专利名称：用于表征运动的设备和方法
技术领域：
本发明应用于运动捕获领域。具体地，本发明覆盖对练舞人的步伐、出于游戏或训练目的的走或跑的步伐的检测。
背景技术：
本发明的典型应用是在游戏城中玩的或者用控制台或PC玩的游戏“劲舞革命”(DDR)。在该游戏的当前实施例中，游戏者必须执行屏幕上指示给他的一系列步伐，该一系列步伐根据音乐来确定节奏。游戏者站在包括可以以矩形或方形对准、布置的单元的柔性垫或刚性垫上，其中所述单元的数量可以从4变化到6，甚至可以是9。每个单元都安装有用于检测游戏者是否存在的设备。与舞蹈步伐序列相关的设定点由箭头给出，该箭头指示游戏者应当移向哪个单元。因此，该系统能够将被执行的序列与理想序列进行比较，并给游戏者打分。然而，该实施例的缺点在于其需要检测垫，如果该检测垫是刚性的则其体积大且成本高，但是如果该检测垫是柔性的则其易碎并且不准确。此外，该垫限制了可能移动的到达。为了弥补这些缺陷，本发明取消了所述垫上的检测器，并且用戴在游戏者的至少一只脚上的运动捕获设备来替代所述检测器，该运动捕获设备具备处理能力，使得其能够在虚拟垫(其具有可以与所需一样大小和/或数量的单元)或真实垫上没有安装仪器的情况下检测游戏者相对于虚拟垫或真实垫的单元的位置。
发明内容
为此，本发明提供了一种用于表征对象的运动的设备，该设备包括安全固定到所述对象上的至少一个加速计以及计算模块，在所述设备中，所述计算模块能够使用所述至少一个加速计的输出来执行用于在第一位置和第二位置之间将所述运动划分成单个运动的至少一个功能，所述第一位置和第二位置是基本上静止的或受冲击分隔的，用于确定每个单个运动的方向和线的至少一个功能有利地，计算模块还能够执行用于计算运动的方向上单个运动的长度的至少一个功能。有利地，所述对象是人的脚。有利地，所述对象是人的手。有利地，计算模块还能够执行用于评估所述对象的运动与预记录运动序列的一致性的功能。有利地，计算模块还能够执行用于控制链接到该计算模块的显示器上的表示真实运动中的对象的虚拟对象的位移的功能，所述位移在逻辑上和数量上对应于所述运动。有利地，本发明的设备还包括安全固定到所述对象上的至少一个磁力计，并且所述计算模块还能够使用所述至少一个加速计和所述至少一个磁力计的输出来执行用于确定至少一个平面中所述对象的方向的功能。
为了操作该设备，本发明还提供了一种用于表征对象的运动的方法，包括用于捕获来自安全固定到在所述对象上的至少一个加速计的输出信号的至少一个步骤，以及由处理器进行计算的步骤，在所述方法中，在所述计算步骤期间，使用来自用于捕获来自至少一个加速计的所述输出信号的步骤的输出来执行用于在第一位置与第二位置之间将所述运动划分成单个运动的至少一个功能，所述第一位置和第二位置是基本上静止的，用于确定每个单个运动的方向和线的至少一个功能。有利地，在计算步骤期间，还可以执行用于计算运动的方向上单个运动的长度的至少一个功能。有利地，所述对象是人的脚并且所述单个运动是步伐。有利地，计算步骤还包括在对象上的加速计的仰角基本上大于20°时，用于校准从用于捕获加速计的输出信号的步骤输出的测量结果的步骤。有利地，步伐划分功能包括用于以从加速计的至少一个轴输出的测量结果的平均值为中心的步骤。有利地，步伐划分功能还包括基于中心的测量结果的至少一个滑动平均值的计算的滤波步骤。有利地，步伐划分功能包括用于计算从加速计输出的至少一个被测量的或被计算的值的范数，之后用于将所述范数与预定阈值进行比较，以据此推导步伐的开始或结束的步骤。有利地，步伐划分功能仅对比预定值大的时间范围(time horizon)内的运动进行处理。有利地，步伐划分功能仅对从第一所选时间间隔的结束处开始并在第二所选时间间隔的开始处结束的测量结果进行处理，其中，第一所选时间间隔在步伐的开始之后，第二所选时间间隔在所述步伐的结束之前。有利地，用于确定所述步伐的方向的功能包括用于对在步伐划分功能的输出处确定的信号样本，计算沿着基本上平行于步伐的平面的两个轴中的每个轴上对测量结果进行积分的绝对值的最大值的步骤，之后用于将沿着其中一个轴的最大值与另一轴上的最大值进行比较的步骤，所述步伐的方向被确定为具有最大值的轴的方向。