二测量装置(MD》提供的测量值。还利用了在先前时刻(^和"_2)给出(或计算)的第 一段的方位《(^i)和《("-2)。通过这四项信息，可能计算在时刻々处第1段的方位《("。第二步，使用对第l段测量(或计算)(通过第一测量装置ML) 的加速度A(O，以及在先前步骤计算的第一段的方位《(")和先前时刻,和")给出(或计算)的《^-')和《(")。使用这些量，可以计算 铰接P2处的加速度。A)。第二段的情况第一步，在时刻々使用在先前步骤计算的加速度^(")和第二段的 测量装置MD2的测量值M,")。还利用先前时刻(t,和《—2)给出(或 计算)的第二段的方位《(")和《("-2)。通过这四项信息，可能计算在时刻"处第1段的方位《(0。 第二步，使用对第一段在第二步计算的加速度。2(0，以及在先前 步骤计算的第二段的方位《("和先前时刻("_，和"_2)给出(或计算) 的W")和《("-2)。使用这些量，可以计算铰接P3处的加速度W"。第三段的情况执行与第二段相同的两个步骤，用索引4取代索引3，用索引3 取代索引2并且用索引2取代索引1。这将继续直到第N段执行与第二段相同的两个步骤，用索引 N+l取代索引3，用索引N取代索引2并且用索引N-1取代索引1。在考虑过所有段之后，等待之后的时刻"以重新开始。在普通情况下，值得注意的是，为了知道段在时刻^处的估计加 速度，必须知道该同一段在先前两个时刻^和"_2处的加速度。因此， 对于第一计算时刻，必须初始化在先前时刻的加速度值。出于这个目 的，例如，可能进行静态测量，加速度对于所述静态测量很低并且可 能因此被忽略；然后，随后可以如在专利申请FR 2 838 185中所述的 那样计算角度。还可能使用其它装置初始化该角度(角度编码器，设 置于应力初始位置，等等)。图7A和图7B描述了根据本发明的运动再现设备的两个实施例。 以矩形象征性地代表由n个铰接段组成的结构S。该结构S，例如为 人和机器人，设置有一组设备MDi (i=l， 2，……，n)和一组本地测量系统MLj (j=l， 2，……，m)。如前所述，设备MDj和系统MLj 分布于结构上。同样如前所述，尽管图7A和图7B示出了 m个本地 测量系统，但是本地测量的单个系统也能够满足来执行本发明。在第一实施例(图7A)中，设备MDj提供的测量值和本地测量 系统MLj提供的测量值通过各自的射频信号RDj和RLj传输到计算系 统3，例如计算机。然后，运动再现设备包括射频传输装置。计算系 统3设置有用于接收信号RDi和RLj的接收天线R。计算系统3还接 收参照系中本地引力场的G值、参照系中本地磁场的H值和代表不同 段的不同矢量L (i=l， 2，……，n)的坐标以作为输入参数。然后，计算系统3根据前面参考图5和图6所述的内容执行数据 处理。然后，显示设备E，例如屏幕，显示铰接结构的运动。图7B与图7A的不同之处在于，射频信号RDi和RLj不是直接传 输给计算系统3，而是传输给固定到结构S的中间单元DEM。然后， 该单元DEM将接收到的数据以射频信号RF的形式传输给计算系统3。结构S上中间单元DEM的存在有利地使实施本发明的另一个实 施例成为可能。这是因为，在结构S移动为与计算系统3具有很大距 离的情况下，RF信号的范围可能会变差。于是，置于中间单元DEM 中的存储卡能够记录信号RDj和RLj。 一旦执行了移动，则通过读取 记录在存储卡上的数据，可以在测量的捕捉之后执行数据处理。
权利要求
1.一种结构的运动捕捉设备，所述结构由N个连续的固体段组成，所述固体段从第1级的段到第N级的段相对彼此地铰接，N为大于或等于2的整数，所述第n(n＝2，…，N)级的段在铰接点Pn处与所述第n-1级的段铰接，其特征在于，所述运动捕捉设备包括用于提供信息的第一装置(ML)，所述信息能够在连续的时刻tk恢复在形成参照的参照系中的所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量 id="icf0001" file="A2007800095540002C1.tif" wi="5" he="4" top= "77" left = "29" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>其中k为大于或等于1的整数，第二测量装置(MD1)，其固定于所述第1级的段并且在每个时刻tk提供代表所述参照系中所述第1级的段的方位矢量 id="icf0002" file="A2007800095540002C2.tif" wi="3" he="5" top= "92" left = "157" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>的测量值(M1)，以及辅助测量装置(MDn)，其固定于第n(n＝2，…，N)级的每一个段并且在每个时刻tk提供代表所述第n级的段的方位矢量 id="icf0003" file="A2007800095540002C3.tif" wi="4" he="5" top= "116" left = "162" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>的测量值。
