CN103150016B - 一种融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统，包括由惯性动捕技术获取各目标的动作信息的惯性动捕系统，由超宽带定位技术获取各目标的位置信息的UWB定位系统，用于在三维空间中对人体运动姿态数据进行采集和处理的惯性动捕系统，以及连接在所述UWB定位系统和惯性动捕系统之间、且用于对所述UWB定位系统和惯性动捕系统进行统一管控的主控制器系统。该融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统，融合惯性动捕与超宽带定位技术，获取各目标的动作信息和位置信息，通过融合计算，实时得到各捕捉目标的完整的信息并应用于动漫、游戏角色的控制，是现有动作捕捉技术的提升与发展。

Description

一种融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统

技术领域

本发明涉及图像采集及处理技术领域，具体地，涉及一种融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统。

背景技术

运动捕捉技术是发展动漫产业的核心技术，为文化产业发展提供技术保障。三维动画的制作中，在建立了角色的数字模型之后，我们需要根据脚本的要求为模型定义运动，这是一项工作量巨大的工作，也是动画片生产中影响效率提高的瓶颈。运动捕捉技术的应用对动画片制作效率和质量的提高具有重要的意义，本来需要数月来完成的工作应用运动捕捉系统之后只需要短短数日即可完成。应该说运动捕捉技术的应用是动画片制作技术的重大突破，也是今后动画制作技术发展的趋势。

甘肃省十二五规划指出：培养和发展文化产业，重点发展现代传媒、出版发行、文娱演艺、文化旅游等优势产业，加快数字内容及影视动漫、广告会展、文化创意、体育健身等新业态发展。可见，需要以2011年国家文化部科技创新项目：基于微机械室人体动作信息捕捉技术开发及系统研制（编号：201109）为基础，并进一步拓展研究拟实现多人实时运动捕捉技术的研发，因此，基于微机械室人体动作信息捕捉技术开发及系统的研制，是动漫产业发展的核心技术之一，运动控制是制约动漫产业发展的瓶颈问题，尤其是多角色不同运动轨迹的运动控制情形。运动捕捉系统作为动漫产业的核心装备，关系到甘肃“推进文化繁荣发展，建设文化大省”的战略目标的实现。

超宽带（Ultra-Wideband，简称UWB）技术代表了一种新的共享使用频谱方式，可用于任何一类通信系统，其优点是:传输速率高、系统容量大、低功耗、低成本、抗多径干扰能力和穿透能力强，其功率谱密度极低，能与现有通信系统共存，并且能获得比现有无线定位技术更高的测距定位精度。

上世纪90年代，SCHOLTZR.A.首次提出采用冲激脉冲进行跳时调制用于多址通信系统，这篇具有里程碑式意义的论文开启了对UWB理论进行系统研究的先河，此后，UWB技术日渐成为当前无线通信研究中的热点，空间位置信息的获取是通信及信息科学领域的前沿课题之一。对于脉冲无线电超宽带（ImpulseRadioUltra-Wideband，简称IR-UWB）技术，其脉冲宽度仅为纳秒（ns）或亚纳秒级，因此，UWB定位技术引起了学术界和业界的极大关注IEEE802.15.4a标准将UWB作为定位应用的首选技术。最新的FCC报告为UWB雷达与传感器应用开放了更宽的频带:5.925~7.250GHz，16.2~17.7GHz，23.12~29.0GHz.UWB定位研究的著名学者FONTANA总结了近年来UWB测距应用，从不同精度需求和应用场合，可分为精确测距系统、防冲撞系统和入侵检测系统，可见UWB在精确定位测距领域的重要之处。

精密资产定位系统（PrecisionAssetLocationSystem，简称PALS），是以测距为基础的精确定位系统，2003年美国海军研究机构开发了符合FCC民用规范的PALS650工作频段范围包括在3.1~10.6GHz之间。定位方式采用无线定位技术（TimeDifferenceofArrival，简称TDOA），在同步丢失（Lostofsynchronous，简称LOS）环境下定位范围可达200m，接收信噪比（signal-to-noiseratio，简称SNR）较高时采用平均处理后的定位精度接近0.08m。

