CN102508986B

CN102508986B - 一种级联刚体运动追踪、步行过程追踪方法与系统

Info

Publication number: CN102508986B
Application number: CN201110256237.2A
Authority: CN
Inventors: 赵铁军; 周尤
Original assignee: Micro Inertial Meissen Technology Development (beijing) Co Ltd
Current assignee: Micro Inertial Meissen Technology Development (beijing) Co Ltd
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: CN102508986A

Abstract

本发明提供了一种级联刚体运动追踪方法与系统。该方法包括测量级联刚体各个刚体的姿态数据；根据所述姿态数据创建相应刚体的旋转矩阵；构造由级联刚体的级联点、级联刚体的两个端点组成的级联点集；以级联点集为处理对象，选取级联点集中的一个点为已知点，将该点的坐标与相应刚体的旋转矩阵相乘，得到该刚体的另一个级联点的坐标；将级联点集的坐标数据发送给运动追踪中心，由该追踪中心使用所述坐标数据驱动级联刚体模型的相应部位运动，并将运动过程虚拟呈现出来。本发明还提供了一种步行过程追踪方法与系统。本发明提供的方法与系统使得运动追踪过程简洁方便、受限因素少、数据准确。

Description

一种级联刚体运动追踪、步行过程追踪方法与系统

技术领域

本发明涉及微机械(MEMS)运动追踪领域，尤其涉及一种级联刚体运动追踪方法与系统、步行过程追踪方法与系统。

背景技术

运动物体追踪技术，已广泛运用于各领域，尤其在航天航海、天线雷达、人体运动姿态建模等领域。近年，随着MEMS的迅速发展，运动追踪技术逐渐融合进MEMS的理念，将运动追踪所需的测量部件微型化、集成化，形成集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路等于一体的微型运动追踪设备。这些设备具有成本低、体积小、重量轻等特点，因而广受人们青睐。

运动物体追踪需要首先获得运动物体的姿态数据，姿态数据获得后利用该数据对该运动物体的虚拟模型进行驱动，从而实时再现运动物体的运动过程，实现追踪。现有技术中进行运动物体追踪主要有三种方式：一是光捕捉式，通过安装于特定场地的多个不同角度的摄像头获取运动物体关键位置点的姿态数据，进而利用该数据进行模型驱动；二是电磁式，通过安装于运动物体不同部位的多个电磁传感器之间的电磁耦合强度获得姿态数据，进而利用该数据进行模型追踪驱动；三是加速度积分式，通过安装于运动物体不同部位的加速度计测量变化加速度，然后对加速度进行二次积分获得姿态数据，进而利用该数据进行模型驱动。这些方式应用于多段级联型运动物体追踪，取得的效果往往不理想：光捕捉方式受限于光线明暗，得到的姿态数据不准确；电磁式受限于电磁强度，信号较弱时若无额外辅助电磁发射装置配合，得到的数据也不准确；加速度积分方式因积分过程无可避免地存在累积误差，姿态数据随着时间推移将偏离真实情况。为实现级联刚体运动物体追踪急切需要一种简洁方便、受限因素少、数据准确的追踪方法与系统。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种级联刚体运动追踪方法与系统，通过利用级联刚体自身物理特点，准确获取坐标数据后进行模型驱动以实现级联刚体的追踪。

本发明提供了一种级联刚体运动追踪方法，该方法包括：

测量级联刚体各个刚体的姿态数据，所述姿态数据包括刚体运动的俯仰角、横滚角、航向角；

根据所述姿态数据创建相应刚体的旋转矩阵；

构造由级联刚体的级联点、级联刚体的两个端点组成的级联点集；以级联点集为处理对象，选取级联点集中的一个点为已知点，将已知点的坐标与包含该已知点的刚体的旋转矩阵相乘，得到该刚体的另一个级联点的坐标；

将级联点集的坐标数据发送给运动追踪中心，由该追踪中心使用所述坐标数据驱动级联刚体模型的相应部位运动，并将运动过程虚拟呈现出来。

优选地，级联点集的坐标数据通过无线方式发送给运动追踪中心。

优选地，根据姿态数据创建得到的相应刚体的旋转矩阵为：

L \times [\begin{matrix} \cos θ \cos ψ & \sin φ \sin θ \cos ψ - \cos φ \sin ψ & \cos φ \sin θ \cos ψ + \sin φ \sin ψ \\ \cos θ \sin ψ & \sin φ \sin θ \sin ψ + \cos φ \cos ψ & \cos φ \sin θ \sin ψ - \sin φ \cos ψ \\ - \sin θ & \sin φ \cos θ & \cos φ \cos θ \end{matrix}]

