CN107291265A - 惯性动作捕捉硬件系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种惯性动作捕捉硬件系统，其包括：开发板和至少一个动作捕捉单元，所述开发板与所述动作捕捉单元通过硬件串口连接；所述开发板包括无线网络模块和微控制器；且所述动作捕捉单元包含微处理器和传感器。

Description

惯性动作捕捉硬件系统

技术领域

本发明涉及传感器和图像技术，特别是涉及一种惯性动作捕捉硬件系统。

背景技术

三维工艺培训短片是面向特定行业企业，尤其是生产制造领域的三维动画，其主要内容是以高精度环境、设备三维模型为基础，结合人物操作的计算机三维动画。

主流影视制作一般需要制作假想的场景，因而采用手绘原画加手工建模的方案制作三维场景。影视制作公司目前采用“脚本->分镜头->原画->模型->动画->特效->渲染->剪辑->配音”的顺序制作三维影视内容，细粒度的流水线作业需要较长的动画时长才可降低边际成本，否则无法启动一个项目。

相对于这种以娱乐目的为主的三维影视动画，企业三维工艺培训短片并不需要写实的渲染、精致的特效，其主要需求为准确反映生产工艺所涉及的环境、设备及操作动作。同时，企业对培训短片有快速制作、反复修改的需求，现有的影视制作方法并不满足制作三维工艺培训短片的要求。而且，由于传统影视制作为人力密集型方案，成本很高，也不适于用作制作三维工艺培训短片。

当前的运动捕捉技术主要包括以下几种：

机械式运动捕捉：机械式运动捕捉依靠机械装置来测量运动，该机械装置由多个关节和刚性连杆组成，在关节处装有角度传感器以测量关节角度变化，刚性连杆也可以换成长度可变的伸缩杆，并安装位移传感器以测量长度的变化。机械式运动捕捉通过将待捕捉的物体与机械装置相连，运动物体带动机械装置运动，从而通过机械装置上的传感器记录下待测物体运动。机械式运动捕捉成本低、标定简单、精度较高并且容易实现实时数据捕捉而不受场地限制。但是机械式方式难以实现对于多自由度的关节运动捕捉，同时由于自身尺寸和重量，对待测物体的运动(特别是剧烈运动)造成比较严重的阻碍和干涉，因而这种运动捕捉方式并不适合运动训练的运动捕捉。

电磁式运动捕捉：电磁式运动捕捉的系统一般由发射源、接收器和数据处理单元组成。发射源产生按一定时空分布的电磁场；接收器安装在待测物体的关键位置，接收器跟随待测物体而运动，并将接收到的信号通过有线方式传递给数据处理单元。这种运动捕捉方式不仅能够得到空间位置信息，还能得到方位信息，并且实时性好，成本相对较低。但是这种运动捕捉方式对于环境要求严格，比如附近不能有金属物品，有线电缆对物体的运动限制比较大，而且采样频率较低，因而同样不适合运动较剧烈的运动训练的动作捕捉。

声学式运动捕捉：声学式运动捕捉的装置与电磁式运动捕捉比较类似，由超声发射器、接收器和处理单元组成。它将多个发射器固定在待测物体的各个部位，发射器持续发出超声波，每个接收器通过计算声波从发射器到接收器的时间得出发射器与接收器之间的距离，3个构成三角形的接收器就可以确定发射器的空间位置。声学式运动捕捉成本较低，但是精度较差并且要求发射器与接收器之间无遮挡，因而同样不太适合运动训练。

光学式运动捕捉：光学式运动捕捉的系统通常包含环绕待测物体排列的6～8个相机，待测物体的运动范围处于相机的重叠区域。待测物体的关键部位贴上一些特质的反光点或者发光点，作为视觉识别和处理的标志。系统标定后，相机连续拍摄物体的运动并把图像序列保存下来进行分析和处理，计算每一个标志点在某一瞬间的空间位置，并从而得到其准确的运动轨迹。光学式运动捕捉的优点是没有机械装置、有线电缆等的限制，允许物体的运动范围较大，并且采样频率较高，能够满足多数体育运动测量的需要。但是这种系统价格昂贵，系统的标定比较繁琐，只能捕捉相机重叠区域的物体运动，而且当运动比较复杂时，标志容易混淆和遮挡，从而产生错误的结果。