2. 根据权利要求1所述的运动捕捉设备，其中，所述第二测量装 置(MD,)和所述辅助测量装置(MDn)由加速度计和用于提供统一 物理场的测量值的传感器组成，所述统一物理场存在于所述结构在其 中移动的空间中，并且具有所述参照系中的已知方向。
3. 根据权利要求2所述的运动捕捉设备，其中，所述第二测量装 置(MD》和所述辅助测量装置(MDn)进一步包括至少一个陀螺度 量轴。
4. 根据权利要求2或3所述的运动捕捉设备，其中，用于提供具 有所述参照系中的己知方向的统一物理场的测量值的传感器为磁力 计。
5. 根据权利要求2或3所述的运动捕捉设备，其中，用于提供具 有所述参照系中的已知方向的统一物理场的测量值的传感器为光电单元o
6. 根据前述权利要求中的任意一项所述的设备，其中，所述第一 装置(ML)为由速度测量仪组成的测量装置，以使得所述能够恢复所 述第1级的段的绝对加速度矢量的数据项为所述点的速度。
7. 根据权利要求1到5中的任意一项所述的设备，其中所述第一 装置(ML)为由位置测量仪组成的测量装置，以使得所述能够恢复所 述第1级的段上的点的绝对加速度矢量的数据项为所述点的位置。
8. —种用于再现结构的运动的设备，所述结构由N个连续的固 体段组成，所述固体段从第1级的段到第N级的段相对彼此地铰接， N为大于或等于2的整数，所述第11(11=2，…，N)级的段在铰接点 P。处与所述第n-1级的段铰接，其特征在于，所述设备包括根据权利要求1到7中的任意一项所述的运动捕捉设备，其中所 述第n级的段的所述辅助测量装置(MDn)位于所述铰接点Pn附近， 以使得用于将第n级的段的辅助测量装置(MDn)与所述铰接点Pn分 离的距离被认为是0，以及计算装置(3)，其在每个时刻^处执行下述动作a) 根据由所述第一装置提供的信息计算所述参照系中的所述绝对 加速度矢量5,，b) 根据所述绝对加速度矢量5,和代表所述第1级的段的所述方位 矢量(^)的所述测量值(Ml)计算在所述参照系中所述第1级的段 的方位矢量^;c) 根据下列等式计算所述参照系中所述铰接点Pn的加速度矢量其中，二=^棒 )/^， L为从所述铰接点Pn.，指向所述铰接点Pn的 矢量并且其模数将用于将所述铰接点Pn与所述铰接点p^分离的距离 作为其值，以及d)根据所述加速度矢量5。和代表所述第n级的段的所述方位的所 述测量值(Mn)计算所述第n级的段的所述方位矢量^ (">2)。
9. 一种用于再现结构的运动的设备，所述结构由N个连续的固 体段组成，所述固体段从第1级的段到第N级的段相对彼此地铰接， N为大于或等于2的整数，所述第11(11=2，…，N)级的段在铰接点 P。处与所述第n-1级的段铰接，其特征在于，所述设备包括根据权利要求1到7中的任意一项所述的运动捕捉设备，其中所 述第n级的段的辅助测量装置(MDn)远离所述铰接点pn，以及计算装置(3)，其在每个时刻々处执行下述动作a) 根据由所述第一装置提供的所述信息计算在所述参照系中的所 述绝对加速度矢量5,,b) 根据所述绝对加速度矢量5，和代表所述第1级的段的方位矢量 §'的测量值(Ml)计算在所述参照系中所述第1级的段的所述方位矢c) 根据下列等式计算在所述参照系中所述铰接点pn的加速度矢 量5 ( "2 2):其中，；=^^ )/必，L为从所述铰接点p^指向所述铰接点pn的矢量并且其模数将用于将所述铰接点Pn与所述铰接点Pn.,分离的距离 作为其值，以及，d)根据所述加速度矢量3"、代表所述n级的段的方位的测量值(Mn)以及在先于所述时刻《的至少两个时刻处所述第n级的段的所 述方位矢量，计算所述方位矢量5 ("^2)和固定在所述第n级的段 上的所述辅助测量装置的所述测量点的加速度矢量6— ，使得6— 为<formula>formula see original document page 5</formula>其中，几为从所述铰接点pn指向所述n级的段的所述辅助测量装 置的矢量并且其模数基本上等于用于将所述铰接点Pn与所述第n级的段的所述辅助测量装置分离的距离。
10.根据权利要求8或9所述的运动再现设备，其中无线传输装 置将代表由所述第一测量装置(ML)和所述第二测量装置(MDn)提 供的测量值的基本电信号(RDn， RLm)传输到所述计算装置(3)。
11.根据权利要求IO所述的运动再现设备，其中所述传输装置包 括接收所述基本电信号(RD,，， RDX， RL,，， RLy)并且将代表 基本电信号的电信号(RF)重传到所述计算装置(3)的中间单元 (DEM)。
12. 根据前述权利要求中的任意一项所述的设备，其中存储装置 存储由所述第一测量装置(ML)和所述第二测量装置(MDn)提供的 测量值。
13. 根据权利要求12所述的设备，其中所述存储装置位于所述结 构上。