该旋转矩阵中的θ、φ、Ψ为刚体运动的俯仰角、横滚角、航向角，L为相应刚体的长度。

本发明还提供了一种级联刚体运动追踪系统，该系统包括：姿态数据测量单元、旋转矩阵创建单元、级联点处理单元、坐标数据发送单元和运动追踪中心，其中：

所述姿态数据测量单元，用于测量级联刚体各个刚体的姿态数据，所述姿态数据包括刚体运动的俯仰角、横滚角、航向角；

所述旋转矩阵创建单元，用于根据姿态数据创建相应刚体的旋转矩阵；

所述级联点处理单元，用于构造由级联刚体的级联点、级联刚体的两个端点组成的级联点集；以级联点集为处理对象，选取级联点集中的一个点为已知点，将该已知点的坐标与包含该已知点的刚体的旋转矩阵相乘，得到该刚体的另一个级联点的坐标；

所述坐标数据发送单元，用于将级联点集的坐标数据发送给运动追踪中心；

所述运动追踪中心，用于接收所述级联点集的坐标数据后，使用所述坐标数据驱动级联刚体模型的相应部位运动，并将运动过程虚拟呈现出来。

本发明还提供了一种步行过程追踪方法，该方法包括：

测量人体下肢各骨骼的姿态数据，所述姿态数据包括骨骼运动的俯仰角、横滚角、航向角；

根据所述姿态数据创建相应骨骼的旋转矩阵；

构建由骨骼与骨骼的连接点、下肢两个端点组成的级联点集，以该级联点集为处理对象，选取级联点集内下肢端点的触地点为已知点，将已知点的坐标与包含该已知点的骨骼的旋转矩阵相乘，得到该骨骼的另一个级联点的坐标；

将级联点集的坐标数据发送给步行追踪中心，由该追踪中心使用所述坐标数据驱动人体模型的相应部位运动，并将人体步行过程虚拟再现出来。

优选地，所述方法还包括获取步行位移的步骤，该步骤为：记录步行中移动肢的端点触地时刻的坐标，将该坐标与非移动肢的端点的坐标相减以得到步行位移。

进一步优选地，步行中移动肢的端点触地时刻按照下述步骤判断：测量人体脚端运动的角速度，将所述角速度与预设阈值进行比较，如果等于预设阈值，则该时刻为移动肢的端点触地时刻。

优选地，级联点集的坐标数据通过无线方式发送给步行追踪中心。

优选地，测量人体下肢各骨骼的姿态数据之前采用T-POSE进行校准。

优选地，根据姿态数据创建得到的相应骨骼的旋转矩阵为：

L \times [\begin{matrix} \cos θ \cos ψ & \sin φ \sin θ \cos ψ - \cos φ \sin ψ & \cos φ \sin θ \cos ψ + \sin φ \sin ψ \\ \cos θ \sin ψ & \sin φ \sin θ \sin ψ + \cos φ \cos ψ & \cos φ \sin θ \sin ψ - \sin φ \cos ψ \\ - \sin θ & \sin φ \cos θ & \cos φ \cos θ \end{matrix}]

该旋转矩阵中的θ、φ、Ψ为骨骼运动的俯仰角、横滚角、航向角，L 为相应骨骼的长度。

本发明还提供了一种步行过程追踪系统，该系统包括：姿态数据测量单元、旋转矩阵创建单元、级联点处理单元、坐标数据发送单元和步行追踪中心，其中：

所述姿态数据测量单元，用于测量人体下肢各骨骼的姿态数据，所述姿态数据包括骨骼运动的俯仰角、横滚角、航向角；

所述旋转矩阵创建单元，用于根据姿态数据创建相应骨骼的旋转矩阵；

所述级联点处理单元，用于构建由骨骼与骨骼的连接点、下肢两个端点组成的级联点集，以该级联点集为处理对象，选取级联点集内下肢端点的触地点为已知点，将已知点的坐标与包含该已知点的骨骼的旋转矩阵相乘，得到该骨骼的另一个级联点的坐标；

