CN106125908A - 一种动作捕捉校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动作捕捉校准系统，涉及姿态检测领域，动作捕捉校准系统采用动态捕捉设备易于穿戴采集数据的精度高，避免了逐个贴置动作捕捉传感器的过程，且无需采用摄像设备录制影像，对外界环境的要求低，应用广泛；在开机或重启时，使操作人员保持预设动作利用校准单元根据采集单元采集的动作数据进行校准，从而获取偏差数据，根据该偏差数据进行补偿以保证实时影像的正确性，利用控制单元对动态捕捉设备采集的数据建模以实时生成3D影像，效率高。

Description

一种动作捕捉校准系统

技术领域

本发明涉及姿态检测领域，尤其涉及一种动作捕捉校准系统。

背景技术

现有的动作捕捉主要应用于航天、航空及3D电影制作等，如：无人机的导航系统就采用了动作捕捉技术。现有的3D电影制作过程中普遍采用光电传感器采集待测人员的运动轨迹，通过多个不同角度的摄像头拍摄光电传感器的反光点，对环境的要求高，存在的缺点有：拍摄时容易受到背光影响，成本高，目前已经支持，但是由于图像解算对硬件要求高，且目前还存在时延大的缺点，应用范围窄不易普及。传统的动作捕捉传感器数目多且零散，使用时需要逐个将动作捕捉传感器贴置于待测人员的身上，且每个动作捕捉传感器对应的位置固定，若动作捕捉传感器的位置贴错直接影响采集的数据，操作繁琐，且目前的动作捕捉传感器普遍采用三轴或六轴采集数据，精度低。

针对上述问题提供了一种易于穿戴的动态捕捉设备来采集数据，在避免了逐个贴置动作捕捉传感器的过程的同时采集精度高，但是用户每次穿戴动态捕捉设备时，很难保证传感器节点一直安装在同一个位置没法发生偏移，也就是说无法保证传感器的初始位置绝对固定。这种问题导致在重新启动，重新穿戴动态捕捉设备或传感器拆卸重新安装时，传感器的位置会产生偏移，因此在上位机显示的人物姿态就会与真实人姿态产生失真。

发明内容

针对上述问题，现提供一种旨在实现可避免因采集单元的相对位置发生偏移而导致姿态失真的动作捕捉校准系统。

具体技术方案如下：

一种动作捕捉校准系统，包括：

一动态捕捉设备，所述动态捕捉设备用以在预设时间内对穿戴所述动态捕捉设备的所述操作人员的预设动作进行相应的动作数据采集，所述动态捕捉设备包括：复数个采集单元，复数个所述采集单元分别设于所述动态捕捉设备的复数个预设位置，每个所述采集单元分别对应一唯一的位置标识，所述采集单元用以实时采集相应的所述预设位置的所述动作数据；

一发送单元，用以输出所述动作数据；

一处理单元，分别连接所述发送单元和复数个所述采集单元，用以接收复数个所述采集单元发送的复数个所述动作数据，将复数个所述动作数据发送至所述发送单元；

一接收单元，与所述发送单元连接，用以接收复数个所述动作数据；

一校准单元，连接所述接收单元，提供一组与所述预设动作对应的参考数据，每个所述参考数据分别对应一参考标识，所述参考标识与所述位置标识一一对应，所述校准单元用以分别获取每个所述动作数据与所述动作数据的所述位置标识对应的所述参考标识对应的所述参考数据之间的第一偏差数据，并根据每个所述偏差数据逐个对相应的所述动作数据进行补偿以生成复数个标准数据；

一控制单元，连接所述接收单元，用以根据所述标准数据依据预设的人体运动模型建立人体的3D姿态，并根据所述3D姿态生成实时影像。

优选的，所述人体运动模型为多刚体模型。

优选的，包括：所述动态捕捉设备与所述多刚体模型相匹配，所述刚体的数目与所述采集单元的数目相对应，所述刚体与所述采集单元一一对应。

优选的，每个所述刚体的中心位置形成于所述动态捕捉设备的所述预设位置，所述采集单元用以采集所述刚体的所述中心位置的所述动作数据。

优选的，所述采集单元包括：

一三轴加速度计，用以实时采集与所述采集单元对应的所述刚体在采集单元坐标系下的旋转三轴加速度；

所述采集单元坐标系为以所述采集单元的中心为坐标原点的坐标系；

一三轴陀螺仪，用以实时采集与所述采集单元对应的所述刚体在所述采集单元坐标系下的旋转三轴角速度；

一三轴磁力计，用以实时采集与所述采集单元对应的所述刚体在所述采集单元坐标系下的三轴磁力分量；

一控制模块，分别连接所述三轴加速度计、所述三轴陀螺仪和所述三轴磁力计，用以根据所述三轴加速度、所述三轴角速度和所述三轴磁力分量生成在世界坐标系下的四元数，所述动作数据包括所述四元数和与所述采集单元对应的所述位置标识。

