一种姿态动态捕捉方法及装置与流程

本发明属于动作捕捉技术领域，具体涉及一种动作捕捉方法及装置。

背景技术：

动作捕捉技术是指记录并处理人或其他物体动作的技术，是通过人体动作对计算机系统进行输入的一种手段，被广泛应用于军事，娱乐，体育，医疗应用，计算机视觉以及机器人技术等诸多领域。

动作捕捉技术根据原理的不同主要包括：

机械式动作捕捉，其依靠机械装置来跟踪和测量运动轨迹，但是难以实现对于多自由度的关节运动捕捉，同时由于自身尺寸和重量，使用并不方便，对用户的动作阻碍和限制较大。

声学式动作捕捉，由超声发送器、接收器和处理单元组成，该方法存在对运动捕捉实时性较差，对动作的捕捉有滞后，精度较低，同时易受外界环境因素的干扰。

光学式动作捕捉，通过对目标上特定光点的监视和跟踪来捕捉动作，该方法利用相机连续拍摄物体的运动并把图像序列保存下来进行分析和处理，计算每一个标志点在某一瞬间的空间位置，并从而得到其准确的运动轨迹。但是存在成本高，后处理工作量较大的缺点。

惯性导航式动作捕捉通过惯性导航传感器AHRS(航姿参考系统)、IMU(惯性测量单元)测量用户运动加速度、方位、倾斜角等参数。由于采用高集成芯片、模块，体积小、尺寸小，重量轻，性价比高。惯导传感器佩戴在表演者头上，或通过传感器组成数据服穿戴，通过USB线、蓝牙等与主机相联，分别可以跟踪头部、全身动作，实时显示完整的动作，但是由于测量噪声和游走误差等因素的影响对传感器的精度和系统要求较高。

因此，需要对现有技术中惯性导航式动作捕捉技术中传感器测量精度和系统算法进行优化，扩大动作捕捉技术的通用性。

技术实现要素：

针对现有技术存在的技术缺陷，本发明的目的是提供一种姿态动态捕捉方法，包括：

根据人体动作上的多点传感器检测到的运动信息，获取人体多点定位信息；

基于所述多点定位信息及标准人体动作信息得到当前人体动作信息。

优选地，多点传感器按照如下方式布置：

沿人体单只手臂的延伸方向布置六个传感器，其中，手掌布置两个传感器，前臂布置一个传感器，手肘布置一个传感器，大臂布置一个传感器，靠近肩膀的位置布置一个传感器。

优选地，前臂上的传感器与手肘上的传感器的连线与前臂的中轴线的夹角为0～5°。

优选地，大臂上的传感器与靠近肩膀的位置上的传感器的连线与大臂的中轴线的夹角为7°～12°。

优选地，所述运动信息包括：人体动作上多点的角速度、加速度及方位信息。

优选地，所述获取人体多点定位信息包括：

根据传感器在人体动作上的位置信息对所述运动信息进行校准以获取所述多点定位信息。

优选地，采用互补滤波的方式根据传感器在人体动作上的位置信息对所述运动信息进行校准，其中，所述传感器在人体动作上的位置信息包括人体对应位置的俯仰角θ、横滚角γ以及动态加速度f，通过以下公式获得的互补滤波的时间常数τ：

若俯仰角θ、横滚角γ均在[0.4π，0.6π]U[-0.4π，-0.6π]区间内，则其中τ₀为恒定的时间常数，g为重力加速度，k为常数；

若俯仰角θ、横滚角γ均不在[0.4π，0.6π]U[-0.4π，-0.6π]区间内，则τ＝τ₀。

优选地，所述标准人体动作信息具有若干种，所述基于所述多点定位信息及标准人体动作信息得到当前人体动作信息包括：

输出所述标准人体动作信息上确定的标准多点定位信息；

将当前人体多点定位信息与确定的标准多点定位信息进行比较并取一致比例最高的标准多点定位信息所对应的标准人体动作信息作为当前人体动作信息。

优选地，所述人体动作上的多点对应人体结构部分，所述标准人体动作信息包括人体结构部分的标准定位信息，所述基于所述多点定位信息及标准人体动作信息得到当前人体动作信息包括：