所述坐标数据发送单元，用于将级联点集的坐标数据发送给步行追踪中心；

所述步行追踪中心，用于接收级联点集的坐标数据后，使用所述坐标数据驱动人体模型的相应部位运动，并将人体步行过程虚拟再现出来。

优选地，所述系统还包括步行位移获取单元，该单元用于记录步行中移动肢的端点触地时刻的坐标，将该坐标与非移动肢的端点的坐标相减以得到步行位移。

进一步优选地，所述步行位移获取单元包括触地时刻判断子单元，用于测量人体脚端运动的角速度，将所述角速度与预设阈值进行比较，如果等于预设阈值，则该时刻为移动肢的端点触地时刻。

本发明的技术方案利用级联刚体自身物理特点，在选取一个准确的已知点后，将已知点的坐标与构建的刚体旋转矩阵相乘，推导出级联点集中的未知点的坐标，进而利用这些坐标数据驱动级联刚体模型的相应部位，实现级联刚体运动追踪。该方案应用于人体模型，可实现人体步行过程的追踪。与现有技术相比，本发明充分运动了级联刚体自身特点，由事先确定的已知点推断未知点，过程简洁方便；通过测量各刚体的姿态数据获取坐标数据，勿需电磁耦合强度分析、加速度积分运算，受限因素少、准确度高，较好地解决了现有技术的技术问题。

附图说明

图1为本发明的级联刚体运动追踪方法实施例的实例图；

图2为本发明的级联刚体运动追踪方法实施例的流程图；

图3为本发明的级联刚体运动追踪系统的组成框图；

图4为本发明的步行过程追踪方法实施例的实例图；

图5为本发明的步行过程追踪方法实施例的流程图；

图6为本发明的步行过程追踪系统实施例的组成框图。

具体实施方式

本发明将测量得到的各刚体的姿态数据用于创建旋转矩阵，利用该旋转矩阵与级联刚体的某个刚体的已知点坐标进行运算，得到相应刚体的另一个级联点坐标，通过这种方式得到级联点集的所有坐标数据后，将这些坐标数据发送运动姿态追踪中心驱动级联刚体模型相应部位运动，从而实现追踪。上述过程可应用于人体的步行过程，实现对人体步行过程的追踪。

为使本领域技术人员能进一步了解本发明的特征及技术内容，下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行详细描述。

级联刚体是由多段刚体连接组成的可局部性活动的整体，每段刚体的运动既要满足自身的运动规律，又受制于与之相连的其他刚体运动的钳制。常见的级联刚体比如人体的骨骼、铁链、多节棍等。级联刚体中的各段刚体与刚体之间的连接点为双端级联点(该级联点连接两个刚体)，处于首段或末段的刚体除具有一个双端级联点外，还有一个单端级联点(该级联点未连接其他刚体)。由级联刚体的一端向另一端观察，可以得出这样的规律：一段刚体的前级联点与前一段刚体的后级联点重合，如果将级联刚体放置于坐标系中，则两者的坐标相同；该段刚体的后级联点与该段刚体的后一段刚体的前级联点重合，如果将级联刚体放置于坐标系中，则两者的坐标相同，这样将这种规律称为级联刚体的传导性，也就是说如果获知级联刚体中的某个级联点的坐标，结合刚体的姿态数据即可获知该级联刚体的其他级联点的坐标。基于这样的规律，本发明提供了一种级联刚体运动追踪方法的实施例，参见附图1和附图2，附图1是本实施例的级联刚体实例图，附图2是本实施例的流程图。该实施例的步骤包括：

步骤S101：测量级联刚体各个刚体的姿态数据，所述姿态数据包括刚体运动的俯仰角、横滚角、航向角；

一个运动物体的姿态通常可以用俯仰角、横滚角、航向角来描述，选定坐标系后，运动物体绕Y轴旋转的角度为俯仰角θ，绕X轴旋转的角度为横滚角φ，绕Z轴旋转的角度为航向角Ψ；测量级联刚体的姿态数据，需在级联各段级联刚体上安装测量仪器，由于刚体的运动一致性，测量仪器的安装位置可在一段刚体的任何位置，通常选择各段刚体的中部位置以使得级联刚体的各测量单元均匀分布在级联刚体上；具体的测量仪器可以是陀螺仪、加速度计等惯性运动传感器(MEMS)。