优选的，所述发送单元采用无线模块。

优选的，所述接收单元采用无线模块。

优选的，所述控制单元包括：

一建模模块，用以根据每个所述采集单元的所述四元数及相应的所述位置标识依据所述多刚体模型建立人体的所述3D姿态；

一合成模块，连接所述建模模块，用以将实时的所述3D姿态合成为所述实时影像；

一显示模块，连接所述合成模块，用以显示所述实时影像。

优选的，每个所述参考数据表示所述参考标识对应的所述位置标识的对应的所述预设位置在所述预设动作时刚体坐标系与世界坐标系之间的第二偏差数据；

所述第一偏差数据为所述动作数据在采集单元坐标系下与所述世界坐标系之间的第三偏差数据与所述第二偏差数据之差。

优选的，所述第一偏差数据、所述第二偏差数据和所述第三偏差数据均为欧拉角。

采集单元坐标系采集单元坐标系采集单元坐标系采集单元坐标系采集单元坐标系上述技术方案的有益效果：

本技术方案中，采用动态捕捉设备易于穿戴采集数据的精度高，避免了逐个贴置动作捕捉传感器的过程，且无需采用摄像设备录制影像，对外界环境的要求低，应用广泛；在开机或重启时，使操作人员保持预设动作利用校准单元根据采集单元采集的动作数据进行校准，从而获取偏差数据，根据该偏差数据进行补偿以保证实时影像的正确性，利用控制单元对动态捕捉设备采集的数据建模以实时生成3D影像，效率高。

附图说明

图1为本发明所述的动作捕捉校准系统的一种实施例的模块图；

图2为本发明所述的采集单元的一种实施例的内部模块图；

图3为本发明所述的控制单元的一种实施例的内部模块图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1所示，一种动作捕捉校准系统，包括：

一动态捕捉设备，动态捕捉设备用以在预设时间内对穿戴动态捕捉设备的操作人员的预设动作进行相应的动作数据采集，动态捕捉设备包括：复数个采集单元1，复数个采集单元1分别设于动态捕捉设备的复数个预设位置，每个采集单元1分别对应一唯一的位置标识，采集单元1用以实时采集相应的预设位置的动作数据；

一发送单元3，用以输出动作数据；

一处理单元2，分别连接发送单元3和复数个采集单元1，用以接收复数个采集单元1发送的复数个动作数据，将复数个动作数据发送至发送单元3；

一接收单元5，与发送单元3连接，用以接收复数个动作数据；

一校准单元6，连接接收单元5，提供一组与预设动作对应的参考数据，每个参考数据分别对应一参考标识，参考标识与位置标识一一对应，校准单元6用以分别获取每个动作数据与动作数据的位置标识对应的参考标识对应的参考数据之间的第一偏差数据，并根据每个偏差数据逐个对相应的动作数据进行补偿以生成复数个标准数据；

一控制单元4，分别连接接收单元5和校准单元6，用以根据标准数据依据预设的人体运动模型建立人体的3D姿态，并根据3D姿态生成实时影像。

校准完成后，校准单元6对采集单元1采集的动作数据根据获取的第一偏差数据进行补偿以生成标准数据，利用控制单元4根据标准数据生成相应的实时影像。

进一步地，接收单元5与控制单元4之间可采用USB通信方式进行数据传输。预设时间可以是5秒-10秒，预设动作为操作人员穿着动态捕捉设备摆成十字形。

在本实施例中，采用动态捕捉设备易于穿戴采集数据的精度高，避免了逐个贴置动作捕捉传感器的过程，且无需采用摄像设备录制影像，对外界环境的要求低，应用广泛；在开机或重启时，使操作人员保持预设动作利用校准单元6根据采集单元1采集的动作数据进行校准，从而获取偏差数据，根据该偏差数据进行补偿以保证实时影像的正确性，利用控制单元4对动态捕捉设备采集的数据建模以实时生成3D影像，效率高，且成本低。

在优选的实施例中，人体运动模型为多刚体模型。多刚体模型包括多个刚体。以多刚体模型包括16个刚体为例，16个刚体包括：头部刚体、上躯干刚体、下躯干刚体、骨盆刚体、左上臂刚体、左前臂刚体、左手刚体、左大腿刚体、左小腿刚体、左脚刚体、右上臂刚体、右前臂刚体、右手刚体、右大腿刚体、右小腿刚体和右脚刚体。