有利地，用于确定所述步伐的方向的功能包括用于对在步伐划分功能的输出处确定的信号样本，计算沿着基本上平行于步伐的平面的两个轴中的每个轴上对测量结果进行积分的绝对值的最大值的步骤，之后用于计算沿着这两个轴的最大值的比率的步骤，所述步伐的方向被确定为与其最大值是所述比率的分母的轴形成一个角度，其中所述角度的正切等于所述比率。有利地，所述用于确定步伐的线的功能包括在用于确定步伐的方向的步骤的输出处，用于确定沿着所述两个轴的最大值的符号的步骤，所述符号确定了在所确定的方向上所述步伐的线。有利地，用于计算步伐的长度的功能包括用于根据在用于确定所述步伐的方向和线的功能的输出处确定的所述步伐的方向，对测量结果的绝对值进行双重积分的步骤。本发明的设备使用变得日益廉价的MEMS，因此生产成本低。本发明的设备体积小并且重量轻。本发明的设备能够用于其它应用，例如也需要检测运动的方向和游戏者的脚的方向的其它游戏或训练系统，诸如准静态散步或行走模拟游戏。可以将本发明的设备戴在手上，并用其来检测演奏音乐的手的垂直和水平运动，或者甚至用来识别佩戴者的笔迹。 主要出于训练的目的，尤其是对于下肢和上肢的运动协调是学习过程的基本元素的运动或游戏而言，还可以将本发明的设备组合地戴在一个或两个上肢以及一个或两个下肢上，所述组合使得能够将这两类肢体的运动序列与预记录的理想运动序列进行比较。由于本发明功能的多样性，因此本发明提供了大量的优点，该优点并不将其应用限制为DDR游戏所属的领域。
根据下面对多个示例性实施例的描述以及根据所附附图，本发明将得到更好地理解，并且本发明的各种特征和优势将变得显而易见，其中图Ia和Ib示出了在本发明的多个实施例中的根据本发明的设备的定位的示例；图加和2b示出了在本发明的一个实施例中用于实现本发明的传感器和处理单元的示例；图3a到图3c示出了在本发明的一个实施例中从上方看到的并由本发明的设备检测到的三种类型的步伐；图4示出了在本发明的一个实施例中从侧面看到的并由本发明的设备检测到的同样三种类型的步伐；图5是在本发明的一个实施例中由本发明的设备执行的处理操作的流程图；图6a至6f示出了在本发明的一个实施例中由本发明的设备检测到的与步行者的鞋的6个不同位置相对应的步行者的6种类型的位移；图7以简化的方式示出了被执行以检测图6a至6f的位移的处理操作；图8示出了本发明的一个实施例，其中该设备戴在手上。
具体实施例方式图Ia和Ib示出了在本发明的多个实施例中的根据本发明的设备的定位的示例。不同于现有技术的DDR设备的实施例，游戏者可以四处移动而不需要将安装了仪器的垫置于他的脚下。在图Ia中，游戏者在他的每个下肢上佩戴了传感器，优选在他的鞋子下面或者鞋子上。该传感器可以被整合到鞋底中，或者由弹性腕带固定到鞋子上面，或者也可以由弹性腕带固定到每个脚踝上。可以使用的传感器的类型如图加所示。依赖于传感器的固定位置，校准或许是必需的或者有用的，如图5中的解释那样。同样的设备可以用于玩除DDR之外的游戏，主要是行走模拟游戏或者使用音乐仪器的游戏，例如打击乐器。在所有的情况中，运动捕获设备都链接到远离游戏者的计算设备上以及链接到游戏控制和显示设备上。在其他游戏场景中，诸如图Ib表示的那种场景，游戏者可以将运动捕获设备戴在他的一只手或两只手上，手的运动将被分析以与引导场景进行比较或者用于生成针对链接到计算模块的系统的命令。图加和2b示出了在本发明的一个实施例中用于实现本发明的传感器和处理单元的示例。在DDR类型的场景中或者在其他游戏场景中，游戏者将在合理选择的位置 (鞋子、脚踝、手腕的下面或上面等)处佩戴图加中表示的类型的设备200(该设备是 MotionPod )，虽然这种类型的设备所提供的所有可能性在本发明的上下文中所设想的实施例中并没有得到完全的利用。本身是现有设备的MotionPod包括加速计210和磁力计 230。这两种传感器是三轴的。单轴或双轴加速计在某些应用情况(DDR，在DDR中所有单元被提供以执行都位于单个方向上的步伐)中就已经足够了，一个轴用于检测位移，另一可能的轴用于检测运动的开始。然而，在大部分的情况中，三轴加速计将是必需的以确定运动的方向。磁力计可以与加速计组合使用，主要用于确定脚的方向(偏航和俯仰)，这将在图 6C中看到。磁力计的其他用途也是可能的，该传感器优于加速计之处是提供对偏航测量结果的访问。