基于UWB定位技术的成熟度和精确度，在短距离范围内提供高速无限数据传输也将是UWB的重要应用领域，如果拟研发的多人动作实时捕捉技术将应用超宽带定位技术对多人动作捕捉系统中的表演者进行精确定位，则能提高多人实时运动捕捉系统中众多表演者之间相互位置的精确性。

而传统的基于接收信号的强度指标（ReceivedSignalStrengthIndicator，简称RSSI）信号强弱判断的射频识别即（RadioFrequencyIdentification，简称RFID，又称电子标签、无线射频识别）、Zigbee（是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，是一种低速短距离传输的无线网络协议）、WIFI【是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术】等射频技术，只能实现区域判断和位置感知的功能，并且受现场环境和天气环境影响比较大，系统的稳定性和可靠性十分不理想。能定位的，定位精度也在3-5米以上，不能做精确控制应用。

在三维动画创作中，三维动画模型的运动控制是一项工作量巨大的工作，也是动画片创作中影响效率提高的关键，而工作量更复杂的是动画制作中多角色不同运动控制的情形，虚拟角色数量较多且不同角色的运动轨迹不同。为解决这一动画创作中的瓶颈问题，近年来，国内外业界开始了应用于动画制作的运动捕捉技术的研究，其方法是应用运动捕捉所获的多人或单人的人体运动数据控制动画中虚拟角色的运动，以减轻角色运动控制与设定的工作量，提高创作效率及角色运动的逼真程度。

UWB定位技术主要基于时间和脉冲定位，具有较好的抗干扰性和抗多路径效应能力，具有良好的定位精度和实时性能够很好地满足本多人实时运动捕捉系统的精度标准。如何可以研发多人实时动作捕捉系统，基于机械式运动捕捉技术实现对人体运动姿态的实时测量，运用机械式人体运动捕捉技术，即通过绑定在人体上的数个惯性传感器获取人体各特征点的运动数据，之后在PC机上利用相应的软件对该运动数据进行分析解算，软件内部主要采用反向运动学算法求解人体各关节点的相对位移量（即数据解算过程），从而完成人体运动姿态的实时捕捉，因此，需要融合超宽带定位技术和机械式人体运动捕捉技术完美实现多人实时运动捕捉技术的研发及系统研制。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在可靠性差、定位精度低、定位与捕捉的同步性差、以及多角色运动定义及控制难度大等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对机械式动捕系统无法进行多人动作捕捉问题，提出一种融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统，可以由惯性动捕技术获取各目标的动作信息（关节点上的相对的位置数据），由超宽带定位技术获取各目标的位置信息（各目标的绝对位置数据），通过融合计算，实时得到各捕捉目标的完整的信息实现多目标动作的实时捕捉。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统，包括由惯性动捕技术获取各目标的动作信息的惯性动捕系统，由超宽带定位技术获取各目标的位置信息用于在三维空间中对多人UWB定位数据进行实时采集和处理的UWB定位系统，以及连接在所述UWB定位系统和惯性动捕系统之间、且用于对所述UWB定位系统和惯性动捕系统进行统一管控的主控制器系统。

这样，由惯性动捕技术获取各目标的动作信息（关节点上的相对的位置数据），和由超宽带定位技术获取各目标的位置信息（各目标的绝对位置数据），通过融合计算，实时得到各捕捉目标的完整的信息。

进一步地，以上所述的融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统，还包括连接在所述主控制器系统与UWB定位系统之间的无线通信模块。

进一步地，所述无线通信模块，包括设在所述UWB定位系统侧、且依次与UWB定位系统连接的第一天线和蓝牙接收模块；

还包括设在所述主控制器系统侧、且依次与所述主控制器系统连接的第二天线和蓝牙传输模块。

进一步地，所述UWB定位系统，包括设在主监测站的主传感器，设在从监测站、且与所述主传感器时间同步设置的从传感器，分别与所述主传感器和从传感器连接、且用于向主传感器和从传感器发送UWB脉冲信号序列的UWB标签，以及连接在所述主传感器与主控制器系统或无线通信模块之间、且用于获取UWB定位数据并进行处理的工作站；