根据所述多点定位信息及标准人体动作信息对应的人体结构部分的标准定位信息调整所述标准人体动作信息；

将调整后的标准人体动作信息作为所述当前人体动作信息，并将调整后的标准人体动作信息作为所述标准人体动作信息，将所述多点定位信息作为所述人体结构部分的标准定位信息。

本发明还提供一种姿态动态捕捉装置，包括：传感器及微处理器，所述微处理器与所述外部通信模块连接；所述微处理器适于所述根据人体动作上的多点传感器检测到的运动信息以获取人体多点定位信息，并基于所述多点定位信息及标准人体动作信息得到当前人体动作信息。

优选地，所述传感器适于检测人体动作上多点的角速度、加速度及方位信息。

优选地，所述微处理器包括：标准人体动作信息存储单元及比较单元，所述比较单元适于将当前人体多点定位信息与确定的标准多点定位信息进行比较并取一致比例最高的标准多点定位信息所对应的标准人体动作信息作为当前人体动作信息。

优选地，所述微处理器包括：标准人体动作信息存储单元、人体结构部分的标准定位信息存储单元、调整单元及更新单元；

所述调整单元适于根据所述多点定位信息及标准人体动作信息对应的人体结构部分的标准定位信息调整所述标准人体动作信息并将调整后的标准人体动作信息作为所述当前人体动作信息输出；

所述更新单元适于将调整后的标准人体动作信息作为所述标准人体动作信息，将所述多点定位信息作为所述人体结构部分的标准定位信息。

本发明还涉及一种姿态动态捕捉系统，其包括：前述的姿态动态捕捉装置、通信模块及与所述通信模块对接的接收模块。

本发明根据在人体重要节点设置的多个传感器，通过算法修正误差以实现对人体动作进行捕捉，能够对人体动作实时捕捉，具有灵敏度高、动态性能好，便于佩戴等优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出了本发明的具体实施方式的，一种姿态动态捕捉方法的流程图；

图2示出了本发明的具体实施方式的，一种姿态动态捕捉方法的流程图；

图3示出了本发明的具体实施方式的，一种姿态动态捕捉方法的流程图；

图4示出了本发明的具体实施方式的，一种姿态动态捕捉装置的模块结构示意图；

图5示出了本发明的具体实施方式的，微处理器的模块结构示意图；以及

图6示出了本发明的具体实施方式的，微处理器的模块结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合附图及其实施例对本发明的技术方案进行描述。

需要说明的是，本发明的技术方案通过专门的姿态动态捕捉装置，在人体不同部位设置多个传感器模块，通过有线或无线通讯方式将检测获得的数据通过计算机系统后台进行处理后，获得测量节点的随时间变化的空间位置变化情况，从而捕捉人体相应部位的动作。

图1示出了本发明的具体实施方式的，一种姿态动态捕捉方法的流程图。在本实施例中，所述姿态动态捕捉方法包括如下步骤：

步骤S101，根据人体动作上的多点传感器检测到的运动信息，获取人体多点定位信息。在该步骤中，所述多点传感器为模块化的微型传感器，由加速计、陀螺仪、磁力计等装置组成的惯性传感器，对测量对象的空间位置实时检测，所述多点传感器可以感应绕空间轴的旋转，通过相应的算法来计算姿态、速度、运动加速度等参数，从而获得人体动作上多点的角速度、加速度以及方位等运动信息。具体的，所述加速计可以检测所述传感器受到的加速度的大小和方向，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(XYZ)；所述陀螺仪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所述传感器在三维空间的运动状态；所述磁力计可以弥补所述陀螺仪不能确定所述传感器的方位的缺陷，其用于定位所述传感器的方位，可以测量出所述传感器与东南西北四个方向上的夹角。进一步地，基于传感器融合算法(sensor fusion)将上述加速计、陀螺仪、磁力计等装置的检测数据进行融合，相互填补空白数据和测量数据误差，进一步地，基于卡尔曼滤波等算法进行后处理，进而得到连续流畅的三轴方位角度输出数据。