在本实施例中，多刚体模型是将人体的每段肢体看作为一个刚体，即内部任何位置不产生相对形变的物体。刚体在运动中或受力作用后，形状和大小不变，而且内部各点的相对位置不变的物体。绝对刚体实际上是不存在的，只是一种理想模型，因为任何物体在受力作用后，都或多或少地变形，如果变形的程度相对于物体本身几何尺寸来说极为微小，在研究物体运动时变形就可以忽略不计。

在优选的实施例中，包括：动态捕捉设备与多刚体模型相匹配，刚体的数目与采集单元1的数目相对应，刚体与采集单元1一一对应。

进一步地，每个刚体的中心位置形成于动态捕捉设备的预设位置，采集单元1用以采集刚体的中心位置的动作数据。

在本实施例中，利用采集单元1实时检测相应刚体的动作数据，然后将动作数据实时发送给配置在动态捕捉设备上的处理单元2，处理单元2将所有采集单元1采集的数据收集，通过发送单元3及接收单元5将数据发送至控制单元4，控制单元4可采用移动终端，如安卓系统的客户端。根据多刚体模型的结构特点，可将刚体的连接节点分为子节点、父节点及根节点，以动态捕捉设备为衣服为例，根节点位于腰部，子节点的绝对位置信息是由父节点的旋转决定的。

如图2所示，在优选的实施例中，采集单元1包括：

一三轴加速度计11，用以实时采集与采集单元1对应的刚体在采集单元坐标系下的旋转三轴加速度；

采集单元坐标系为以采集单元1的中心为坐标原点的坐标系；

一三轴陀螺仪12，用以实时采集与采集单元1对应的刚体在采集单元坐标系下的旋转三轴角速度；

一三轴磁力计13，用以实时采集与采集单元1对应的刚体在采集单元坐标系下的三轴磁力分量；

一控制模块14，分别连接三轴加速度计11、三轴陀螺仪12和三轴磁力计13，用以根据三轴加速度、三轴角速度和三轴磁力分量生成在世界坐标系下的四元数，动作数据包括四元数和与采集单元1对应的位置标识。

进一步地，采集单元坐标系即为采集单元1自身的坐标系。

在本实施例中，采集单元1通过三轴加速度计11、三轴陀螺仪12和三轴磁力计13采集九轴数据提供了采集动作的精度，每个采集单元1中均配置有一控制模块14，通过控制模块14将三轴加速度计11、三轴陀螺仪12和三轴磁力计13采集的九轴数据转换为四元数，减少了控制单元4的运算及运行负担，提高了控制单元4生成实时影像的速度。

在优选的实施例中，发送单元3采用无线模块，接收单元5采用无线模块，发送单元3与接收单元5之间采用无线方式通信。

进一步地，无线模块可采用2.4G模块，其频段处于2.400GHz～2.4835GHz之间，2.4G模块具有成本低，效率高、低电压、体积小等优点。

在本实施例中，处理单元2和发送单元3均设置于动态捕捉设备上，以实现将数据通过无线的方式发送至接收单元5。

如图3所示，在优选的实施例中，控制单元4包括：

一建模模块41，用以根据每个采集单元1的四元数及相应的位置标识依据多刚体模型建立人体的3D姿态；

一合成模块42，连接建模模块41，用以将实时的3D姿态合成为实时影像。

在本实施例中，由于控制单元4是在世界坐标系下对动作数据进行建模，利用建模模块41根据每个采集单元1的位置标识依据多刚体模型及相应的四元数建立人体的3D姿态，通过合成模块42生成的3D姿态合成为实时影像。

在优选的实施例中，控制单元4还包括：

一显示模块43，连接合成模块42，用以显示实时影像。

在本实施例中，通过显示模块43对实时影像进行实时显示。

在优选的实施例中，动态捕捉设备包括：头套、上衣、裤子、手套和鞋。

进一步地，动态捕捉设备可包括：帽子、连体衣、鞋和手套。

在优选的实施例中，每个参考数据表示参考标识对应的位置标识的对应的预设位置在预设动作时刚体坐标系与世界坐标系之间的第二偏差数据，刚体的坐标系原点为旋转点，该旋转点为刚体与该刚体父节点刚体的连接点，如同小臂的旋转点在胳膊肘关节；

第一偏差数据为动作数据在采集单元坐标系下与世界坐标系之间的第三偏差数据与第二偏差数据之差。

进一步地，第一偏差数据、第二偏差数据和第三偏差数据均为欧拉角。欧拉角为世界坐标系下的，欧拉角可表示三轴的旋转信息，简化了校准过程用时短，提高了校准速度。

在本实施例中，参考数据表示操作人员穿着动态捕捉设备摆成预设动作时，采集单元对应的刚体坐标系与世界坐标系之间的第二偏差数据；第一偏差数据表示操作人员穿着动态捕捉设备摆成预设动作时，采集单元对应的在采集单元坐标系与世界坐标系之间的第一偏差数据。