所述工作站，包括具有PC软件和BVH文件的PC机。

进一步地，所述UWB定位系统，还包括当所述主传感器和/或从传感器的数量为多个时使用的POE交换机，以及与所述POE交换机匹配设置的标准的超五类网线和超五类带屏蔽的网线。

进一步地，所述惯性动捕系统，包括由多个传感器节点构成、且用于获取人体各特征点处的运动姿态数据的传感器网络，以及分别与所述传感器网络中的相应传感器节点匹配连接、且均与主控制器系统连接的多个节点控制器；所述多个节点控制器与主控制器系统之间采用主从式星形网络拓扑结构设置。

进一步地，所述多个传感器节点，包括设置在人体各关键关节点处、并用于获取人体各关键关节点处的运动数据并发送至相应节点控制器的多个微机械传感器，相应节点控制器将处理得到的欧拉角或四元数发送至所述主控制器系统。

进一步地，每个微机械传感器，包括分别用于采集人体相应关节点在三个坐标轴上的加速度分量、角速度分量和地磁倾角分量的三轴加速度传感器、三轴角速度传感器和三轴地磁场传感器。

进一步地，所述主控制器系统，包括处理器，以及与所述处理器连接的供电电源。

进一步地，所述处理器，包括单片机或MCU；和/或，

所述供电电源，包括多个串联的蓄电池，以及分别与所述串联的多个蓄电池连接、且用于对多个蓄电池进行电源管理的电源管理芯片。

本发明各实施例的融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统，由于包括由惯性动捕技术获取各目标的动作信息的惯性动捕系统，由超宽带定位技术获取各目标的位置信息用于在三维空间中对多人UWB定位数据进行实时采集和处理的UWB定位系统，以及连接在UWB定位系统和惯性动捕系统之间、且用于对所述UWB定位系统和惯性动捕系统进行统一管控的主控制器系统；可以融合惯性动捕与超宽带定位技术，获取各目标的动作信息和位置信息，通过融合计算，实时得到各捕捉目标的完整的信息并应用于动漫、游戏角色的控制，高效地解决三维动画创作中多角色运动定义及控制的瓶颈问题；从而可以克服现有技术中可靠性差、定位精度低、定位与捕捉的同步性差、以及多角色运动定义及控制难度大的缺陷，以实现可靠性好、定位精度高、定位与捕捉的同步性好、以及多角色运动定义及控制难度小的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统的工作原理示意图；

图2为本发明中人体运动姿态数据采集原理示意图；

图3为本发明中基于分层骨架结构模型的人体关节层次结构示意图；

图4为本发明中基于图3的传感器网络节点分布示意图；

图5为本发明中人体运动姿态图形重建的数据流向及处理流程示意图；

图6为本发明中UWB定位系统的工作原理示意图；

图7为本发明中距离差的原理示意图；

图8为本发明中TDOA定位的原理示意图；

图9为本发明中UWB定位系统中主传感器和/或从传感器的数量为多个时使用POE交换机时的原理及连接方式示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，提供了一种融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统。如图1-图9所示，本实施例的融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统，包括用于在三维空间中对多人UWB定位数据进行实时采集和处理的UWB定位系统，用于在三维空间中对人体运动姿态数据进行采集和处理的惯性动捕系统，连接在UWB定位系统和惯性动捕系统之间、且用于对UWB定位系统和惯性动捕系统进行统一管控的主控制器系统，以及连接在主控制器系统与UWB定位系统之间的无线通信模块。

这里，无线通信模块，包括设在UWB定位系统侧、且依次与UWB定位系统连接的第一天线和蓝牙接收模块；还包括设在主控制器系统侧、且依次与主控制器系统连接的第二天线和蓝牙传输模块。主控制器系统，包括处理器，以及与处理器连接的供电电源；处理器，包括单片机或MCU；和/或，供电电源，包括多个串联的蓄电池，以及分别与串联的多个蓄电池连接、且用于对多个蓄电池进行电源管理的电源管理芯片。

