CN101813977A - 基于超声波的动作捕捉方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于超声波的动作捕捉方法及系统，属于动作捕捉领域。该方法包括：在进行动作捕捉场所内从多个不同的位置向被捕捉对象连续发送具有不同频谱特征的多个超声波，并记录所发送各超声波的频谱特征；被捕捉对象表面不同位置均设置接收装置，每个接收装置对各个超声波分别进行接收，并一一转换成电信号；将所述转换成的电信号中承载的所接收超声波的频谱特征与所记录的发送的各超声波的频谱特征一一进行匹配，利用接收和发送超声波之间的时间差计算得出被捕捉对象表面不同位置与各超声波的发送位置之间的距离；根据所得出的距离计算确定被捕捉对象在空间中的位置来完成对被捕捉对象在空间中动作的捕捉。该方法简单，可以精确到毫米级。

Description

基于超声波的动作捕捉方法及系统

技术领域

本发明涉及动作捕捉领域，特别是涉及一种基于超声波的动作捕捉方法及系统。

背景技术

目前，在一些场所，需要对人或者机构的动作进行感应和捕捉。对于简单动作的感应和捕捉，如摆动，旋转，倾斜等，利用的技术主要是加速度感应器、陀螺仪、水平仪等，这些技术已经比较成熟并广泛应用，比如手机，游戏杆等。

对于复杂动作的感应捕捉，尤其是在三维空间的感应和捕捉，目前所用的技术比较少，并且实现难度较大，投入较高。可以查到的技术一是三维照相技术，通过多于两台以上摄影机的照相，经过计算机图像处理后实现动作感应和捕捉；二是感应手套，通过在手套中设置多个感应器，来记录人手的动作实现动作感应和捕捉。但这些技术均存在实现难度大、投入较高的缺点。

发明内容

基于上述现有技术所存在的问题，本发明实施例提供一种基于超声波的动作捕捉系统及方法，可以方便准确的对被测对象的动作进行捕捉。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明实施例提供一种基于超声波的动作捕捉方法，包括：

在进行动作捕捉场所内从多个不同的位置向被捕捉对象连续发送具有不同频谱特征的多个超声波，并记录所发送各超声波的频谱特征；

被捕捉对象表面不同位置均设置接收装置，每个接收装置对各个超声波分别进行接收，并一一转换成电信号；

将所述转换成的电信号中承载的所接收超声波的频谱特征与所记录的发送的各超声波的频谱特征一一进行匹配，利用接收和发送超声波之间的时间差计算得出被捕捉对象表面不同位置与各超声波的发送位置之间的距离；

