CN107741196A - 一种人体姿态获得方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种人体姿态获得方法及系统，包括：安装在人体躯干的1类电磁场辐射器和安装在人体四肢的2类电磁场辐射器均向处理器发射电磁信号；测量1类电磁场辐射器对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小,计算出1类电磁场辐射器相对于原点的坐标信息；基于2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离和角度关系，获得2类电磁场辐射器的运动轨迹，基于运动轨迹通过坐标传递计算，获得2类电磁场辐射器相对于坐标原点的坐标信息；基于2类电磁场辐射器和1类电磁场辐射器相对于坐标原点的实时坐标信息，获得人体姿态实时信息。实现了使用方便，响应速度快，成本较低，且只需要一次校准的技术效果。

Description

一种人体姿态获得方法及系统
技术领域
本发明涉及人体动作采集领域，具体地，涉及一种人体姿态获得方法及系统。
背景技术
目前人体动作提取主要采用光学方式，加速度传感器方式，时域微波，电磁场方式四种。第一种光学方式采用可见光或红外线对人体关节部位的信标进行图像识别和追踪，从而实现人体动作提取，缺点是可能有信标被遮挡，产生动作缺漏，另外图像处理速度较慢，成本一般比较高。
第二种加速度传感器方式通过对人体动作的加速度进行计算得出每个关节的相对位置，缺点主要是只能得到相对之前位置的位置信息，且成本较高，最大的问题是需要定时校准，使用起来极为不便，只适合电影制作之类的工业应用。
第三种时域微波方式采用计算信号到达不同接收器传播时延的方法来提取信标的位置，缺点是天线体积大，不适合在人体上多处布点；需要人处在安装了接收器的特定空间中，而且精度较低，高精度定位(CM级)的成本也很高。该技术本身不适合人体动作捕捉，目前主要用于库存追踪定位，物流管理。
第四种电磁场分析方式分为两类，第一类是采用直流磁场与交变电场结合产生章动场的方式，此方式由于使用了直流静态场，很容易受到测量区域内金属的干扰；第二类采用复杂的3向正交3频天线组收发系统，通过发射的3向正交天线组各自发射一个频率的信号，接收端也采用3向正交天线独立接收，分别求解三个坐标轴上的位置，算出接收天线整体上与发射天线的距离和夹角。该系统抗干扰能力较强，但结构复杂，计算参数提取复杂，价格非常昂贵(十万量级，不能用于普通娱乐用途)。这两类方式都具有一个共同点，发射天线独立于被追踪人放置于某个位置，接收天线作为信标放置在被追踪人身体各处。所以使用者比须出于发射天线放置位置一定范围内，不能随便移动。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种人体姿态获得方法及系统，本方法及系统实现了使用方便，响应速度快，成本较低，且无需校准的技术效果。
为实现上述发明目的，本申请一方面提供了一种人体姿态获得方法，所述方法包括：
安装在人体躯干的1类电磁场辐射器和安装在人体四肢的2类电磁场辐射器均向处理器发射电磁信号；
测量1类电磁场辐射器对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小,计算出1类电磁场辐射器相对于原点的坐标信息；
基于2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离和角度关系，获得2类电磁场辐射器的运动轨迹，基于运动轨迹通过坐标传递计算，获得2类电磁场辐射器相对于坐标原点的坐标信息；
基于2类电磁场辐射器和1类电磁场辐射器相对于坐标原点的实时坐标信息，获得人体姿态实时信息。
其中，本发明的原理为：将两类电磁场辐射器分别安装在人体躯干和人体四肢上，然后分别向其他电磁场辐射器发送信号，电磁场辐射器将接收的信号传输至处理器进行处理，处理器测量1类电磁场辐射器对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小，然后计算出1类电磁场辐射器相对于原点的坐标信息；处理器基于2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离和角度关系，获得2类电磁场辐射器的运动轨迹，基于运动轨迹通过坐标传递计算，获得2类电磁场辐射器相对于坐标原点的坐标信息；处理器基于2类电磁场辐射器和1类电磁场辐射器相对于坐标原点的实时坐标信息，获得人体姿态实时信息。
电磁场辐射器既作发射又作接收用,被测位置电磁场辐射器将发射波形产生电路的信号辐射到四周形成一个局部场分布，测量位置电磁场辐射器接收该模拟信号，经放大电路放大后，由数据采集卡采集后转换为数字信号，经过数字滤波处理，入信号处理电路进行计算处理。