上述UWB定位系统，包括设在主监测站的主传感器，设在从监测站、且与主传感器时间同步设置的从传感器，分别与主传感器和从传感器连接、且用于向主传感器和从传感器发送UWB脉冲信号序列的UWB标签，以及连接在主传感器与主控制器系统或无线通信模块之间、且用于获取UWB定位数据并进行处理的工作站；工作站，包括具有PC软件和BVH文件的PC机。该UWB定位系统，还包括当主传感器和/或从传感器的数量为多个时使用的POE交换机，以及与POE交换机匹配设置的标准的超五类网线和超五类带屏蔽的网线。

这里，多个传感器的定位数据通过超五类网线传送至POE交换机，工作站(PC机)与POE交换机相连并不断地从POE交换机中读取定位数据，此时的POE交换机与UWB定位系统中多个主传感器和/或从传感器的连接方式及原理，可参见图9。

上述惯性动捕系统，包括由多个传感器节点构成、且用于获取人体各特征点处的运动姿态数据的传感器网络，以及分别与传感器网络中的相应传感器节点匹配连接、且均与主控制器系统连接的多个节点控制器；多个节点控制器与主控制器系统之间采用主从式星形网络拓扑结构设置。多个传感器节点，包括设置在人体各关键关节点处、并用于获取人体各关键关节点处的运动数据并发送至相应节点控制器的多个微机械传感器，相应节点控制器将处理得到的欧拉角或四元数发送至主控制器系统。每个微机械传感器，包括分别用于采集人体相应关节点在三个坐标轴上的加速度分量、角速度分量和地磁倾角分量的三轴加速度传感器、三轴角速度传感器和三轴地磁场传感器。

本实施例的融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统，主要融合UWB定位技术和机械式人体运动捕捉技术，实现多人实时动作捕捉技术的研发，主要涉及UWB定位技术、微机械传感器技术、蓝牙技术、多人运动模型实时图形重建软件的设计，目标是形成具有自主知识产权的国产机械式多人实时运动捕捉系统。该融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统的研发，在国内将是首创并处于绝对的领先水平。

本实施例的融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统，可以解决以下技术问题：

⑴人体UWB定位数据与人体运动捕捉数据之间的同步性问题

多人运动捕捉技术的关键问题之一，就是多表演者在三维空间的实时定位坐标数据与表演者身体运动姿态数据的一致性和同步性；若两者不能做到很好的实时同步，则多人在三维空间的运动姿态及位置就会混乱，此问题可以通过该融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统软件算法的优化编程来解决；

⑵降低动漫创作中多角色运动定义及控制的复杂度问题；

⑶三维空间中多人运动模型的实时图形重建软件的设计问题。

本实施例的融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统，主要涉及机械式人体运动姿态捕捉和基于超宽带定位技术的人体三维空间位置的精确定位两个方面。其中：

⑴机械式人体运动捕捉技术，主要涉及微机械传感器技术、蓝牙技术、传感器网络节点设计和图形化人体运动模型重建软件设计。惯性动捕系统利用传感器网络获取人体各关键关节点处的运动数据（即四元数），并通过蓝牙无线传送至工作站（PC端），PC端有图形化人体运动模型重建软件，该软件内部采用解析的反向运动学算法对各关节点处的运动数据进行解算，最后得到控制三维动画角色运动的数据（即节点位移量），从而实现对人体运动姿态的实时测量捕捉。

⑵多人动作捕捉系统的另一个关键问题，就是实时获取每个人在三维空间中的精确位置，因此，该融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统进一步融合了UWB定位技术对多人动作捕捉系统中的多个虚拟角色进行精确定位，多人运动捕捉系统中每位表演者头部均佩戴一个UWB标签，UWB标签不断地发出UWB脉冲信号序列，相应的脉冲UWB信号被主传感器和从传感器接收，主、从传感器间用一根超五类带屏蔽的网线实现互联和时间信号同步，传感器利用信号到达时间差（TDOA）和信号到达的角度（AOA）两种方式来计算UWB标签的精确位置。