根据所得出的距离计算确定被捕捉对象在空间中的位置；

将所确定被捕捉对象在空间中的位置与已记录被捕捉对象的前一位置进行对比来确定被捕捉对象在空间中的动作轨迹。

所述在测量空间内从多个不同的位置向需要捕捉其动作的被测对象连续发送多个具有不同频谱特征的超声波包括：

在需要进行动作捕捉场所的不同位置设置多个超声波发生装置，各超声波发生装置均连接到作为处理装置的计算机；

各超声波发生装置向需要进行动作捕捉场所内的被捕捉对象连续发送具有不同频谱特征的多个超声波。

所述被捕捉对象表面不同位置均设置接收装置，每个接收装置对各个超声波分别进行接收，并一一转换成电信号包括：

被捕捉对象表面不同位置设置的每个接收装置均接收各个位置发送的超声波，并将接收的超声波一一转换成电信号。

所述将所述电信号中承载的所接收超声波的频谱特征与所记录的发送各超声波的频谱特征一一进行匹配包括：

将对应被捕捉对象表面不同位置设置的接收装置转换的多个电信号中，每个电信号中承载的所接收超声波的频谱特征，分别与所记录的发送的各超声波的频谱特征一一进行匹配。

所述利用接收和发送超声波之间的时间差计算得出被捕捉对象表面不同位置与各超声波的发送位置之间的距离包括：

利用接收和发送超声波之间的时间差与超声波在空间中的传播速度的乘积得出被捕捉对象表面各位置与各超声波的发送位置之间的距离。

所述根据所得出的距离计算确定被捕捉对象在空间中的位置包括：

根据所得出的距离利用三角计算法确定被捕捉对象表面不同位置在空间中的位置；

根据被捕捉对象表面不同位置在空间中的位置通过计算确定被捕捉对象在空间中的位置。

本发明实施例还提供一种基于超声波的动作捕捉系统，包括：

多个超声波发送装置、多个超声波接收装置和处理装置；

多个超声波发送装置，用于向动作捕捉场所内的被捕捉对象从多个不同位置连续发送具有不同频谱特征的多个超声波；

多个超声波接收装置，用于设置在被捕捉对象表面不同位置，分别对各个超声波进行接收，并一一转换成电信号；

处理装置，用于将所述多个超声波接收装置转换成的电信号中承载的所接收超声波的频谱特征与所记录的发送的各超声波的频谱特征一一进行匹配，利用接收和发送超声波之间的时间差计算得出被捕捉对象表面不同位置与各超声波的发送位置之间的距离；根据所得出的距离计算确定被捕捉对象在空间中的位置；将所确定被捕捉对象在空间中的位置与已记录被捕捉对象的前一位置进行对比即确定被捕捉对象在空间中的动作轨迹。

所述处理装置包括：

多个记录单元、多个电信号接收单元、计时单元、计算处理单元和输出装置；

多个记录单元，用于分别记录各超声波发送装置所发送超声波的频谱特征；

多个电信号接收单元，用于分别接收所述多个超声波接收装置根据所接收超声波转化的多个电信号；

计时单元，用于根据所述超声波发送装置发送超声波的时刻与所述超声波接收装置接收超声波的时刻得出接收和发送超声波之间的时间差；

计算处理单元，用于利用接收和发送超声波之间的时间差计算得出被捕捉对象与各接收位置之间的距离，并通过得出的距离计算确定被测对象在所定位空间中的空间位置；

输出装置，用于输出被测对象在所定位空间中的空间位置信息。

所述计时单元包括：

多个接收计时子单元、发送计时单元和计算单元；

所述多个接收计时子单元，分别用于记录各超声波接收装置接收到超声波的时刻；

所述发送计时单元，用于记录所述超声波发送装置发送声波的时刻；

计算单元，用于根据所述各接收计时子单元记录的接收到超声波的时刻与所述发送计时单元记录的发送超声波的时刻，计算得出发送超声波与各超声波接收装置接收到超声波之间的时间差。

所述超声波接收装置包括：

超声波接收器和转换单元；

超声波接收器，用于接收超声波；

转换单元，用于将所述超声波接收器接收的超声波转换为电信号。

从上述本发明实施例提供的技术方案中可以看出，本发明实施例中利用超声波信号传输的速度与电信号传输的速度存在差异的特点，通过测得被捕捉对象表面各点位置在空间中的位置来确定被捕捉对象在空间中的位置，从而利用被捕捉对象在空间中位置与前一位置的对比，确定被捕捉对象的动作变化完成动作捕捉。该方法简单高效，定位精确度高，精度可达毫米级，可以实现大型机构的复杂动作捕捉。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的动作捕捉方法的示意图；

图2为本发明实施例二提供的动作捕捉系统的结构示意图；

图3为本发明实施例二提供的动作捕捉系统的处理装置的结构框图；

图4为本发明实施例二提供的动作捕捉系统中处理装置的计时单元的结构框图；

图5为本发明实施例提供的动作捕捉系统中超声波接收装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例一

本实施例提供一种基于超声波的动作捕捉方法，用于对场所内的对象(人或其它物体)进行动作捕捉，该方法包括：

步骤1，在进行动作捕捉场所内从多个不同的位置向被捕捉对象连续发送具有不同频谱特征的多个超声波，并记录所发送各超声波的频谱特征；

上述步骤1中，可以在需要进行动作捕捉场所的不同位置设置多个超声波发生装置，各超声波发生装置均连接到计算机，由计算机作为处理装置；

各超声波发生装置向需要进行动作捕捉场所内的被捕捉对象连续发送具有不同频谱特征的多个超声波。

步骤2，被捕捉对象表面不同位置均设置接收装置，每个接收装置对各个超声波分别进行接收，并一一转换成电信号；

上述步骤2中，被捕捉对象表面不同位置设置的每个接收装置均接收各个位置发送的超声波，并将接收的超声波一一转换成电信号。

步骤3，将所述转换成的电信号中承载的所接收超声波的频谱特征与所记录的发送的各超声波的频谱特征一一进行匹配，利用接收和发送超声波之间的时间差计算得出被捕捉对象表面不同位置与各超声波的发送位置之间的距离；