其中，一般坐标原点为用户背部的某点，可以根据实际需要进行设定，根据2类电磁场辐射器和1类电磁场辐射器相对于坐标原点的坐标变化进而可以获得相应身体的姿态变化。
进一步的，电磁场辐射器和处理器均直接或间接安装在人体上，可以直接贴合在人体上，也可以安装在穿着的衣物上；电磁场辐射器与处理器间采用有线或无线的方式进行连接。
进一步的，测量1类电磁场辐射器对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小，基于电压幅度与坐标的对应关系，计算出1类电磁场辐射器相对于原点的坐标信息。
进一步的，获得2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离和角度关系，具体包括：
当2类电磁场辐射器2H发射信号，1类电磁场辐射器2G和2F接收信号；测量出2G和2F接收的信号强度Vout2g和Vout2f；基于Vout2g和Vout2f计算出多个2H与2G的距离r和夹角θ值；基于预设r和θ的约束条件对计算出的多个2H与2G的距离r和夹角θ值进行约束，获得最终2H与2G的距离r和夹角θ关系。
进一步的，r和θ的约束条件由电磁场辐射器安装位置对应关节的活动范围确定。不同的关节其活动范围不同，可以通过运动生理学分析得到，本申请不进行赘述。
另一方面，本申请还提供对应提供了一种人体姿态获得系统，所述系统包括：
多个安装在人体躯干的1类电磁场辐射器、多个安装在人体四肢的2类电磁场辐射器、处理器；1类电磁场辐射器和2类电磁场辐射器均向处理器发射电磁信号；处理器测量1类电磁场辐射器对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小,计算出1类电磁场辐射器相对于原点的坐标信息；处理器基于2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离和角度关系，获得2类电磁场辐射器的运动轨迹，基于运动轨迹通过坐标传递计算，获得2类电磁场辐射器相对于坐标原点的坐标信息；处理器基于2类电磁场辐射器和1类电磁场辐射器相对于坐标原点的实时坐标信息，获得人体姿态实时信息。
进一步的，电磁场辐射器和处理器均直接或间接安装在人体上；电磁场辐射器与处理器间采用有线或无线的方式进行连接。
进一步的，测量1类电磁场辐射器对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小，基于电压幅度与坐标的对应关系，计算出1类电磁场辐射器相对于原点的坐标信息。
进一步的，获得2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离和角度关系，具体包括：获得2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离和角度关系，具体包括：
当2类电磁场辐射器2H发射信号，1类电磁场辐射器2G和2F接收信号；测量出2G和2F接收的信号强度Vout2g和Vout2f；基于Vout2g和Vout2f计算出多个2H与2G的距离r和夹角θ值；基于预设约束条件对计算出的多个2H与2G的距离r和夹角θ值进行约束，获得最终2H与2G的距离r和夹角θ关系。
进一步的，r和θ的约束条件由电磁场辐射器安装位置对应关节的活动范围确定。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明通过在被追踪人身体上布设电磁场微型电磁场辐射器，独立于环境的追踪人体动作，电磁场辐射器全部在人体上，不需要在外部架设设备，大大提高使用的方便性；
进一步的，实现位置和速度信息的绝对坐标追踪，避免误差累积，从而避免定时校准的麻烦；
进一步的，由于采用电磁场测量，避免了加速度计陀螺仪等力学结构的机械响应时间,也避免了光学图像处理的时间，所以处理速度快，解决了现有技术响应慢的问题；整个系统的构架简单，使用硬件成本低廉，且只需要一次校准的技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是本申请中人体姿态获得方法的流程示意图；
图2是本申请中人体姿态获得系统的硬件组成示意图；
图3是本申请中电磁场辐射器的组成示意图。
具体实施方式
为解决上述问题，本发明提供了一种人体姿态获得方法及系统，本方法及系统实现了使用方便，响应速度快，成本较低，且无需校准的技术效果。
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
请参考图1-图2，本申请提供了一种人体姿态获得方法，所述方法包括：