由于传统三维影视制作流程不适用于企业三维工艺培训短片的制作，因此需要设计一种新的流程及配套的设备，实现场景模型、设备模型的快速建模、实现人物动画快速捕捉，并能够灵活结合两者，最终合成出模型精确、动作准确的三维短片。

近年来，随着微机电系统(MEMS)技术的高速发展，微型惯性传感器的技术成熟，人们开始尝试基于微型惯性传感器的运动捕捉。基本方法是把惯性测量单元(IMU)连接到待测物体上并跟随待测物体一起运动。惯性测量单元通常包括微加速度计(测量加速度信号)以及微陀螺仪(测量角速度信号)，通过对加速度信号的二次积分以及陀螺仪信号的积分，可以得到待测物体的位置信息以及方位信息。由于MEMS技术的应用，IMU的尺寸和重量可以做的很小，从而对待测物体的运动影响很小，并且对于场地的要求低，允许的运动范围大，同时系统的成本比较低。但限于从业人员的固有思维，该技术目前仍仅用于大型影视项目或高端娱乐装备，其配套设备成本对于制作企业三维工艺培训短片而言依旧较高，而且功能不相匹配。

发明内容

本发明人根据对工业企业的了解，以及技术解放生产力的信念，基于惯性传感器，设计出一套支持廉价高效地制作出企业三维工艺培训短片的惯性动作捕捉硬件系统，其简单、易用、且效果出众。

根据本发明的第一方面，本发明提供一种惯性动作捕捉硬件系统，其包括：开发板和至少一个动作捕捉单元，所述开发板与所述动作捕捉单元通过硬件串口连接；

所述开发板包括无线网络模块和微控制器；且

所述动作捕捉单元包含微处理器和传感器。

在本发明的一些实施方式中，所述动作捕捉单元包含姿态传感器。

优选地，所述传感器为9轴传感器(9DOF)。

所述姿态传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计，其根据运动捕捉单元的动作轨迹产生角速度信息、加速度信息和磁力信息。

优选地，所述动作捕捉单元包含AHRS传感器。

可选地，所述开发板通过电池、移动电源或USB供电。

优选地，所述开发板为Arduino开发板。

在本发明的一些实施方式中，所述惯性动作捕捉硬件系统还包括终端设备。

可选地，所述终端设备为计算机、平板电脑、手机、或PDA。

优选地，所述终端设备为TCP服务器。

在本发明的一些实施方式中，所述动作捕捉单元将传感器采集到的动作信息经微处理器处理后，通过硬件串口发送到微控制器，并由无线网络模块发送到终端设备。

在本发明的一些实施方式中，所述传感器采集到的动作信息经微处理器处理后转化为BVH数据传送到微控制器。

根据本发明的第二方面，本发明提供一种惯性动作捕捉硬件系统，其包括：开发板和至少一个动作捕捉单元组，所述开发板与所述动作捕捉单元组通过硬件串口连接；

所述开发板包括无线网络模块和微控制器；且

所述动作捕捉单元组包含串联的至少两个动作捕捉单元，所述动作捕捉单元包含微处理器和传感器。

在本发明的一些实施方式中，所述系统还包括直接与开发板通过硬件串口连接的动作捕捉单元。

在本发明的一些实施方式中，所述动作捕捉单元将传感器采集到的动作信息经微处理器处理后，通过硬件串口发送到微控制器，并由无线网络模块发送到终端设备。

在本发明的一些实施方式中，所述系统包括5组动作捕捉单元组，每组包括3个串联的动作捕捉单元。

优选地，动作捕捉单元将本单元传感器采集的动作信息经微处理器处理后传给本组中下一个动作捕捉单元，最后一个动作捕捉单元的微处理器整合本组动作信息，通过硬件串口发送到微控制器。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的所述及其它特征和优点，附图中：