上述步骤3中，将对应被捕捉对象表面不同位置设置的接收装置转换的多个电信号中，每个电信号中承载的所接收超声波的频谱特征，分别与所记录的发送的各超声波的频谱特征一一进行匹配；

利用接收和发送超声波之间的时间差与超声波在空间中的传播速度的乘积得出被捕捉对象表面各位置与各超声波的发送位置之间的距离。

步骤4，根据所得出的距离计算确定被捕捉对象在空间中的位置；

上述步骤4中，具体是根据所得出的距离利用三角计算法确定被捕捉对象表面不同位置在空间中的位置；

根据被捕捉对象表面不同位置在空间中的位置通过计算确定被捕捉对象在空间中的位置。

步骤5，将所确定被捕捉对象在空间中的位置与已记录被捕捉对象的前一位置进行对比即确定被捕捉对象在空间中的动作轨迹。

上述动作捕捉方法，是利用超声波的空间定位的方式，在需要进行捕捉场所中，对被捕捉对象表面不同点位置进行空间定位，从而通过定位的多个点确定该被捕捉对象物体在该场所空间中的位置，由于已记录该被捕捉对象前一时刻的空间位置，因此，通过捕捉确定的后一时刻的该被捕捉对象的空间位置与前一时刻的空间位置对比，则可以实现对该被捕捉对象动作的捕捉。该方法简单，捕捉精度高，可达毫米级。

如图1所示，上述方法对被捕捉对象进行动作捕捉时，具体包括下述步骤：

(1)在需要进行动作捕捉的场所安放若干超声波发生器1、2、3、4，并确定各超声波发生器的精确位置，各超声波发生器1、2、3、4均连接到作为处理装置的计算机上；超声波发送装置的数量由场所空间大小决定，一般至少4个以上并且不在同一个平面之内；

(2)将多个超声波接收器A1、A2…A10安装在被捕捉的人6身上，可安装在人表面的若干个不同点位置，如连接的关键点，活动动作较大之处，如主要的关节部位等，统一连接到控制器上，并通过有线或者无线连接到作为处理装置的计算机5上；

(3)每个超声波发生器1、2、3、4可按照计算机5指令连续发送一定频谱特征的超声波；

(4)各个超声波接收器A1、A2…A10将接收到的超声波转换为电信号汇总到控制器上，并发送到计算机5上；

(5)计算机对各超声波接收器A1、A2…A10接收到的信号频谱特征(承载在电信号中的超声波信号的频谱特征)与发送的超声波的频谱特征进行匹配，利用接收和发送超声波之间的时间差计算出各超声波发生器1、2、3、4与各超声波接收器A1、A2…A10之间的距离；

(6)利用得出的距离通过三角计算法计算出各个超声波接收器实时在空间中的位置；即确定了被测物体形体在空间中的位置；

(7)通过对超声波接收器在被捕捉的人表面的位置，以及空间位置的变化情况，捕捉被测物体(人6)的具体动作。

下面以捕捉被测场所内人的动作为例，对上述方法作进一步说明。

假设人的活动范围为长3米，宽3米，高3米，以3毫米为最小分辨率，则可以将人活动的空间以三维X、Y、Z表示为[1000，1000，1000]。

在人的手、臂、头、腿、脚等部位贴上超声波接收器，进入测量活动范围之后，可以通过超声波测距的方法测量出各个不同接收器的精确位置。假设此人在自然站立时，贴在手指上一个感应器的初始位置为[600，500，300]，表明他被测量的手指空间位置为在X方向的1.8米处，Y方向的1.5米处，Z方向(即高度)的0.9米处。

假设其手指的位置在不同时刻测量到[600，500，300]，[600，500，400]，[600，500，500]，[600，500，600]，表明其手指在做垂直向上运动，最终的高度是1.8米。

以此类推，将各个不同测量点(即身体的不同部位)的不同时间记录连接起来，就形成了对人体动作的捕捉。

本实施例的方法，利用超声波信号传输的速度与电信号传输的速度存在差异的特点，通过测得被捕捉对象表面各点位置在空间中的位置来确定被捕捉对象在空间中的位置，从而利用被捕捉对象在空间中位置与前一位置的对比，确定被捕捉对象的动作变化完成动作捕捉。该方法以较简单的方式，可以精确的对被捕捉对象的动作进行捕捉，精度可达毫米级。