这样，可以将人体运动捕捉数据和人体UWB定位数据传送至工作站（PC端），工作站内部利用相应的图形化多人运动模型重建软件对采集到的运动姿态数据和人体定位数据进行同步和解算，从而融合超宽带定位技术和机械式人体运动捕捉技术实现多人实时运动捕捉系统研制。这里涉及的关键技术主要是人体运动姿态的实时捕捉和多人三维空间位置的实时定位，具体实现原理可参见图1。

本实施例的融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统的数据流操作过程，包括三维空间中多人UWB定位数据的实时采集和处理、以及人体运动姿态数据的采集和处理，并分别采用UWB定位技术和机械式运动捕捉技术来实现。其中：

⑴人体运动姿态数据的实时采集和处理

人体运动姿态数据的采集由传感器网络来实现，传感器网络中的每个传感器都有独立的控制器，多个传感器节点（即多个传感器单元）就组成传感器网络。将传感器网络的各节点布置在人体待测的特征点上，在运动过程中，主控制器系统命令各节点控制器通过传感器采集运动过程中人体各节点在三个坐标轴上的加速度分量、角速度分量和地磁倾角分量。各节点控制器与主控制器系统之间采取主从式星形网络拓扑结构，利用总线形式进行通信。主控制器集中各传感器节点上传的信息，对信息进行分析并作相应数据处理后，输出有效数据通过蓝牙接收模块传送到PC端（例如，设在工作站的PC机）对数据进行处理计算，最后得到人体运动姿态数据。人体运动姿态数据采集过程及原理，可参见图2。

①传感器网络节点设计

传感器网络的作用主要是获取人体各特征点处的运动姿态数据，人体各特征点运动姿态的融合可用于模拟整个人体的运动姿态，系统可将人体骨骼模型的运动抽象成人体关节模型的运动，人体骨架是一种关节链结构，关节链是由一系列依次相连的刚体(一般假设物体无论受到多大外力或转动得多快都不变形，称这样的物体为刚体，它是力学中关于研究对象的一个理想模型)连接而成的，两个刚体的连接处称之为关节点。

例如，可以将人体骨架模型继续抽象出17个关键关节点，相应的关节分别是臀腹关节、左胸肩关节、右胸肩关节、左肩关节、右肩关节、左肘关节、右肘关节、左腕关节、右腕关节、胸颈关节、头颈关节、左腿根关节、右腿根关节、左膝关节、右膝关节、左躁关节和右躁关节，因此整个运动的人体可被看作是由17个关键关节点连接而成的人体骨架模型，同时将人体臀腹关节作为人体模型根关节，来确定人体的世界空间位置和朝向。这里采用常规的分层骨架结构模型（即树形结构）进行图形描述，具体可参见图3。

人体关节模型中各关节的划分是对人体关键关节点的提取过程，人体各关键关节点处的运动信息经处理后可以有效地反应整个人体的运动姿态，为获取运动人体的17个关键关节点处的运动信息，将在每个关键关节点处均放置一个微机械传感器即传感器节点，所以共将17个微机械传感器放置在运动人体的17个关键关节点处，由此构成具有17个节点的传感器网络。每个传感器分别获取运动人体的特定关节点处的运动姿态，之后在PC端图形化软件中对运动姿态数据进行解算，获得每个关节点的相对位移量，从而由各特征点的运动姿态构建出整个人体的运动姿态模型。由以上人体关节层次模型拟确定传感器网络节点的分布可参见图4，图4中每个黑色圆点代表一个传感器网络节点，整个传感器网络由17个网络节点构成，每个节点处放置一个微机械传感器。