步骤S102：根据所述姿态数据创建相应刚体的旋转矩阵；

旋转矩阵是刻画刚体运动姿态变化情况的矢量矩阵，通过步骤S101测量得到级联刚体的各个刚体的姿态数据后，即可利用这些姿态数据构建旋转矩阵，创建旋转矩阵的具体方式较多，本实施例优选按照如下的方式创建旋转矩阵：

L \times [\begin{matrix} \cos θ \cos ψ & \sin φ \sin θ \cos ψ - \cos φ \sin ψ & \cos φ \sin θ \cos ψ + \sin φ \sin ψ \\ \cos θ \sin ψ & \sin φ \sin θ \sin ψ + \cos φ \cos ψ & \cos φ \sin θ \sin ψ - \sin φ \cos ψ \\ - \sin θ & \sin φ \cos θ & \cos φ \cos θ \end{matrix}]

旋转矩阵中三个参数θ、φ、Ψ即是刚体的运动姿态数据俯仰角、横滚角、航向角，L为预先得知的对应刚体的长度；每个刚体的姿态数据和长度不同，对应的旋转矩阵也不相同。

步骤S103：构造由级联刚体的级联点、级联刚体的两个端点组成的级联点集；以级联点集为处理对象，选取级联点集中的一个点为已知点，将已知点的坐标与包含该已知点的刚体的旋转矩阵相乘，得到该刚体的另一个级联点的坐标；

为对级联点进行处理，需构建级联点集，级联点集内的级联点的选取取决于需要追踪级联刚体的范围和精度，当需追踪的对象是级联刚体的某部分时，可仅选择该部分的级联点，当需追踪的重点集中于级联刚体的某部分时，该部分的级联点的选取可更密集，其他部分可间隔选取级联点；构造好后级联点集后，从中选取一个已知点(第一级联点)，该已知点是研究其他点坐标的基准，可以是坐标原点，也可以是坐标中的其他位置点，在三维空间中，已知点的坐标构成一个矢量，用该矢量与包含该已知点的刚体的旋转矩阵相乘即可得到该刚体的另一个级联点的坐标(第二级联点)，然后又以该第二级联点作为已知点，采用同样的方式推算包含该第二级联点的刚体的另一个级联点(第三级联点)的坐标，依次类推，直至处理完级联点集内的所有级联点得到级联点集的坐标。

步骤S104：将级联点集的坐标数据发送给运动追踪中心，由该追踪中心使用所述坐标数据驱动级联刚体模型的相应部位运动，并将运动过程虚拟呈现出来。

获得级联点集的坐标后，将这些坐标发送给运动追踪中心，该运动追踪中心包含级联刚体的模型，通过将级联点集的坐标输入级联刚体模型的对应部位，即可驱动级联刚体模型运动，然后通过显示终端将该运动过程呈现出来，由此实现级联刚体运动追踪的目的；上述将坐标数据发送运动追踪中心可以采用有线方式，比如在本地观察级联刚体的运动状态的情形，也可采用无线方式，此种方式多用于需要远程控制级联刚体的运动状态的情形。

本实施例的技术方案利用级联刚体自身物理特点，在选取一个准确的已知点后，将已知点的坐标与构建的刚体旋转矩阵相乘，推导出级联点集中的未知点的坐标，进而利用这些坐标数据驱动级联刚体模型的相应部位，实现运动过程追踪。该方案应用于人体模型，可实现人体步行姿态的追踪。与现有技术相比，本实施例充分运动了级联刚体自身特点，由事先确定的已知点推断未知点，过程简洁方便；通过测量各刚体的姿态数据获取坐标数据，勿需电磁耦合强度分析、加速度积分运算，受限因素少、准确度高，较好地解决了现有技术的技术问题。

上述实施例是本发明提供的级联刚体运动追踪的方法实施例，相应地，本发明还提供了级联刚体运动追踪的系统实施例。参见附图3，本系统300实施例包括：姿态数据测量单元301、旋转矩阵创建单元302、级联点处理单元303、坐标数据发送单元304和运动追踪中心305，其中：