MotionPod还包括能够对来自传感器的信号进行预格式化的预处理能力、用于将所述信号传输给处理模块本身的射频传输模块以及电池。该运动传感器称为“3A3M”(三个加速计轴和三个磁力计轴)。加速计和磁力计是市场上标准的微传感器(其体积小、功耗低并且成本低)，例如，KioniXTM(KXPA43628)公司的三通道加速计以及HMC1041Z类型(1个垂直通道)和HMC1042L类型(两个水平通道)的Honeywell 磁力计。还有其他的提供商提供磁力计的 Memsic 或 Asahi Kasei ，提供加速计的 STM 、FreescaleTM、Analog Device , 这里仅给出若干示例。在MotionPod中，对于6个信号通道而言，存在着仅一个模拟滤波阶段，并且之后在模数转换(12比特)之后，原始信号由针对这种类型的应用中的功耗而被优化的蓝牙TM频带0.4GHz)中的射频协议传递。因此所述数据未经加工地到达连接到图2b 的计算模块220的控制器处。该控制器可以接收来自一组传感器(例如，两个传感器)的数据，每个传感器位于其中一只鞋上。所述数据由控制器读取并且可由软件使用。采样速率可以调节。缺省地，将采样速率设置为200Hz。还可以设想更高的值(高达3000Hz或者更高)，从而例如在检测冲击时允许更高的精度。能够实现本发明并且将在图5中呈现的处理操作位于计算模块220上，该计算模块可以驻留在市场上标准的PC的中央处理单元上、游戏控制台上或者游戏城类型的计算机系统上。计算模块的显示器使得游戏者能够查看提供给他以执行游戏场景的设定点，从而相比于模型的运动，能够跟随他的化身的运动(如果恰当的话)，并且在任何情况下能够被通知他的性能水平。图3a至图3c示出了在本发明的一个实施例中从上方看到的并由本发明的设备检测到的三种类型的步伐。如从图3a、图北和图3c中看到的那样，DDR游戏的基本场景对舞蹈者的前向 (3a)、侧向(3b)和后向(3c)的步伐进行响应。在具有被安排成方形的9个单元的虚拟舞毯上，还能够设想这里没有表示的对角步伐。还能够设想通过增加单元的数量、通过改变单元的形状或者大小来将舞毯延伸到整个可能的地面区域。如图3a所示，左脚离开位置310a (其中其首先抬起)并到达位置320a (左脚在该位置再次放下)。轨迹310a、320a表示脚的步伐特性的飞行阶段。弧330a表示步伐的方向，在这种情况中是向前。箭头340a表示该方向中步伐的线。数量350a表示抬起与落下之间步伐的长度。\在现有技术的DDR设备中，游戏者对位于脚的新位置320a下的传感器的压力使得能够在将脚放置在舞毯的其中一个单元上时定位后者，因此能够推导执行的步伐。另一方面，在根据本发明的舞蹈游戏设备中，如图3a、图北和图3c所示，戴在游戏者的脚上的传感器能够通过检测脚的抬起和/或脚的位置以及通过确定位移的方向、线和长度来跟随脚的轨迹。图4示出了在本发明的一个实施例中从侧面看到的并由本发明的设备检测到的同样三种类型的步伐。图4将游戏者的脚的抬起与落下进行分解，这确定了步伐的开始和结束。这是在该图的3种情况中可以由加速计210检测到的两个时刻，如图其他情况一样。在读取加速计时，这两个时刻实际上是由根据本发明的处理操作隔离的不连续的时刻，下面将对此进行解释。该处理用于对运动进行划分并因此用于确定步伐。图5是在本发明的一个实施例中由本发明的设备执行的处理操作的流程图。传感器在鞋子上可以位于任何方向上，但是在处理操作中有必要在计算步骤之前包含校准步骤，尤其是在加速计的坐标系统与水平面形成基本上大于20°的角度的情况下。示例性的校准被描述为解剖校准或者模块校准——该模块是鞋——在公开号为 EP1985233的欧洲申请中公开，并且属于同一申请。当角度小于20°时，该处理对于这种方向缺陷而言是鲁棒的。否则，该校准步骤使得能够补偿鞋子上的传感器的方向，并且能够切换到与鞋子有关方向的虚拟轴。在下面的步骤中，测量结果在沿着垂直轴、沿着面向前方的水平轴(从脚跟到脚尖)、以及沿着垂直于脚跟-脚跟轴并面向穿着鞋子的人的左边的另一水平轴上是可用的。之后，确定步伐包括以下步骤-划分步伐；-确定步伐的方向和线；-如果需要的话，确定步伐的长度。1、步伐划分如图4所示，第一步骤是确定抬起脚和放下脚的时刻，或者仅确定放下脚的时刻。 