②主控制器系统设计

通过编程实现主控制器CPU不断的获取各传感器网络节点处的运动数据，同时传感器网络节点与主控制器系统之间采用RS-485总线连接，RS-485总线具有较高的数据传输速率(10Mbps)，且总线接口具有良好的抗噪声干扰性及较长传输距离的特点。通过RS-485总线主控制器系统实时获取传感器网络各节点的运动姿态数据，主控制器系统集成蓝牙传输模块，蓝牙传输模块用于无线发送人体各关键关节点处的运动数据至PC端，主控制器系统可以保证实时获取人体各关节点处的运动数据，并实时传送至PC端人体运动模型图形重建软件中。

③电源电路设计

运动捕捉系统中每个主控制器系统都需要一个供电电源，电源可采用4节1.2V、3000mAh镍氢充电电池串联构成，并采用电源管理芯片LP2951进行电源管理，为系统提供稳定的5V工作电压，同时具有电量检测的功能。

④单片机软件设计

单片机软件部分包括传感器网络节点控制器的数据采集部分程序和主控制器的数据处理部分程序两部分，数据采集部分主要用于单片机实时采集网络节点感器输出的三轴加速度模拟量及角速度模拟量及磁场强度模拟量，将9路A/D转换的结果存储到单片机内部的SRAM（英文StaticRAM的缩写，它是一种具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据）中。当单片机接到主控制器发出的中断请求后，将SRAM中存储的数据通过总线发送给主控制器，并将SRAM中所存数据清空。包括系统外围各部分接口器件GUI函数、用户参数设定、获取各节点转换数据、数据处理等功能，这些功能由主控制器完成。

⑤PC端图形化数据处理及运动分析重建软件设计

系统的人体运动姿态图形重建软件，应具备智能的运动数据处理及实时重现人体运动姿态的功能，同时还可以编辑修改之前记录的动作信息。该人体运动模型实时重建软件的开发基于VisualC++6.0集成开发环境，利用C++编程语言，涉及MSComm通信控件、MFC类库（微软基础类库）、COM组件的调用和图形化程序设计的编程思想。在VisualC++6.0集成开发环境中通过添加MSComm控件来实现与蓝牙设备的通信功能，并以事件驱动的方式处理串行端口通信，MSComm控件提供OnComm事件和CommEvent属性捕捉并检查通讯事件的值，Input和Output可用于向相应缓冲区中读取和写入字符数据。最后再将从蓝牙端口获取的人体各关节点的运动数据，以及UWB定位系统测得的多人在三维空间中精确位置数据，共同提交给软件的运动姿态显示模块，用于人体运动模型的实时重建和显示，其数据流向及处理流程参见图5。

⑵多人UWB定位数据的实时采集和处理

UWB定位技术是基于时间和脉冲定位，具有较好的抗干扰性和抗多路径效应能力，定位精度高和实时性好。UWB定位系统由UWB标签、传感器、POE交换机（多传感器系统中用到）、标准的超五类网线、超五类带屏蔽的网线构成。UWB定位系统中的UWB标签不断地发出UWB脉冲信号序列，UWB信号是一个6-8GHz的脉冲序列，该脉冲信号将被主传感器和从传感器接收，主、从传感器间用一根超五类带屏蔽的网线实现互联和时间信号同步，传感器利用UWB标签的UWB信号到达时间差（TDOA）来计算UWB标签的精确位置，最后UWB定位系统将三维空间中的人体精确位置信息传送至工作站（PC机），供工作站软件实时确定三维空间中虚拟角色的精确位置，UWB定位系统的工作原理参见图6。

UWB信号到达时间差（TDOA）定位原理，具体如下：

信号到达时间差（TDOA）通过测量无线电信号到达不同检测地点的天线单元时间差，来对发射无线电信号的发射源进行定位。UWB信号到达时间差（TDOA）就是指UWB标签T发出的UWB脉冲信号分别到达主传感器A和从传感器B的时间差值，由信号到达主传感器A和从传感器B的时间差值，便可以计算出A与B的距离差，即TA-TB的差值。