图1是根据本发明的一些实施方式的惯性动作捕捉硬件系统的示意图。

图2是根据本发明的又一些实施方式的惯性动作捕捉硬件系统的示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

在本发明中，术语“姿态传感器”是指基于MEMS技术的高性能三维运动姿态测量系统。它包含三轴陀螺仪、三轴加速度计(即IMU)，三轴电子罗盘等辅助运动传感器，通过内嵌的低功耗处理器输出校准过的角速度，加速度，磁数据等，通过基于四元数的传感器数据算法进行运动姿态测量，实时输出以四元数、欧拉角等表示的零漂移三维姿态数据。

航姿参考系统(AHRS)为姿态传感器的一种，包括多个轴向传感器，能够为飞行器提供航向，横滚和侧翻信息，这类系统用来为飞行器提供准确可靠的姿态与航行信息。AHRS传感器包括基于MEMS的三轴陀螺仪，加速度计和磁力计以及内嵌的微处理器。

术语“开发板”是用来进行嵌入式系统开发的电路板，包括微控制器、存储器、输入设备、输出设备、数据通路/总线和外部资源接口等一系列硬件组件。开发板一般由嵌入式系统开发者根据开发需求自己订制，也可由用户自行研究设计。开发板是为初学者了解和学习系统的硬件和软件，同时部分开发板也提供的基础集成开发环境和软件源代码和硬件原理图等。

术语“微处理器”是指集成了数量庞大的微型晶体管与其他电子组件的半导体集成电路(Integrated Circuit,IC)芯片。微处理器(MPU)通常代表一个功能强大的CPU，但不是为任何已有的特定计算目的而设计的芯片。MPU与传统的CPU相比，具有体积小、重量轻和容易模块化等优点。

术语“微控制器”是把中央处理器(Central Process Unit；CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。

在现实情况下，由于购买到的组件不同或未来硬件升级，术语“微处理器”和“微控制器”可能很难区分。为便于本领域技术人员理解，在本发明中，动作捕捉单元中的处理器称为“微处理器”，开发板上的处理器称为“微控制器”。

如图1所示，根据本发明的一些实施方式，本发明的惯性动作捕捉硬件系统包括开发板301和至少一个动作捕捉单元101，201。开发板与动作捕捉单元通过硬件串口连接。

动作捕捉单元101,201包括姿态传感器102，202和微处理器103，203。图1中示出了第一动作捕捉单元101和第二动作捕捉单元201。本领域技术人员应当知晓，动作捕捉单元的数量可以根据需要而设置。在采集对象为人的动作时，一般设置至少4个动作捕捉单元，以捕捉四肢，甚至躯干及头部的动作。

根据所用的开发板的具体情况，若硬件串口不够，可以将若干开发板串联。

各个动作捕捉单元的功能和结构相似，以第一动作捕捉单元101为例，所述第一动作捕捉单元包括第一姿态传感器102和第一微处理器103。第一姿态传感器102为9轴传感器，包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计，其根据运动捕捉单元的动作轨迹产生角速度信息、加速度信息和磁力信息，这里统称动作信息。第一姿态传感器102采集到的动作信息通过第一微处理器103处理之后得到空间移动数据，经由硬件串口传递到开发板301。

在本发明的另一些实施方式中，可以使用内嵌微处理器的姿态传感器，例如在无人机领域使用的AHRS传感器。在此情况下，动作捕捉单元无需另设微处理器。通过对该内嵌微处理器编程，可以实现该动作捕捉单元(AHRS传感器)的输出即为空间移动数据。