根据应用场景，可用使用来自加速计的仅一个轴、来自2个或3个轴的测量结果。依赖于计算步骤，这些测量结果以原始形式作为绝对值来被使用，有可能出现偏差。在第一实施例中，仅将与着陆(落下)相关联的冲击用于所述划分。然后，对过去的直到前一冲击为止的冲击执行方向检测计算。作为加速计210的输出而被接收的数据Ax、Ay和Az中至少一个数据由计算模块 220处理。基于加速范数，脚落下步骤是冲击检测的目标如果其中一个轴上的加速度测量结果的绝对值或者范数(例如，垂直AZ)超过通过设置确定的阈值，则检测冲击。在两个冲击之间，保存信号，并且获得一系列的称为SAX、SAy和SAz的值Ax、Ay和Az。在该实施例的变形中，为了避免错误回弹的出现，有可能仅对具有大量测量结果的(两个冲击之间的)一系列值进行处理，这对应于执行所述运动的最小时间。类似地，在被提供以改善转换的检测的补充变形中，在冲击开始和结束处的部分信号可以被移除，因为它们或许包含脚/地面冲击的测量结果而不包含转换的测量结果。在第二实施例中，还能够通过设置阈值来检测用于划分步伐的起跳和着陆。在该实施例中，沿着1个、2个或3个轴的加速度与这些值的偏差的组合被使用并且与通过设定确定的阈值进行比较。当该组合超过阈值足够长的持续时间，则检测到步伐的开始。当下降至低于阈值足够长的持续时间，则检测到步伐的结束。在该实施例的变形中，在滑动时间窗上对值进行低通滤波，其中，滑动时间窗的持续时间也通过设定来确定。在该步骤的最后，时间窗是可用的，该时间窗由步伐的开始和结束定界。2、检测步伐的方向和线在前一步骤的两个实施例中，过程是相同的。首先，SAx和SAy将各自的平均值移
除，以找到传感器的特定的加速度。
权利要求
1.一种用于表征对象的运动的设备(10)，所述设备包括安全固定到所述对象上的至少一个加速计Ο ο)以及计算模块020)，在所述设备中，所述计算模块能够使用所述至少一个加速计的输出来执行用于在第一位置(310a、310b、310c)和第二位置(320a、320b、 320c)之间将所述运动划分成单个运动的至少一个功能，所述第一位置和第二位置是基本上静止的或受冲击分隔的，用于确定每个单个运动的方向(330a、330b、330c)和线(340a、 340b,340c)的至少一个功能。
2.根据权利要求1所述的表征对象的运动的设备，其中，所述计算模块(220)还能够执行用于计算运动的方向上所述单个运动的长度(350a、350b、350c)的至少一个功能。
3.根据权利要求1和2中任一项权利要求所述的用于表征对象的运动的设备，其中，所述对象是人的脚。
4.根据权利要求1和2中任一项权利要求所述的用于表征对象的运动的设备，其中，所述对象是手。
5.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的用于表征对象的运动的设备，其中，所述计算模块还能够执行用于评估所述对象的运动相对于预记录运动的至少一个序列的一致性的功能。
6.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的用于表征对象的运动的设备，其中，所述计算模块还能够执行用于控制链接到所述计算模块O20)的显示器上的表示真实运动中的所述对象(10)的虚拟对象的位移的功能，所述位移在逻辑上和数量上对应于所述运动。
7.根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的用于表征对象的运动的设备，其中，所述设备还包括安全固定到所述对象上的至少一个磁力计(230)，并且所述计算模块还能够使用所述至少一个加速计和所述至少一个磁力计的输出来执行用于确定在至少一个平面中所述对象的方向(610c)的功能。
8.一种用于表征对象(10)的运动的方法，所述方法包括用于捕获来自安全固定到在所述对象上的至少一个加速计O10)的输出信号的至少一个步骤，以及由处理器(220)进行计算的步骤，在所述方法中，在所述计算步骤期间，使用来自用于捕获来自至少一个加速计的所述输出信号的步骤的输出来执行用于在第一位置(310a、310b、310c)与第二位置 (320a.320b.320c)之间将所述运动划分成单个运动的至少一个功能，所述第一位置和第二位置是基本上静止的，用于确定每个单个运动的方向(330a、330b、330c)和线(340a、340b、 340c)的至少一个功能。