距离差=时间差×电磁波速度，具体参见图7，T代表一个UWB标签，A代表主传感器，B代表从传感器。参见图8，到达时间差（TDOA）的定位流程如下：

①从监测站(从传感器)将同一时间测量同一信号得到的数据发送至主监测站(主传感器)；

②主监测站(主传感器)分别计算出无线电信号到达两个监测站天线的时间差（利用相关算法)；

③根据两站之间时间差转换为距离差，可以得到一条双曲线；

④通过三个或多个无线电监测站测得的时间差可以得到两条或多条双曲线相交来实现对发射源的定位，双曲线的交点处就是发射源的精确位置，具体参见图8。

本实施例的融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统，具有以下特点：

⑴融合了UWB定位技术和机械式人体运动捕捉技术，这两项技术在多人实时运动捕捉系统研制中的应用在国内属于首创；

⑵将高效地解决三维动画创作中多角色运动定义及控制的瓶颈问题，将填补动漫创作领域的一项新的空白，在国内将处于绝对的领先水平；

⑶作为融合超宽带定位技术和机械式运动捕捉技术的多人动作实时捕捉产品，成本低、易于推广应用，具有较大的市场空间。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统，其特征在于，包括由惯性动捕技术获取各目标的动作信息的惯性动捕系统，由超宽带定位技术获取各目标的位置信息用于在三维空间中对多人UWB定位数据进行实时采集和处理的UWB定位系统，以及连接在所述UWB定位系统和惯性动捕系统之间、且用于对所述UWB定位系统和惯性动捕系统进行统一管控的主控制器系统，还包括连接在所述主控制器系统与UWB定位系统之间的无线通信模块，所述无线通信模块，包括设在所述UWB定位系统侧、且依次与UWB定位系统连接的第一天线和蓝牙接收模块；还包括设在所述主控制器系统侧、且依次与所述主控制器系统连接的第二天线和蓝牙传输模块，所述UWB定位系统，包括设在主监测站的主传感器，设在从监测站、且与所述主传感器时间同步设置的从传感器，分别与所述主传感器和从传感器连接、且用于向主传感器和从传感器发送UWB脉冲信号序列的UWB标签，以及连接在所述主传感器与主控制器系统或无线通信模块之间、且用于获取UWB定位数据并进行处理的工作站；

所述工作站，包括具有PC软件和BVH文件的PC机。

2.根据权利要求1所述的融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统，其特征在于，所述UWB定位系统，还包括当所述主传感器和/或从传感器的数量为多个时使用的POE交换机，以及与所述POE交换机匹配设置的标准的超五类网线和超五类带屏蔽的网线。

3.根据权利要求1所述的融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统，其特征在于，所述惯性动捕系统，包括由多个传感器节点构成、且用于获取人体各特征点处的运动姿态数据的传感器网络，以及分别与所述传感器网络中的相应传感器节点匹配连接、且均与主控制器系统连接的多个节点控制器；所述多个节点控制器与主控制器系统之间采用主从式星形网络拓扑结构设置。

4.根据权利要求3所述的融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统，其特征在于，所述多个传感器节点，包括设置在人体各关键关节点处、并用于获取人体各关键关节点处的运动数据并发送至相应节点控制器的多个微机械传感器，相应节点控制器将处理得到的欧拉角或四元数发送至所述主控制器系统。

5.根据权利要求4所述的融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统，其特征在于，每个微机械传感器，包括分别用于采集人体相应关节点在三个坐标轴上的加速度分量、角速度分量和地磁倾角分量的三轴加速度传感器、三轴角速度传感器和三轴地磁场传感器。

6.根据权利要求1所述的融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统，其特征在于，所述主控制器系统，包括处理器，以及与所述处理器连接的供电电源。

7.根据权利要求6所述的融合超宽带定位与惯性传感技术的多人动作捕捉系统，其特征在于，所述处理器，包括单片机或MCU；

所述供电电源，包括多个串联的蓄电池，以及分别与所述串联的多个蓄电池连接、且用于对多个蓄电池进行电源管理的电源管理芯片。