具体地，先通过静止状态下所述加速计的信息，推出初始状态下的滚转角和俯仰角，通过所述磁力计的信息，求出初始的偏航角。通过所述陀螺仪的角速度数据可以更新四元数，通过更新的四元数即可求出当前状态下的角度数据。所述加速计的加速度信息通过旋转矩阵，转换到导航坐标系的加速度，通过积分可以知道人体运动的速度和位置信息。为了纠正误差积累产生的影响，通过零速度检测，将所检测的零速度点当作观测，进行卡尔曼滤波；同时对于偏航角，我们可以通过磁力矩计的观测进行卡尔曼滤波。

进一步地，所述传感器通过固定装置被安装在人体，所述固定装置可以是穿戴的可以伸缩的绑带、袖套等装置。所述人体多点定位信息是指所述传感器所对应安装在人体节点随时间变化在空间中的三维坐标信息。

步骤S102，基于所述多点定位信息及标准人体动作信息得到当前人体动作信息。本领域技术人员理解，所述标准人体动作信息预先存储在计算机系统数据库中，其适于量化表征人体各部位在不同动作时的状态参数。所述标准人体动作信息是基于人体结构特点对人体各部位动作情况的数据。进一步地，比较不同时间点所述多点定位信息随时间的变化形成的连续动作序列和所述标准人体动作信息，根据比对结果获取二者的偏差判断动作的耦合程度，并从中确定对应的标准人体动作信息作为当前人体动作信息。

在一个优选的具体实施例中，利用反向运动学原理获取所述当前人体动作信息，本领域技术人员理解，反向运动学根据决定运动的几个主关节最终角度确定整个骨架的运动，由不同运动约束的关节连接成环节构成的分级结构骨架。分级结构骨架由许多采用分级方式组的环节链构成，包括分级结构关节或链，运动约束和效应器，由效应器带动所有部分同时运动。但必须遵循特定的等级关系，以便在变换时阻止各个部件向不同方向散开。如：投球动作，只规定出球的起始位置、终了位置和路径，手臂等即跟随关节的转动可按反向运动学自动算出。

进一步地，在本发明的一个具体应用场景中，以人体手臂作为记录、跟踪对象。多点传感器按照如下方式布置，沿人体单只手臂的延伸方向布置六个传感器。其中，手掌布置两个传感器，前臂布置一个传感器，手肘布置一个传感器，大臂布置一个传感器，靠近肩膀的位置布置一个传感器。相应的，设置在手掌的两个所述传感器可用固定在手套上，使用时，用户带上手套，两个所述传感器收集用户手掌的运动信息，包括位置、速度、加速度以及握拳或者摊开手掌等动作。设置在用户前臂、手肘及大臂的所述传感器被至于绑带等结构中，所述绑带可以通过拉链、魔术贴、搭扣等结构采用可拆卸方式固定在人体。通过这样的设置，利用六个所述传感器布置在人体手臂及手掌的不同部位，从而可以确定用户整条胳膊的运动信息。

进一步地，在一个更为优选的实施例中，前臂上的所述传感器与手肘上的所述传感器的连线与前臂的中轴线的夹角为0～5°。通过这样的设置，以提高用户体验和检测的精度。更进一步地，大臂上的传感器与靠近肩膀的位置上的传感器的连线与大臂的中轴线的夹角为7°～12°。基于本发明的技术方案获取所述当前人体动作信息之后，所述当前人体动作信息可进一步输出至外界设备进行互动，从而再应用于各种场景中。

图2示出了本发明的具体实施方式的，一种姿态动态捕捉方法的流程图。在这样的实施例中，包括如下步骤：

步骤S201，根据多点传感器在人体动作上的位置信息对所述传感器检测到的运动信息进行校准以获取人体多点定位信息。该步骤作为上述图1中步骤S101的一个细化，所述传感器被分别安装在人体的手掌、手臂、手肘等重要节点位置，所述传感器在获取人体对应节点位置的诸如速度、加速度、角速度等运动信息后。基于人体各部位的位置以及人体在进行不同动作过程中，不同位置的相互关系，判断所述运动信息与实际人体动作变化情况的偏差对所述运动信息进行校准，进而获取人体多点定位信息。

