CN101689304A - 对象动作捕捉系统和方法 - Google Patents

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Abstract

在一种捕捉对象的移动的系统和方法中，使用具有光学标记和动作传感器的跟踪设备，该动作传感器提供表示跟踪设备的位置和方向的动作数据。跟踪设备被连接至对象，通过摄像机记录光学标记的动作以由此提供表示跟踪设备的位置的视频数据。动作数据和视频数据被结合地处理以随时随地确定跟踪设备的位置和方向。

Description

对象动作捕捉系统和方法
发明领域
本发明涉及捕捉对象的动作的系统和方法。
发明背景
在许多领域，诸如运动领域、保健领域、电影和动画领域和康复领域，捕捉运动对象的动作扮演了至关重要的角色。一旦动作被捕捉到，能够确定不同的动作特性，诸如实时位置、速度、加速度、距离、经过的时间、旋转速率等等。该对象可以是人、动物、植物或任何无生命的设备。该动作可以是对象作为整体的动作或对象的部分的动作或这些动作的组合，其中对象的不同部分可以同时执行不同的动作。
相当多的技术发展已经实现以捕捉与运动相关的动作，例如男子运动员和女子运动员(如运动选手)的动作、运动或比赛对象的动作，如足球、棒球、高尔夫球棒等等。
在第一种类型的已知系统中，使用一个或多个摄像机以捕捉移动对象的图像。在预定位置为对象提供一个或多个光学标记，一个或多个摄像机实时地记录标记的位置。该记录进而又被用于图像的处理以实时地重建对象的动作。一个例子是捕捉高尔夫球棒的移动，例如在US-A-4163941中公开的。另一个例子是捕捉在(一个或多个)摄像机前移动的人的移动，其中标记已经与不同身体部位相附着或相连，诸如头、身体、臂和腿。通过所记录的不同标记的坐标移动，数据处理装置可以提取数据以提供移动的特性，或提供对象或相关对象的渲染图像，模拟原始的移动。
在第二种类型的已知系统中，动作传感器附着或连接至对象，或嵌入其中。动作传感器可以提供表示不同方向(诸如三个互相垂直的方向X、Y和Z)加速度的信号，提供表示不同方向(诸如三个互相垂直的方向X、Y和Z)磁场的信号的磁力计，和计时信号。使用这种动作传感器的例子还是捕捉高尔夫球棒的移动，例如在WO-A-2006/010934中公开的。动作传感器可以进一步包含X、Y和Z方向上的陀螺仪，其测量动作传感器围绕X、Y和Z轴的旋转速度。
在上述使用一个或多个光学标记以捕捉对象动作的第一类型的系统中，当光学标记移动出试图记录光学标记动作的摄像机的视场时，或者仍然在摄像机的视场内但是隐藏(在视线外)在另一个光学标记、对象的一部分或其它对象的后面时，则出现了问题。在这种情况中，摄像机不能够跟踪光学标记，相应的动作捕捉也变得不能完成或至少不可靠。对于这个问题，可能的解决方案是使用多个摄像机，然而，这将不能完全解决问题，其非常昂贵并且增加了动作捕捉系统的复杂度。
在上述使用动作传感器以捕捉对象动作的第二类型的系统中，当经过持久的时期动作传感器的位置由于缺少参考或校准位置而不能被精确确定时，则出现了问题。即使动作传感器的初始位置被校准，在动作传感器实时移动期间，位置和方向将很快产生较大误差，从而动作传感器的动作数据变得不可靠。
发明目标
需要提供一种动作捕捉系统和方法，其能够精确和可靠地测量动作特性，像位置、方向、速度、随时的加速度，在对象移动出摄像机视线时也同样。
发明概述
在本发明的一个实施例中，提供了一种捕捉对象的移动的系统，该系统包括跟踪设备，其被配置为连接至对象。该跟踪设备包括至少一个光学标记和至少一个动作传感器，该动作传感器提供表示跟踪设备位置和方向的动作数据。该系统进一步包括至少一个摄像机以记录光学标记的动作，由此提供表示跟踪设备位置的视频数据，还包括链接数据处理器，其被配置用于结合地处理视频数据和动作数据以随时随地(in space over time)确定跟踪设备的位置和方向。