实施例二

本实施例提供一种基于超声波的动作捕捉系统，可实现对被测对象进行动作捕捉，如图2所示，该系统包括：

多个超声波发送装置21、22…2n、多个超声波接收装置31、32…3n和处理装置41；

多个超声波发送装置21、22…2n，用于向动作捕捉场所内的被捕捉对象从多个不同位置连续发送具有不同频谱特征的多个超声波；

多个超声波接收装置31、32…3n，用于设置在被捕捉对象表面不同位置，分别对各个超声波进行接收，并一一转换成电信号；

处理装置41，用于将所述多个超声波接收装置31、32…3n接收并转换成的电信号中承载的所接收超声波的频谱特征与所记录的发送的各超声波的频谱特征一一进行匹配，利用接收和发送超声波之间的时间差计算得出被捕捉对象表面不同位置与各超声波的发送位置之间的距离；根据所得出的距离计算确定被捕捉对象在空间中的位置；将所确定被捕捉对象在空间中的位置与已记录被捕捉对象的前一位置进行对比即确定被捕捉对象在空间中的动作轨迹。

如图3所示，上述系统中的处理装置包括：

多个记录单元311、312…31n、多个电信号接收单元211、212、21n、计时单元411、计算处理单元511和输出装置611；

多个记录单元311、312…31n，用于分别记录各超声波发送装置所发送超声波的频谱特征；

多个电信号接收单元211、212、21n，用于分别接收所述多个超声波接收装置根据所接收超声波转化的多个电信号；

计时单元411，用于根据所述超声波发送装置发送超声波的时刻与所述超声波接收装置接收超声波的时刻得出接收和发送超声波之间的时间差；

计算处理单元511，用于利用接收和发送超声波之间的时间差计算得出被捕捉对象与各接收位置之间的距离，并通过得出的距离计算确定被测对象在所定位空间中的空间位置；

输出装置611，用于输出被测对象在所定位空间中的空间位置信息。

如图4所示，上述处理装置的计时单元包括：

多个接收计时子单元4121、4122…412n、发送计时单元412和计算单元413；

所述多个接收计时子单元4121、4122…412n，分别用于记录各超声波接收装置接收到超声波的时刻；

所述发送计时单元412，用于记录所述超声波发送装置发送声波的时刻；

计算单元413，用于根据所述各接收计时子单元记录的接收到超声波的时刻与所述发送计时单元记录的发送超声波的时刻，计算得出发送超声波与各超声波接收装置接收到超声波之间的时间差。

如图5所示，上述系统的超声波接收装置包括：

超声波接收器511和转换单元512；

超声波接收器511，用于接收超声波；

转换单元512，用于将所述超声波接收器接收的超声波转换为电信号。

该系统结构简单，可以准确的对被测场所内的被捕捉对象的动作进行捕捉。

可以知道，上述系统中的处理装置可以用硬件电路模块的方式实现，也可以在计算机中设置软件模块的方式实现。

综上所述，本发明实施例中利用超声波以较简单的方式，可以精确的测量场所中被捕捉对象的动作进行捕捉，精度可达毫米级，具有使用方便，动作捕捉精确的优点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于超声波的动作捕捉方法，其特征在于，包括：

在进行动作捕捉场所内从多个不同的位置向被捕捉对象连续发送具有不同频谱特征的多个超声波，并记录所发送各超声波的频谱特征；

被捕捉对象表面不同位置均设置接收装置，每个接收装置对各个超声波分别进行接收，并一一转换成电信号；

将所述转换成的电信号中承载的所接收超声波的频谱特征与所记录的发送的各超声波的频谱特征一一进行匹配，利用接收和发送超声波之间的时间差计算得出被捕捉对象表面不同位置与各超声波的发送位置之间的距离；

根据所得出的距离计算确定被捕捉对象在空间中的位置；

将所确定被捕捉对象在空间中的位置与已记录被捕捉对象的前一位置进行对比来确定被捕捉对象在空间中的动作轨迹。

2.如权利要求1所述的基于超声波的动作捕捉方法，其特征在于，所述在测量空间内从多个不同的位置向需要捕捉其动作的被测对象连续发送多个具有不同频谱特征的超声波包括：

在需要进行动作捕捉场所的不同位置设置多个超声波发生装置，各超声波发生装置均连接到作为处理装置的计算机；

各超声波发生装置向需要进行动作捕捉场所内的被捕捉对象连续发送具有不同频谱特征的多个超声波。

3.如权利要求1所述的基于超声波的动作捕捉方法，其特征在于，所述被捕捉对象表面不同位置均设置接收装置，每个接收装置对各个超声波分别进行接收，并一一转换成电信号包括：