动作捕捉校准系统采用开机校准将操作人员每次安装后的实际位置与正确位置在X，Y，Z三个轴上的偏移做一记录，用作以后每个动作数据的偏移补偿，从而保证实时影像的准确性。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种动作捕捉校准系统，其特征在于，包括：

一动态捕捉设备，所述动态捕捉设备用以在预设时间内对穿戴所述动态捕捉设备的所述操作人员的预设动作进行相应的动作数据采集，所述动态捕捉设备包括：复数个采集单元，复数个所述采集单元分别设于所述动态捕捉设备的复数个预设位置，每个所述采集单元分别对应一唯一的位置标识，所述采集单元用以实时采集相应的所述预设位置的所述动作数据；

一发送单元，用以输出所述动作数据；

一处理单元，分别连接所述发送单元和复数个所述采集单元，用以接收复数个所述采集单元发送的复数个所述动作数据，将复数个所述动作数据发送至所述发送单元；

一接收单元，与所述发送单元连接，用以接收复数个所述动作数据；

一校准单元，连接所述接收单元，提供一组与所述预设动作对应的参考数据，每个所述参考数据分别对应一参考标识，所述参考标识与所述位置标识一一对应，所述校准单元用以分别获取每个所述动作数据与所述动作数据的所述位置标识对应的所述参考标识对应的所述参考数据之间的第一偏差数据，并根据每个所述偏差数据逐个对相应的所述动作数据进行补偿以生成复数个标准数据；

一控制单元，分别连接所述接收单元和所述校准单元，用以根据所述标准数据依据预设的人体运动模型建立人体的3D姿态，并根据所述3D姿态生成实时影像。

2.如权利要求1所述的动作捕捉校准系统，其特征在于，所述人体运动模型为多刚体模型。

3.如权利要求2所述的动作捕捉校准系统，其特征在于，包括：所述动态捕捉设备与所述多刚体模型相匹配，所述刚体的数目与所述采集单元的数目相对应，所述刚体与所述采集单元一一对应。

4.如权利要求3所述的动作捕捉校准系统，其特征在于，每个所述刚体的中心位置形成于所述动态捕捉设备的所述预设位置，所述采集单元用以采集所述刚体的所述中心位置的所述动作数据。

5.如权利要求4所述的动作捕捉校准系统，其特征在于，所述采集单元包括：

一三轴加速度计，用以实时采集与所述采集单元对应的所述刚体在采集单元坐标系下的旋转三轴加速度；

所述采集单元坐标系为以所述采集单元的中心为坐标原点的坐标系；

一三轴陀螺仪，用以实时采集与所述采集单元对应的所述刚体在所述采集单元坐标系下的旋转三轴角速度；

一三轴磁力计，用以实时采集与所述采集单元对应的所述刚体在所述采集单元坐标系下的三轴磁力分量；

一控制模块，分别连接所述三轴加速度计、所述三轴陀螺仪和所述三轴磁力计，用以根据所述三轴加速度、所述三轴角速度和所述三轴磁力分量生成在世界坐标系下的四元数，所述动作数据包括所述四元数和与所述采集单元对应的所述位置标识。

6.如权利要求1所述的动作捕捉校准系统，其特征在于，所述发送单元采用无线模块。

7.如权利要求1所述的动作捕捉校准系统，其特征在于，所述接收单元采用无线模块。

8.如权利要求5所述的动作捕捉校准系统，其特征在于，所述控制单元包括：

一建模模块，用以根据每个所述采集单元的所述四元数及相应的所述位置标识依据所述多刚体模型建立人体的所述3D姿态；

一合成模块，连接所述建模模块，用以将实时的所述3D姿态合成为所述实时影像；

一显示模块，连接所述合成模块，用以显示所述实时影像。

9.如权利要求4所述的动作捕捉校准系统，其特征在于，每个所述参考数据表示所述参考标识对应的所述位置标识的对应的所述预设位置在所述预设动作时刚体坐标系与世界坐标系之间的第二偏差数据；

所述第一偏差数据为所述动作数据在采集单元坐标系下与所述世界坐标系之间的第三偏差数据与所述第二偏差数据之差。

10.如权利要求9所述的动作捕捉校准系统，其特征在于，所述第一偏差数据、所述第二偏差数据和所述第三偏差数据均为欧拉角。