14. 一种捕捉结构的运动的方法，所述结构由N个连续的固体段 组成，所述固体段从第1级的段到第N级的段相对彼此地铰接，N为 大于或等于2的整数，所述第11(11=2，…，N)级的段在铰接点Pn处 与所述n-l级的段铰接，其特征在于，所述方法包括至少一个确定信息项的步骤，所述信息项能够在连续的时刻^恢 复参照系中所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量5,，k为大于或等 于1的整数，至少一个测量步骤，在所述连续的时刻"的每一个时刻处测量代表所述参照系中所述第1级的段的方位矢量0,，以及至少一个辅助测量步骤，对于n级中的每一段，在所述连续的时 刻々的每一个时刻处辅助测量所述参照系中所述第n级的段的方位矢
15. 根据权利要求14所述的运动捕捉方法，其中所述代表所述参 照系中所述第1级的段的所述方位矢量^'的测量值以及所述代表所述 第n级的段的所述方位矢量《的测量值分别为对统一场的测量值，所 述统一场存在于所述结构在其中移动的所述空间中且具有所述参照系 中的已知方向。
16. 根据权利要求14或15所述的运动捕捉方法，其中所述能够 恢复所述参照系中所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量5,的信息 为所述参照系中所述点的速度。
17. 根据权利要求14或15所述的运动捕捉方法，其中所述能够 恢复所述参照系中所述第1级的段上的点的绝对加速度矢量5,的信息 为所述参照系中所述点的位置。
18. —种用于再现结构的运动的方法，所述结构由N个连续的固 体段组成，所述固体段从第1级的段到第N级的段相对彼此地铰接， N为大于或等于2的整数，所述第n (n=2，…，N)级的段在铰接点 Pn处与所述第n-l级的段铰接，其特征在于，所述方法使用根据权利要求14到17中的任意一项所述的运动捕捉方法，以及 在每个时刻"处的计算a) 根据能够恢复绝对加速度矢量5,的测量值，计算所述参照系中 的所述绝对加速度矢量5，，b) 根据所述绝对加速度矢量3，和代表所述第1级的段的所述方位 矢量(^)的所述测量值(M》，计算所述参照系中所述第1级的段 的所述方位矢量^;C)根据下列等式，计算所述参照系中所述铰接点Pn的加速度矢量<formula>formula see original document page 7</formula>其中，；=^1)/^/， L为从所述铰接点Pn.,指向所述铰接点Pn的 矢量并且其模数将用于将所述铰接点Pn与所述铰接点p^分离的距离作为其值，所述辅助测量值代表通过位于所述第n级的段上基本上位于所述铰接点Pn处的固定测量装置提供的所述方位矢量《；以及d)根据所述加速度矢量5。和代表所述第n级的段的所述方位的所 述测量值(Mn)，计算所述第n级的段的所述方位矢量《("22)。
19. 一种用于再现结构的运动的方法，所述结构由N个连续的固 体段组成，所述固体段从第1级的段到第N级的段相对彼此地铰接， N为大于或等于2的整数，所述第n (n=2，…，N)级的段在铰接点 Pn处与所述第n-l级的段铰接，其特征在于，所述方法包括根据权利要求14到17中的任意一项所述的运动捕捉方法，以及在每个时刻々处的计算a) 根据由所述第一装置提供的信息，计算在所述参照系中的所述 绝对加速度矢量5,，b) 根据所述绝对加速度矢量5，和代表所述第1级的段的所述方位 矢量(§')的测量值(M》，计算所述参照系中所述第1级的段的所 述方位矢量^;c) 根据下列等式，计算所述参照系中所述铰接点Pn的加速度矢 量5 ( w》2 ) <formula>formula see original document page 7</formula>其中，；=4^ )/&， L为从所述铰接点p^指向所述铰接点pn的矢量并且其模数将用于将所述铰接点Pn与所述铰接点p^分离的距离 作为其值，以及d)根据所述加速度矢量&、代表所述第n级的段的所述方位的所t值(Mn)以及在先于所述时刻^的至少两个时刻处所述第n级 的段的方位矢量，计算所述方位矢量^ ("》2)和固定在所述第n级 的段上的所述辅助测量装置的所述测量点的加速度矢量&，使得&为其中，5 为从所述铰接点Pn指向所述第n级的段的所述辅助测量装置的矢量并且其模数基本上等于用于将所述铰接点Pn与所述第n级的段的所述辅助测量装置分离的距离。
全文摘要
本发明公开一种用于具有N个接合段的结构的运动捕捉设备，其特征在于，所述设备包括提供至少一条信息的第一装置(ML)，所述信息在连续的时刻t_k给出对于参照系中第一级的段的点的绝对加速度矢量(公式I)，k为大于或等于1的整数，以及设置在其它段上的第二测量装置(MD1，MDn)，所述第二测量装置在每一个时刻t_k为所述第1级到第N级的每一个段提供代表所述参照系中所述段的方位矢量(公式II)的测量值(M1，Mn)。本发明可以应用于生物力学分析、遥控操作和角色动画等。
文档编号A61B5/103GK101405570SQ200780009554
公开日2009年4月8日 申请日期2007年2月16日 优先权日2006年2月17日
发明者C·戈丁, D·戴维, Y·卡里图 申请人:原子能委员会