被捕捉对象表面不同位置设置的每个接收装置均接收各个位置发送的超声波，并将接收的超声波一一转换成电信号。

4.如权利要求1所述的基于超声波的动作捕捉方法，其特征在于，所述将所述电信号中承载的所接收超声波的频谱特征与所记录的发送各超声波的频谱特征一一进行匹配包括：

将对应被捕捉对象表面不同位置设置的接收装置转换的多个电信号中，每个电信号中承载的所接收超声波的频谱特征，分别与所记录的发送的各超声波的频谱特征一一进行匹配。

5.如权利要求1所述的基于超声波的动作捕捉方法，其特征在于，所述利用接收和发送超声波之间的时间差计算得出被捕捉对象表面不同位置与各超声波的发送位置之间的距离包括：

利用接收和发送超声波之间的时间差与超声波在空间中的传播速度的乘积得出被捕捉对象表面各位置与各超声波的发送位置之间的距离。

6.如权利要求1所述的基于超声波的动作捕捉方法，其特征在于，所述根据所得出的距离计算确定被捕捉对象在空间中的位置包括：

根据所得出的距离利用三角计算法确定被捕捉对象表面不同位置在空间中的位置；

根据被捕捉对象表面不同位置在空间中的位置通过计算确定被捕捉对象在空间中的位置。

7.一种基于超声波的动作捕捉系统，其特征在于，包括：

多个超声波发送装置、多个超声波接收装置和处理装置；

多个超声波发送装置，用于向动作捕捉场所内的被捕捉对象从多个不同位置连续发送具有不同频谱特征的多个超声波；

多个超声波接收装置，用于设置在被捕捉对象表面不同位置，分别对各个超声波进行接收，并一一转换成电信号；

处理装置，用于将所述多个超声波接收装置转换成的电信号中承载的所接收超声波的频谱特征与所记录的发送的各超声波的频谱特征一一进行匹配，利用接收和发送超声波之间的时间差计算得出被捕捉对象表面不同位置与各超声波的发送位置之间的距离；根据所得出的距离计算确定被捕捉对象在空间中的位置；将所确定被捕捉对象在空间中的位置与已记录被捕捉对象的前一位置进行对比即确定被捕捉对象在空间中的动作轨迹。

8.如权利要求7所述的基于超声波的动作捕捉系统，其特征在于，所述处理装置包括：

多个记录单元、多个电信号接收单元、计时单元、计算处理单元和输出装置；

多个记录单元，用于分别记录各超声波发送装置所发送超声波的频谱特征；

多个电信号接收单元，用于分别接收所述多个超声波接收装置根据所接收超声波转化的多个电信号；

计时单元，用于根据所述超声波发送装置发送超声波的时刻与所述超声波接收装置接收超声波的时刻得出接收和发送超声波之间的时间差；

计算处理单元，用于利用接收和发送超声波之间的时间差计算得出被捕捉对象与各接收位置之间的距离，并通过得出的距离计算确定被测对象在所定位空间中的空间位置；

输出装置，用于输出被测对象在所定位空间中的空间位置信息。

9.如权利要求7所述的基于超声波的动作捕捉系统，其特征在于，所述计时单元包括：

多个接收计时子单元、发送计时单元和计算单元；

所述多个接收计时子单元，分别用于记录各超声波接收装置接收到超声波的时刻；

所述发送计时单元，用于记录所述超声波发送装置发送声波的时刻；

计算单元，用于根据所述各接收计时子单元记录的接收到超声波的时刻与所述发送计时单元记录的发送超声波的时刻，计算得出发送超声波与各超声波接收装置接收到超声波之间的时间差。

10.如权利要求7所述的基于超声波的动作捕捉系统，其特征在于，所述超声波接收装置包括：

超声波接收器和转换单元；

超声波接收器，用于接收超声波；

转换单元，用于将所述超声波接收器接收的超声波转换为电信号。

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