姿态数据测量单元301，用于测量级联刚体各个刚体的姿态数据，所述姿态数据包括刚体运动的俯仰角、横滚角、航向角；

旋转矩阵创建单元302，用于根据姿态数据创建相应刚体的旋转矩阵；

级联点处理单元303，用于构造由级联刚体的级联点、级联刚体的两个端点组成的级联点集；以级联点集为处理对象，选取级联点集中的一个点为已知点，将该已知点的坐标与包含该已知点的刚体的旋转矩阵相乘，得到该刚体的另一个级联点的坐标；

坐标数据发送单元304，用于将级联点集的坐标数据发送给运动追踪中心；

运动追踪中心305，用于接收所述级联点集的坐标数据后，使用所述坐标数据驱动级联刚体模型的相应部位运动，并将运动过程虚拟呈现出来。

上述系统实施例的工作过程是：先由设置在级联刚体的各刚体上的姿态数据测量单元301测量处于运动状态的各个刚体的姿态数据，并将各刚体的姿态数据传输给旋转矩阵创建单元302，由该单元根据这些姿态数据创建相应刚体的旋转矩阵，旋转矩阵创建完成后将被传输给级联点处理单元303；级联点处理单元303先构造由级联刚体的级联点、级联刚体的两个端点组成的级联点集，然后以级联点集为处理对象，选取级联点集中的一个点为已知点，将该已知点的坐标与旋转矩阵创建单元创建的相应刚体的旋转矩阵相乘，得到该刚体的另一个级联点的坐标，按照同样的方式直至得到级联点集内所有的点坐标，再由坐标数据发送单元304将级联点集的坐标数据发送给运动追踪中心305；运动追踪中心305接收所述级联点集的坐标数据后，使用所述坐标数据驱动级联刚体模型的相应部位运动，并将运动过程虚拟呈现出来。该系统实施例同样取得了上述方法实施例的技术效果，为避免重复，此处不再赘述。

前面已经提到人体骨骼属于级联刚体结构，因此可以将上述级联刚体运动追踪方法与系统应用于人体运动研究。为便于后面叙述，这里先简单介绍下人体骨骼的连接关系。人体包含多个骨骼，骨骼与骨骼间通过关节相连接。与上述级联刚体相类似，骨骼与骨骼之间具有父子层次关系，即每一段骨骼具有层次结构上的父骨骼和子骨骼，父骨骼与子骨骼的连接点为双端级联点，肢端骨骼具有除具有双端级联点外，还具有单端级联点。人体运动时可看作是有以上层次关系的骨骼在关节处以一个特定的姿态角度转动的结果，位于一个关节点的骨骼具有三个转动自由度，可由三维姿态向量表示，该向量的元素包括俯仰角、横滚角和航向角。

这里以研究人体步行为例，详细说明级联刚体的一种应用。人体步行时，前后肢交替落地，上肢平行移动，人体的姿态是通过两个下肢中的骨骼进行相应运动体现的，因此仅需要着重研究下肢的骨骼即可实现人体步行过程的追踪。本发明提供了一种人体步行过程追踪的方法实施例，参见附图4和附图5，附图4是本实施例的人体步行(的单步伐)状态图，附图5是本实施例的流程图。该实施例的步骤包括：

步骤S501：测量人体下肢各骨骼的姿态数据，所述姿态数据包括骨骼运动的俯仰角、横滚角、航向角；

与前述级联刚体的实施例类似，为测量人体下肢各骨骼的姿态数据需要在各骨骼设置测量仪器，该测量仪器通常选用陀螺仪等惯性运动传感器(MEMS)；测量仪器的放置位置通常选取骨骼的中间部位，以使测量仪器均匀分布；通过测量单元测量得到的处于运动状态的骨骼的姿态数据包括俯仰角、横滚角、航向角；在测量姿态数据之前，通常需要对测量仪器进行校准，校准的方式具有多种，这里采用T-POSE法进行校准：T-POSE校准定义人体下肢并拢、双臂平伸的姿态为基准姿态，这样设定的目的在于将骨骼向量与姿态数据测量仪器的坐标系对齐，对齐之后测量仪器的输出量定义为偏置V(offset)，在以后时刻得到的姿态数据向量减去该偏置作为最终输出结果V：V＝V(output)-V(offset)。