9.根据权利要求8所述的用于表征对象的运动的方法，其中，在所述计算步骤期间，还执行用于计算运动的方向上所述单个运动的长度(350a、350b、350c)的至少一个功能。
10.根据权利要求8和9中任一项权利要求所述的用于表征对象的运动的方法，其中， 所述对象是人的脚，以及所述单个运动是步伐。
11.根据权利要求8至10中任一项权利要求所述的用于表征对象的运动的方法，其中， 所述计算步骤还包括当鞋上的加速计的仰角基本上大于20°时，用于校准从用于捕获所述加速计的所述输出信号的步骤输出的测量结果的步骤。
12.根据权利要求8至11中任一项权利要求所述的用于表征对象的运动的方法，其中， 所述步伐划分功能包括用于以从所述加速计的至少一个轴输出的测量结果的平均值为中心的步骤。
13.根据权利要求8至11中任一项权利要求所述的用于表征对象的运动的方法，其中， 所述步伐划分功能还包括基于中心的测量结果的至少一个滑动平均的计算的滤波步骤。
14.根据权利要求8至13中任一项权利要求所述的用于表征对象的运动的方法，其中， 所述步伐划分功能包括用于计算从所述加速计(210)输出的至少一个被测量的或者被计算的值的范数，之后将所述范数与预定阈值进行比较，以据此推导所述步伐的开始或结束的步骤。
15.根据权利要求14所述的用于表征对象的运动的方法，其中，所述步伐划分功能仅对比预定值大的时间范围内的测量结果进行处理。
16.根据权利要求15所述的用于表征对象的运动的方法，其中，所述步伐划分功能仅对从第一所选时间间隔的结束处开始并在第二所选时间间隔的开始处结束的测量结果进行处理，其中，所述第一所选时间间隔在所述步伐的开始之后，所述第二所选时间间隔在所述步伐的结束之前。
17.根据权利要求14至16中任一项权利要求所述的用于表征对象的运动的方法，其中，所述用于确定所述步伐的方向的所述功能包括用于对在所述步伐划分功能的输出处确定的信号样本，计算沿着基本上平行于所述步伐的平面的两个轴中的每个轴上对测量结果进行积分的绝对值的最大值的步骤，之后用于将沿着其中一个轴的最大值与另一轴上的最大值进行比较的步骤，所述步伐的方向被确定为具有最大值的轴的方向。
18.根据权利要求14至16中任一项权利要求所述的用于表征对象的运动的方法，其中，所述用于确定所述步伐的方向的所述功能包括用于对在所述步伐划分功能的输出处确定的信号样本，计算沿着基本上平行于所述步伐的平面的两个轴中的每个轴上的测量结果的积分的绝对值的最大值的步骤，之后用于计算沿着这两个轴的最大值的比率的步骤， 所述步伐的方向被确定为与其最大值是所述比率的分母的轴形成一个角度，其中所述角度的正切等于所述比率。
19.根据权利要求17和18中任一项权利要求所述的用于表征对象的运动的方法，其中，所述用于确定所述步伐的线的功能包括在用于确定所述步伐的方向的步骤的输出处， 用于确定沿着所述两个轴的最大值的符号的步骤，所述符号确定了在所确定的方向上所述步伐的线。
20.根据权利要求17至19中任一项权利要求所述的用于表征对象的运动的方法，其中，用于计算所述步伐的长度的功能包括用于根据在用于确定所述步伐的方向和线的功能的输出处确定的所述步伐的方向，对测量结果的绝对值进行双重积分的步骤。
全文摘要
本发明提供一种用于表征对象尤其是安装有至少一个加速计的人的肢体执行的运动的设备和方法。本发明尤其适用于确定人的步伐的方向、线和长度。本发明使用用于处理来自传感器的信号的算法来使得能够通过将从所述传感器输出的信号与阈值进行比较来识别肢体的抬起和着陆来划分步伐，能够通过将沿着基本上平行于行走平面的两个轴的信号的最大值进行比较来确定步伐的方向和线，以及能够通过根据步伐的方向来对信号进行双重积分来计算步伐的长度。本发明还适用于处理具有与步伐的特性相类似的趋势特性的运动。
文档编号G06F3/033GK102307525SQ200980156310
公开日2012年1月4日 申请日期2009年12月29日 优先权日2009年1月5日
发明者C·戈丹, E·德福拉斯, G·奥热, Y·卡里图 申请人:原子能和辅助替代能源委员会, 莫韦公司