具体地，作为步骤S201的一个优选实施方式，采用互补滤波的方式根据传感器在人体动作上的位置信息对所述运动信息进行校准。本领域技术人员理解，互补滤波是数据融合的常用方式之一，在本发明中，根据所述运动信息中的加速度采用矢量观察法获得一个结果，又根据所述运动信息中的角速度采用角速度积分法获得一个结果，而互补滤波即为对这两个结果的融合，互补滤波可以其使用两个频域互补的滤波器，包括低通滤波器和高通滤波器，在实施互补滤波时，时间常数τ是关键指标，对于低通滤波器而言，只有周期大于τ的信号才能通过，对于高通滤波器，只有周期小于τ的信号才能通过。

更为具体地，本发明通过以下方式确定互补滤波的时间常数τ，所述传感器在人体动作上的位置信息包括人体对应位置的俯仰角θ、横滚角γ以及动态加速度f，通过以下公式获得的互补滤波的时间常数τ：若俯仰角θ、横滚角γ均在[0.4π，0.6π]∪[-0.4π，-0.6π]区间内，则其中τ₀为恒定的时间常数，g为重力加速度，k为常数；若俯仰角θ、横滚角γ均不在[0.4π，0.6π]U[-0.4π，-0.6π]区间内，则τ＝τ₀。本领域技术人员理解，其基本原理就是，如果俯仰角θ、横滚角γ如果与±π/2相差较大，且动态加速度较小时，缩小时间常数τ，其余情况则使用恒定的时间常数τ₀。

步骤S2021，输出标准人体动作信息上确定的标准多点定位信息。需要说明的是，在这样的实施例中，所述标准人体动作信息具有若干种，例如，标准人体动作下的加速度、速度、位移以及所述标准多点定位信息。本领域技术人员理解，基于人体结构中各部位节点的连接和位置关系，在标准人体动作过程中各部位节点的运动具有限定性，通过在计算机控制系统的数据库中调用对应的标准人体多点定位信息作为目标参考点。

步骤S2022，将当前人体多点定位信息与确定的标准多点定位信息进行比较并取一致比例最高的标准多点定位信息所对应的标准人体动作信息作为当前人体动作信息。在该步骤中，通过对实际检测的所述人体多点定位信息与所述确定的标准多点定位信息进行拟合，通过相应的算法将一致比例最高的标准多点定位信息所对应的标准人体动作信息作为当前人体动作信息。本领域技术人员理解，通过这样的设置，可以将实际人体动作与数据库中的标准人体动作进行一一映射，最终输出对应的动作信息。

图3示出了本发明的具体实施方式的，一种姿态动态捕捉方法的流程图。在这样的实施例中，所述人体动作上的多点对应人体结构部分，例如，手指、手掌、手臂上的特定部位或者手肘等人体结构部分，所述标准人体动作信息包括人体结构部分的标准定位信息，进一步地，在该实施例中，包括如下步骤：

步骤S301，根据人体动作上的多点传感器检测到的运动信息，获取人体多点定位信息。所述多点定位信息即所述对应人体结构部分的空间定位信息。本领域技术人员可以参考上述图1中步骤S101及其具体实施例。相应地，在一个变化例中，本领域技术人员也可以参考上述图2中步骤S201及其具体实施例，这都不影响本发明的实质，在此不予赘述。

随后进入步骤S3021，根据所述多点定位信息及标准人体动作信息对应的人体结构部分的标准定位信息调整所述标准人体动作信息。在本步骤中，根据人体任意确定的人体结构部分分别对应有基于上述步骤S301获取的所述多点定位信息以及计算机系统数据库中存储的所述标准定位信息。将所述标准定位信息向与之对应的所述多点定位信息收敛，从而调整所述标准人体动作信息。

进一步地，通过步骤S3022，将调整后的标准人体动作信息作为所述当前人体动作信息。更进一步地，将调整后的标准人体动作信息作为所述标准人体动作信息，将所述多点定位信息作为所述人体结构部分的标准定位信息。通过这样的设置，通过循环执行本实施例的各步骤，可以对本发明所确定的当前人体动作信息不断进行校准，以提高拟合的精确度。

本领域技术人员理解，上述步骤S3021以及步骤S3022作为上述图1中步骤S102，基于多点定位信息及标准人体动作信息得到当前人体动作信息的细化，具体阐述了对标准人体动作信息根据实际检测情况进行修正、校准以实现本发明的目的。