步骤S502：根据所述姿态数据创建相应骨骼的旋转矩阵；

旋转矩阵是刻画骨骼运动姿态变化情况的矢量矩阵，通过步骤S501测量得到各骨骼的姿态数据后，即可利用这些姿态数据构建旋转矩阵，创建旋转矩阵的具体方式较多，本实施例优选按照如下的方式创建旋转矩阵：

L \times [\begin{matrix} \cos θ \cos ψ & \sin φ \sin θ \cos ψ - \cos φ \sin ψ & \cos φ \sin θ \cos ψ + \sin φ \sin ψ \\ \cos θ \sin ψ & \sin φ \sin θ \sin ψ + \cos φ \cos ψ & \cos φ \sin θ \sin ψ - \sin φ \cos ψ \\ - \sin θ & \sin φ \cos θ & \cos φ \cos θ \end{matrix}]

旋转矩阵中三个参数θ、φ、Ψ即是刚体的运动姿态数据俯仰角、横滚角、航向角，L为相应骨骼的长度，该长度值预先获得；每个骨骼的姿态不同，对应的旋转矩阵也不相同。

步骤S503：构建由骨骼与骨骼的连接点、下肢两个端点组成的级联点集，以该级联点集为处理对象，选取级联点集内下肢端点的触地点为已知点，将已知点的坐标与包含该已知点的骨骼的旋转矩阵相乘，得到该骨骼的另一个级联点的坐标；

本实施例着重研究人体步行的运动过程，人体步行时始终保持一个肢体端点触地，另一个肢体处于向前迈进状态，因此级联点集由一个肢体的触地点、两个下肢的骨骼与骨骼的连接点以及另一下肢的端点组成；为便于追踪步行姿态，一个下肢的触地点通常为坐标原点，也可以选择坐标系中的其他点作为已知的触地点坐标；在三维空间中，已知点的坐标构成一个矢量，用该矢量与包含该已知点的骨骼的旋转矩阵相乘即可得到该骨骼的另一个级联点的坐标(第二级联点)，然后又以该第二级联点作为已知点，采用同样的方式推算包含该第二级联点的骨骼的另一个级联点(第三级联点)的坐标，依次类推，直至处理完级联点集内的所有级联点得到级联点集的坐标，包括另一个下肢的端点。

步骤S504：将级联点集的坐标数据发送给步行追踪中心，由该追踪中心使用所述坐标数据驱动人体模型的相应部位运动，并将人体步行过程虚拟再现出来；这里将坐标数据发送运动追踪中心可以采用有线方式，比如在本地观察级联刚体的运动状态的情形，也可采用无线方式，此种方式多用于需要远程控制级联刚体的运动状态的情形。

本实施例的技术方案利用骨骼与骨骼间的自身关系特点，在选取一个肢体的端点为已知点后，将已知点的坐标与构建的刚体旋转矩阵相乘，推导出级联点集中的未知点的坐标，进而利用这些坐标数据驱动人体模型的相应部位，实现人体步行过程追踪。与现有技术相比，本实施例充分利用了人体骨骼与骨骼间的自身特点，由事先确定的已知点(触地点)推断其他级联点的坐标，过程简洁方便；通过测量各骨骼的姿态数据获取坐标数据，勿需电磁耦合强度分析、加速度积分运算，受限因素少、准确度高，较好地解决了现有技术的技术问题。

上述实施例在步骤S503中实际上已经获得每个时刻的各级联点的坐标，由于步行时一个肢体(非移动肢)端点与地面接触，因此作为级联点之一的触地点的坐标保持不变，但另一个肢体(移动肢)的端点处于迈进状态，其数值不断变化，当该运动肢的端点接触地面时，说明一个步伐已经走完，利用移动肢的端点触地时刻的坐标，可以得出该步伐的位移量，即先记录步行中移动肢的端点触地时刻的坐标，将该坐标与非移动肢的端点的坐标相减，得到一个步伐的步行位移，按照上述方式重复多次，即可得到整个步行过程的步行位移。尽管通过上述方式可以得到步行位移量，但是，移动肢的端点触地时刻的准确性将影响位移量的准确性，特别在一些特殊地面时，更难把握移动肢的端点何时触地，比如柔然的沙滩、草地等。为此，本实施例优选如下的方式进行触地点判断：