在本发明实施例中的系统允许基于从视频数据确定的位置校正从动作数据确定的位置，因此随时提供更精确的对象(的一部分)的位置估计。即使当视频数据暂时不可得，对象(的一部分)的位置仍然可以被估计。进一步地，在本发明实施例中的系统允许基于从动作数据确定的位置校正从视频数据确定的位置。
在本发明另一个实施例中，提供了一种捕捉对象的移动的方法，使用包括至少一个光学标记的跟踪设备和提供表示跟踪设备位置和方向的动作数据的至少一个动作传感器。在该方法中，跟踪设备连接至对象，光学标记的动作由摄像机记录，由此提供表示跟踪设备位置的视频数据；动作数据和视频数据被结合地处理以随时随地确定跟踪设备的位置和方向。
通过参考随后的详细描述并结合附图考虑，权利要求和优势将更加容易被领会并同样变得更好理解。在附图中相同的参考符号指示相同的部分。
附图简述
图1示意性图解了本发明系统的实施例。
实施例详述
图1示出了指示捕捉对象100的动作的系统的组件的图。在图1的例子中，对象100表示一个人。然而，对象100还可以是动物、植物或设备。对象可以作为整体移动，诸如执行平移和/或旋转移动，和/或者对象可以具有相对于彼此移动的不同部分。随后的描述将集中于人的移动，但应当清楚的是所描述的系统不限于捕捉人的动作。
如图1中所示，对象100具有可相对于彼此移动的不同部分，诸如头、身体、臂和腿。如示意性地指明的，通过示例，对象100的头和身体每个都被提供有一个跟踪设备110，而每条臂和腿被提供有两个跟踪设备110。
跟踪设备110包括动作传感器。动作传感器可以包括至少一个加速度计，其提供表示跟踪设备加速度的加速度信号，或包括多个加速度计(例如三个加速度计)，其在互相垂直的方向上测量加速度并提供表示各个加速度计的加速度的加速度信号。动作传感器进一步可以包括至少一个磁力计，其测量在预定方向上的地球磁场并提供表示跟踪设备方向的方向信号，或包括多个磁力计(例如三个磁力计)，其在互相垂直的方向上测量地球磁场并提供表示跟踪设备方向的方向信号。动作传感器进一步可以包括至少一个陀螺仪，其提供表示跟踪设备围绕预定轴的旋转速度的旋转信号，或包括多个陀螺仪(例如三个陀螺仪)，其在互相垂直的方向上测量旋转速度并提供表示跟踪设备围绕在各自垂直的方向的轴旋转的速度的旋转信号。跟踪设备110进一步包括提供计时信号的计时器。
实际上，跟踪设备110的动作传感器不需要从三个(正交方向的)加速度计和三个(正交方向的)磁力计生成信号以通过所述信号在三个维度中确定跟踪设备110的位置和方向。使用本领域技术人员公知的假设，跟踪设备110的位置和方向还可以通过来自三个加速度计和两个磁力计的信号，或通过来自两个加速度计和三个磁力计的信号，或通过来自两个加速度计和两个磁力计的信号，或通过来自两个加速度计和一个磁力计的信号，或通过来自三个陀螺仪的信号，或通过来自加速度计、磁力计和陀螺仪的其它组合的信号而确定。
跟踪设备110被配置为提供携带动作数据的动作信号，所述动作数据表示跟踪设备110的标识(在下文中：动作标识)、位置和方向，该动作信号包括由一个或多个加速度计、一个或多个磁力计和/或一个或多个陀螺仪在计时器确定的特定时间输出的信号。动作数据可以无线通信方式被发射，而有线通信也是可能的。
由接收器300接收动作数据，并输出至数据处理器310并由它处理以确定跟踪设备110的位置和方向。