在本发明的又一些实施方式中，所述系统包括与开发板通过硬件串口连接的至少一个动作捕捉单元组，所述动作捕捉单元组包含串联的至少两个动作捕捉单元，所述动作捕捉单元包含微处理器和传感器。如图2所示，串联的第一动作捕捉单元111和第三动作捕捉单元511构成一个动作捕捉单元组(未示出)。

在捕捉人的动作时，优选使用5组动作捕捉单元组，分别装在四肢和躯干上。每个单元组布置3个串联的动作捕捉单元，捕捉单元上的微处理器接收传感器数据并经过计算转化为BVH数据，每三个单元为一组，三个单元彼此通过微处理器将数据整合在一起，发送至开发板的微控制器；开发板上的微控制器将五组单元共15个单元的数据全部整合，通过无线网络模块发送至终端PC。

开发板301包括微控制器303和第一无线网络模块302。在本发明中所用的开发板为Arduino开发板，特别是Arduino MEGA开发板，支持硬件串口，并且开源。动作捕捉单元上传感器的数据经微处理器处理后，通过硬件串口传递到微控制器(MCU)，然后通过第一无线网络模块302发送给终端设备401，例如计算机。显而易见地，本发明也可以使用其他支持硬件串口并且开发环境友好的开发板。使用硬件串口连接传递数据相比于使用无线传输数据更容易实现各个动作捕捉单元数据的协同，使得动作捕捉更加精确。

而且，由于每个动作捕捉单元在将数据传输给开发板的微控制器之前已经在本单元内通过微处理器对数据进行了处理，因此大大简化了微控制器的运算，使得微控制器可以对数据进行更进一步的处理，从而减轻了终端设备数据处理的压力。

开发板301上还设置有电源接口或电池(未示出)。电源接口可以连接移动电源。开发板301也可以通过USB供电。

终端设备401包括第二无线网络模块402。终端设备401可以是计算机、平板电脑、手机、或PDA。终端设备401通过第二无线网络模块402接收开发板301发来的动作信息。根据具体使用的终端设备，可以编辑相应的软件或App来记录捕捉到的动作。终端设备401包含CPU(未示出)。

本发明的惯性动作捕捉硬件系统相比于用于高端娱乐业的系统而言，价格便宜，针对性强。而且，用于高端娱乐业的惯性动作捕捉硬件系统往往注重于数据采集，将原始数据发送到PC端，再通过复杂的软件进行数据处理。而本发明考虑到工业企业，尤其是传统制造型企业IT能力较弱，很难支持开发复杂的数据处理软件。因此本发明的惯性动作捕捉硬件系统的数据处理能力要高于其他用途的动作捕捉系统，通过多个处理器(微处理器和微控制器)对数据进行分级处理，而且每一个动作捕捉单元的数据也可以分别编程处理，整套系统有很好的易用性和灵活性。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本申请不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

本发明已经通过所述实施例进行了说明，但应当理解的是，所述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于所述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种惯性动作捕捉硬件系统，其包括：开发板和至少一个动作捕捉单元，所述开发板与所述动作捕捉单元通过硬件串口连接；

所述开发板包括无线网络模块和微控制器；且

所述动作捕捉单元包含微处理器和传感器。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述动作捕捉单元包含姿态传感器。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述动作捕捉单元包含AHRS传感器。

4.如权利要求2所述的系统，其中所述姿态传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计，其根据运动捕捉单元的动作轨迹产生角速度信息、加速度信息和磁力信息。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述开发板通过电池、移动电源或USB供电。

6.如权利要求1或5所述的系统，其中所述系统还包括终端设备。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述终端设备为计算机、平板电脑、手机、或PDA。

8.如权利要求6所述的系统，其中所述动作捕捉单元将传感器采集到的动作信息经微处理器处理后，通过硬件串口发送到微控制器，并由无线网络模块发送到终端设备。

9.如权利要求6所述的系统，其中所述终端设备为TCP服务器。

10.如权利要求8所述的系统，其中传感器采集到的动作信息经微处理器处理后转化为BVH数据传送到微控制器。