测量人体脚端运动的角速度，将所述角速度与预设阈值进行比较，如果等于预设阈值，则该时刻为移动肢的端点触地时刻；

人体脚端运动的角速度的获取可通过多种方式得到，一种比较常用的方法是通过陀螺仪进行测量，人体脚端运动的角速度可通过记录陀螺仪测量的瞬时角速度得到；通过该方式获得人体脚端的运动角速度后，将该角速度与预设阈值进行匹配判断，这里的预设阈值可在考虑人行走的姿态、行走的速度以及路面状况后根据实际情况确定，也可以通过多次试验优化选择得到：连续记录步行时脚端运动的角速度，将记录得到的角速度值绘成角速度曲线，该曲线是波峰、波谷交替的曲线，取曲线处于波谷的角速度值进行平均，该平均值即为预设阈值；为增加预设阈值的准确性和有效性，可以增加步数，比如记录步行10步、100步，甚至更多步子时脚端的角速度，然后求取波谷的平均值作为预设阈值。

上述步行过程追踪是本发明给出的方法实施例，相应地，本发明还给出了步行过程追踪的系统实施例。参见附图6，本系统600实施例包括：姿态数据测量单元601、旋转矩阵创建单元602、级联点处理单元603、坐标数据发送单元604和步行追踪中心605，其中：

姿态数据测量单元601，用于测量人体下肢各骨骼的姿态数据，所述姿态数据包括骨骼运动的俯仰角、横滚角、航向角；

旋转矩阵创建单元602，用于根据姿态数据创建相应骨骼的旋转矩阵；

级联点处理单元603，用于构建由骨骼与骨骼的连接点、下肢两个端点组成的级联点集，以该级联点集为处理对象，选取级联点集内下肢端点的触地点为已知点，将已知点的坐标与包含该已知点的骨骼的旋转矩阵相乘，得到该骨骼的另一个级联点的坐标；

坐标数据发送单元604，用于将级联点集的坐标数据发送给步行追踪中心；

步行追踪中心605，用于接收级联点集的坐标数据后，使用所述坐标数据驱动人体模型的相应部位运动，并将人体步行过程虚拟再现出来。

上述系统实施例600的工作过程是：先由设置在人体下肢的各骨骼上的姿态数据测量单元601测量处于运动状态的各个骨骼的姿态数据，并将各骨骼的姿态数据传输给旋转矩阵创建单元602，由该单元根据这些姿态数据创建相应骨骼的旋转矩阵，旋转在矩阵创建完成后将被传输给级联点处理单元603；级联点处理单元603先构造由骨骼与骨骼的连接点、下肢两个端点组成的级联点集，以该级联点集为处理对象，选取级联点集内下肢端点的触地点为已知点，将已知点的坐标与包含该已知点的骨骼的旋转矩阵相乘，得到该骨骼的另一个级联点的坐标，按照同样的方式直至得到级联点集内所有的点坐标，再由坐标数据发送单元604将级联点集的坐标数据发送给步行追踪中心605；步行追踪中心605接收所述级联点集的坐标数据后，使用所述坐标数据驱动人体模型的相应部位运动，并将步行过程虚拟呈现出来。该系统实施例同样取得了上述方法实施例的技术效果，为避免重复，此处不再赘述。

上述系统600还可以包括步行位移获取单元606，该单元用于记录步行中移动肢的端点触地时刻的坐标，将该坐标与非移动肢的端点的坐标相减以得到一个步伐的步行位移，重复运行该步行位移获取单元606多次即可得到整个步行过程的位移。该步行位移获取单元606优选包括触地时刻判断子单元，用于测量人体脚端运动的角速度，将所述角速度与预设阈值进行比较，如果等于预设阈值，则该时刻为移动肢的端点触地时刻。通过获得步行的位移可以监测人体步行的轨迹。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims

1.一种级联刚体运动追踪方法，其特征在于，该方法包括：

根据所述姿态数据创建相应刚体的旋转矩阵；

将级联点集的坐标数据发送给运动追踪中心，由该追踪中心使用所述坐标数据驱动级联刚体模型的相应部位运动，并将运动过程虚拟呈现出来；

其中，根据姿态数据创建得到的相应刚体的旋转矩阵为：

L \times [\begin{matrix} \cos θ \cos ψ & \sin φ \sin θ \cos ψ - \cos φ \sin ψ & \cos φ \sin θ \cos ψ + \sin φ \sin ψ \\ \cos θ \sin ψ & \sin φ \sin θ \sin ψ + \cos φ \cos ψ & \cos φ \sin θ \sin ψ - \sin φ \cos ψ \\ - \sin θ & \sin φ \cos θ & \cos φ \cos θ \end{matrix}]