跟踪设备110携带光学标记，诸如反射涂层或预定的颜色区以对于摄像机200，201具有较好的可视性。摄像机可以被配置以检测可见光和/或红外线光。摄像机200，201检测跟踪设备110的光学标记的移动，并耦合至用于处理由摄像机200，201输出的视频数据的视频处理系统210。在视频处理系统210中，每个跟踪没备110具有分配给它的标识(在下文中：视频标识)，该标识与由跟踪设备110生成的动作信号中包含的动作标识相同或相对应。因此，通过检测视频数据中的光学标记，视频处理系统210实时地提供跟踪设备110的位置。
通过将由视频处理系统210输出的和在特定时间获取的特定跟踪设备(通过它的视频标识而识别)的视频数据链接到由数据处理器310输出的并在相同时间获取的同一跟踪设备(通过动作标识而识别)的动作数据，摄像机200，201和视频处理系统210被用于动作传感器110的位置坐标的精确初始化和更新。该链接在链接数据处理器400中被执行，该链接数据处理器400为了特定目的而将位置数据和方向数据提供给一个或多个进一步的处理设备。
位置坐标的初始化包括将跟踪设备110的动作传感器的瞬时位置坐标首先设置为同时从相同动作传感器的光学标记的视频数据中确定的位置坐标。然后跟踪设备110的动作传感器的新位置坐标将相对于首先设置的位置坐标从动作数据中计算得到，由于由跟踪设备110的动作传感器的一个或多个加速度计、磁力计和/或陀螺仪进行的计算和测量的不精确，经过一段时间该新位置坐标将含有误差。
位置坐标的更新包括将跟踪设备110的动作传感器的瞬时位置坐标进一步重新设置为同时从相同动作传感器的光学标记的视频数据中确定的位置坐标。因此，在计算跟踪设备110的动作传感器的新位置坐标中出现的误差在更新中被校正，并且由此保持在低水平。位置坐标的更新可以特定的时间间隔来进行，如果在那个时间光学标记对于摄像机200，201中的至少一个是可见的的话。如果在更新时间光学标记是不可见的，则只有动作数据被用于确定跟踪设备110的位置和方向，即使特定标记的视频数据是不可得的，由此保持持续捕捉对象100的动作，并且使得能够实时地重建对象(的一部分)100的位置和方向。
在通过动作数据实时重建跟踪设备110的位置和方向中，使用以下算法：
(a)确定由一个或多个相应的加速度计所测量的一个或多个加速度的方向和幅度；和/或
(b)确定由一个或多个相应的磁力计所测量的一个或多个方向；和/或
(c)确定由一个或多个相应的陀螺仪所测量的一个或多个旋转速度；
(d)如果陀螺仪数据可用，则使用陀螺仪数据根据从前的方向估计计算跟踪设备的新的方向估计；
(e)如果没有陀螺仪数据可用，则使用加速度计数据和/或磁力计数据根据从前的方向估计计算跟踪设备的新的方向估计；
(f)如果可用，则从加速度计数据减去重力；
(g)可选地，使用对象100的机械计算机模型，并且如果可用，则从加速度计数据中减去离心力。
作为执行上述步骤的结果，可以获得跟踪设备的平移加速度，考虑了可能的坐标框架转化为不同的坐标框架。
在步骤(d)中，结合一个或多个加速度计和/或一个或多个磁力计的测量数据，可以在新的方向估计上应用软低通反馈环路以补偿陀螺仪的漂移。
在步骤(d)或(e)后，位置信息是可得到的，如果在跟踪没备之间的关系已知，则该位置信息能够被极好地利用。例如，如果跟踪设备附着于人身体的一部分，例如上臂，并且已知臂是向上指的，臂的长度也是已知的，则臂上手的位置能够相对精确地被计算出来。
对于相对高的频率，即对象(的一部分)的位置相对快速地改变，从动作传感器获得的位置信息是相对可靠的。另一方面，由于在视频摄像机中使用相对低的帧速率，对于相对低的频率，从视频摄像机获得的位置信息是相对可靠的。链接数据处理器400可以这样运行，以使得根据位置改变的速度在位置和方向的计算中做出相应的区别。
视频处理系统210、数据处理器310和链接数据处理器400每个都被适当地编程，包含一个或多个包括计算机指令的计算机程序以执行所要求的任务。