综上所述，本发明的姿态动态捕捉方法，通过捕捉测量节点空间定位情况随时间的变化，选取预先根据人体结构存储的对应程度最高的标准人体动作信息作为当前人体动作信息，或者基于实际获取的多点定位信息与标准人体动作信息的映射关系，采用特定算法调整所述标准人体动作信息作为当前人体信息。进一步地，本领域技术人员理解，通过将所述当前人体动作信息输出至不同的外部终端可以实现不同的应用目的。

以下为本发明的捕捉用户行为的装置实施例，对于其中未详尽描述的细节，可以参考上述对应的方法实施例。图4示出了本发明的具体实施方式的，一种姿态动态捕捉装置的模块结构示意图。本发明采用模块化结构设计，所述姿态动态捕捉装置包括，传感器12以及微处理器11，具体的，所述传感器12的数目为多个，被分布安装在人体的不同部位，所述微处理器11分别与每一个所述传感器12连接并通讯，而在另一个具体实施例中，所述微处理器11可以与所述传感器12的数目一一对应。即每一个所述微处理器11获取并处理一个所述传感器12的检测数据。所述传感器12适于检测人体动作上多点的角速度、加速度及方位等运动信息，其工作原理可以参考上述方法实施例中的具体描述，在人体进行不同动作时将因人体动作而产生的加速度、角速度等运动信息转换成动作讯号。所述传感器12将检测的所述运动信息对应的动作讯号传输给所述微处理器11，所述微处理器接收所述运动信息对应的动作讯号并进行处理以获取对应检测时间点时人体多点定位信息，并基于所述多点定位信息及标准人体动作信息得到当前人体动作信息，例如，左移、右移、翻转、举手、勾拳等动作。具体地，本领域技术人员可以参考上述方法发明的相关描述，在此不予赘述。进一步地，所述微处理器11还与外部通信模块连接并通讯，具体地，可以通过蓝牙、Wi-Fi、2.4Gzh DSSS等无线通讯方式进行通讯，从而实现与外部终端的数据传输，以应用在动画制作，步态分析，生物力学，人机工程等领域。

进一步地，图5示出了本发明的具体实施方式的，微处理器的模块结构示意图。具体的，所述微处理器11包括标准人体动作信息存储单元111及比较单元112，所述标准人体动作信息存储单元111存储有标准人体动作信息，所述标准人体动作信息具有若干种，其至少包括确定的标准多点定位信息；所述比较单元112将当前人体多点定位信息与确定的标准多点定位信息进行比较并取一致比例最高的标准多点定位信息所对应的标准人体动作信息作为当前人体动作信息，更为具体地，本领域技术人员可以参考上述方法实施例，在此不予赘述。

作为图5所示实施例的一个变化例，图6示出了本发明的具体实施方式的，微处理器的模块结构示意图。在这样的实施例中，所述人体动作上的多点对应人体结构部分，所述标准人体动作信息包括人体结构部分的标准定位信息。具体地，所述微处理器11包括标准人体动作信息存储单元111、调整单元115以及更新单元116。其中，所述标准人体动作信息存储单元111存储有上述人体结构部分的标准定位信息；所述调整单元115根据所述多点定位信息及所准人体动作信息对应的人体结构部分的标准定位信息调整所述标准人体动作信息并将调整后的标准人体动作信息作为所述当前人体动作信息输出至所述外部通信模块2；所述更新单元116适于将调整后的标准人体动作信息作为所述标准人体动作信息，将所述多点定位信息作为所述人体结构部分的标准定位信息，从而不断对后续检测进行校准、修正，提高本发明的检测精度。

进一步地，本发明还提供一种姿态动态捕捉系统，所述姿态动态捕捉系统包括本发明所述的姿态动态捕捉装置、通讯模块以及与所述通讯模块对接的接收模块。所述姿态动态捕捉装置具体可以参考上述图4至图5所示实施例；所述通信模块优选通过蓝牙、Wi-Fi、2.4Gzh DSSS等无线通讯方式与所述姿态动态捕捉装置通讯。本领域技术人员理解，所述接收模块可以是设置其他外部终端中，所述通讯模块作为所述姿态动态捕捉装置与所述外部终端通讯传输的中介，可以实现在不同外部终端中实现不同的应用，例如，影视特效与动画、虚拟现实与游戏、体育运动与训练等等。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。