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，级联点集的坐标数据通过无线方式发送给运动追踪中心。

3.一种级联刚体运动追踪系统，其特征在于，该系统包括：姿态数据测量单元、旋转矩阵创建单元、级联点处理单元、坐标数据发送单元和运动追踪中心，其中：

所述运动追踪中心，用于接收所述级联点集的坐标数据后，使用所述坐标数据驱动级联刚体模型的相应部位运动，并将运动过程虚拟呈现出来；

其中，根据姿态数据创建得到的相应刚体的旋转矩阵为：

L \times [\begin{matrix} \cos θ \cos ψ & \sin φ \sin θ \cos ψ - \cos φ \sin ψ & \cos φ \sin θ \cos ψ + \sin φ \sin ψ \\ \cos θ \sin ψ & \sin φ \sin θ \sin ψ + \cos φ \cos ψ & \cos φ \sin θ \sin ψ - \sin φ \cos ψ \\ - \sin θ & \sin φ \cos θ & \cos φ \cos θ \end{matrix}]

4.一种步行过程追踪方法，其特征在于，该方法包括：

根据所述姿态数据创建相应骨骼的旋转矩阵；

将级联点集的坐标数据发送给步行追踪中心，由该追踪中心使用所述坐标数据驱动人体模型的相应部位运动，并将人体步行过程虚拟再现出来；

其中，根据姿态数据创建得到的相应骨骼的旋转矩阵为：

L \times [\begin{matrix} \cos θ \cos ψ & \sin φ \sin θ \cos ψ - \cos φ \sin ψ & \cos φ \sin θ \cos ψ + \sin φ \sin ψ \\ \cos θ \sin ψ & \sin φ \sin θ \sin ψ + \cos φ \cos ψ & \cos φ \sin θ \sin ψ - \sin φ \cos ψ \\ - \sin θ & \sin φ \cos θ & \cos φ \cos θ \end{matrix}]

该旋转矩阵中的θ、φ、Ψ为骨骼运动的俯仰角、横滚角、航向角，L为相应骨骼的长度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括获取步行位移的步骤，该步骤为：记录步行中移动肢的端点触地时刻的坐标，将该坐标与非移动肢的端点的坐标相减以得到步行位移。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步行中移动肢的端点触地时刻按照下述步骤判断：测量人体脚端运动的角速度，将所述角速度与预设阀值进行比较，如果等于预设阀值，则该时刻为移动肢的端点触地时刻。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，级联点集的坐标数据通过无线方式发送给步行追踪中心。

8.根据权利要求4至7中任何一项所述的方法，其特征在于，测量人体下肢各骨骼的姿态数据之前采用T-POSE进行校准。

9.一种步行过程追踪系统，其特征在于，该系统包括：姿态数据测量单元、旋转矩阵创建单元、级联点处理单元、坐标数据发送单元和步行追踪中心，其中：

所述步行追踪中心，用于接收级联点集的坐标数据后，使用所述坐标数据驱动人体模型的相应部位运动，并将人体步行过程虚拟再现出来；

其中，根据姿态数据创建得到的相应骨骼的旋转矩阵为：

L \times [\begin{matrix} \cos θ \cos ψ & \sin φ \sin θ \cos ψ - \cos φ \sin ψ & \cos φ \sin θ \cos ψ + \sin φ \sin ψ \\ \cos θ \sin ψ & \sin φ \sin θ \sin ψ + \cos φ \cos ψ & \cos φ \sin θ \sin ψ - \sin φ \cos ψ \\ - \sin θ & \sin φ \cos θ & \cos φ \cos θ \end{matrix}]

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括步行位移获取单元，该单元用于记录步行中移动肢的端点触地时刻的坐标，将该坐标与非移动肢的端点的坐标相减以得到步行位移。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述步行位移获取单元包括触地时刻判断子单元，用于测量人体脚端运动的角速度，将所述角速度与预设阀值进行比较，如果等于预设阀值，则该时刻为移动肢的端点触地时刻。