根据本发明，即使连接至对象的光学标记暂时不可见，来自被提供了光学标记的跟踪设备的动作传感器的动作数据使得能够持续地测量跟踪设备的位置和方向。
本发明的应用包括动作和步态分析，其结果被用于康复研究和治疗。在游戏和电影工业中可以发现进一步的应用。在运动员成绩监视和建议中可以发现其它的应用。在医学机器人中可以认识到更进一步的应用。
根据需要，本发明的详细实施方式在此处公开；然而，应当理解所公开的实施方式仅仅是本发明的示例，其能够以多种形式具体实现。因此，此处公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为权利要求的基础，和作为用于教导本领域技术人员以几乎任何适当的详细结构来多样地使用本发明的代表性基础。此外，此处使用的术语和短语并不意图限制，而是为了提供本发明可理解的描述。
如此处使用的，术语“一”或“一个”被定义为一个或多于一个。如此处使用的，术语多个被定义为两个或多于两个。如此处使用，术语另一个被定义为至少第二个或多个。如此处使用的，术语包括和/或具有被定义为包含(即开放式语言)。如此处使用的，术语耦合被定义为连接，虽然不是必须直接地和不是必须机械地。如此处使用的，术语程序、软件应用等被定义为设计用于在计算机系统上执行的指令序列。程序、计算机程序或软件应用可以包括子程序、函数、过程、对象方法(object method)、对象实现(object implementation)、可执行应用(executable application)、小应用程序(applet)、小伺服程序(servlet)、源代码、对象代码、共享库/动态加载库和/或其它设计用于在计算机系统上执行的指令序列。

Claims (12)

1.一种捕捉对象的移动的系统，该系统包含：
跟踪设备，被配置为连接至对象，该跟踪设备包含：
至少一个光学标记；和
至少一个动作传感器，其提供表示跟踪设备的位置和方向的动作数据；
至少一个摄像机，记录光学标记的动作，由此提供表示跟踪设备的位置的视频数据；和
链接数据处理器，被配置用于结合地处理视频数据和动作数据以随时随地确定跟踪设备的位置和方向。
2.根据权利要求1的系统，其中，链接数据处理器被配置为基于从视频数据中确定的位置校正从动作数据中确定的位置。
3.根据权利要求1的系统，其中，链接数据处理器被配置为基于从动作数据中确定的位置校正从视频数据中确定的位置。
4.根据权利要求1-3中任意一个的系统，其中，光学标记由跟踪设备上的反射涂层构成。
5.根据权利要求1-4中任意一个的系统，其中，跟踪设备进一步包括计时器。
6.根据权利要求1-5中任意一个的系统，其中，动作传感器包含至少一个加速度计。
7.根据权利要求1-6中任意一个的系统，其中，动作传感器包含至少一个磁力计。
8.根据权利要求1-7中任意一个的系统，其中，动作传感器包含至少一个陀螺仪。
9.根据权利要求1-8中任意一个的系统，进一步包含无线通信链路以将动作信号从动作传感器传输至数据处理器。
10.一种捕捉对象的移动的方法，该方法包括：
提供跟踪设备，其包含：
至少一个光学标记；和
至少一个动作传感器，提供表示跟踪设备的位置和方向的动作数据；
将跟踪设备连接至对象；
通过摄像机记录光学标记的动作以由此提供表示跟踪设备的位置的视频数据；和
结合地处理动作数据和视频数据以随时随地确定跟踪设备的位置和方向。
11.根据权利要求10的方法，其中，结合地处理动作数据和视频数据包含基于从视频数据中确定的位置校正从动作数据中确定的位置。
12.根据权利要求10的方法，其中，结合地处理动作数据和视频数据包含基于从动作数据中确定的位置校正从视频数据中确定的位置。
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