多个安装在人体躯干的1类电磁场辐射器、多个安装在人体四肢的2类电磁场辐射器、处理器；1类电磁场辐射器和2类电磁场辐射器均向处理器发射电磁信号；处理器测量1类电磁场辐射器对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小,计算出1类电磁场辐射器相对于原点的坐标信息；处理器基于2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离和角度关系，获得2类电磁场辐射器的运动轨迹，基于运动轨迹通过坐标传递计算，获得2类电磁场辐射器相对于坐标原点的坐标信息；处理器基于2类电磁场辐射器和1类电磁场辐射器相对于坐标原点的实时坐标信息，获得人体姿态实时信息。
其中，电磁场辐射器包括：用于信号接入的接入端口；连接在接入端口和地之间的电容；并联在电容上的线圈；连接在接入端口的振子。接入端口连接电缆，信号从电缆馈入，电磁波经能量经过电容分别馈入线圈部分电路和振子部分。相对低频率的信号主要从线圈辐射形成近距离的场分布，相对高频率的信号主要从振子电路辐射形成近距离的场分布。本辐射器将电缆中的导行电磁波转变为近距离似稳场电磁场分布，可同时馈入低频信号和高频信号，实现两个频率间隔很远的频段辐射分量。反之，线圈和振子可将周围的似稳场转化为感应电流进入电缆形成接收信号。采用上述电路结构，电路结构简单，相对体积小，同时又提供了足够的辐射面积达到足够的作用距离，辐射距离可达1米，填补了无线充电线圈和NFC天线的空白。
如图3所示的电磁场辐射器，包括接入端口1、电容C、线圈L、振子2，接入端口1与电缆连接，以接入信号；电容C连接在接入端口1和地之间；线圈L并联在电容上，信号经电缆接入后，电磁波中相对低频率的信号从线圈辐射形成近距离的场分布；振子2连接在接入端口1上，信号经电缆接入后，电磁波中相对高频率的信号从振子辐射形成近距离的场分布。还可设置另一端口，用于实现上述电容与地的连接，其接地可通过连接接地外壳实现。
系统的硬件组成如图2所示，辐射器分布于身体各处，通过电缆与处理器模块连接，其中辐射器既作发射又作接收用，被测位置发射辐射器将发射波形产生电路的信号辐射到四周形成一个局部场分布，测量位置接收辐射器接收该模拟信号，经放大电路放大后，由数据采集卡采集后转换为数字信号，经过数字滤波处理，进入信号处理电路进行算法处理计算。
其中辐射器采用专利传感器电路辐射器；放大电路采用英飞凌公司模拟BJT三极管搭建的混合集成电路；数据采集卡采用TI公司的低成本高精度A/D芯片；滤波处理采用处理器资源构建的数字滤波器软体，由软件处理；处理电路采用ARM7或ARM9系列芯片或altera公司的低成本FPGA系列芯片；发射波形产生采用处理器芯片及外围运放和晶体振荡器电路协同产生。
追踪用电磁场辐射器设置于被追踪人的服装(或束带式绑定装置)上，处理器单元通过电缆与每个电磁场辐射器相连接，处理器单元通过计算每个追踪用电磁场辐射器彼此间发射和接收信号的幅度和相位，计算出电磁场辐射器间的距离和角度，所有的电磁场辐射器间距离和角度关系确定后，人体的动作状态也随之确定。
电磁场辐射器相对位置算法如下：
处在背部胸部的大部分电磁场辐射器(I类电磁场辐射器)全部以背部中心为参考坐标原点，人体处于直立自然状态时，各电磁场辐射器分布位置为已知初始位置，在人体运动过程中，由于躯干部分的相对运动范围有限，这些电磁场辐射器的相对位置变化在一维方向上运动，因此通过测量这些电磁场辐射器对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小，直接可以推算出此时被测电磁场辐射器相对于原点的位置变化量。
躯干部分的少数电磁场辐射器和四肢上的电磁场辐射器(II类电磁场辐射器),其运动轨迹根据其与I类电磁场辐射器的距离和角度关系来确定，再通过坐标传递计算，即可得到II类电磁场辐射器相对于坐标原点的坐标信息。
II类电磁场辐射器与I类电磁场辐射器的相对位置计算方法如下：
根据电磁场感应电压计算公式：
式中dB为磁通密度元，单位为特斯拉(T)(Tesla)，一个特斯拉等于每平方米一个韦伯(Weber)(Wb/m2)；dl为电流方向的导线线元；aR为由dl指向点P的单位矢量；R为从电流元dl到点P的距离；k为比例常数。
按空间磁场计算公式毕奥萨法尔定律，任意电流元在空间某点形成的磁通密度，与这两点的距离平方成反比，同时与此点与电流元方向的夹角叉乘积成正比。
当一个电磁场辐射器发射信号，另一个电磁场辐射器接收时，根据麦克斯韦方程中法拉第定律的积分形式，在同一个频率下，在接收电磁场辐射器接收到的信号强度(电压大小)是由发射电磁场辐射器在接收电磁场辐射器线圈上产生的磁通密度大小决定的，二者成线性关系。另一方面，基于我们的电磁场辐射器天线形状和线圈匝数都是固定的，所以按毕奥萨法尔定律积分得到的线圈总体磁通密度中，天线形状和线圈匝数的贡献都是固定的，由此该磁通密度的大小仅由两个电磁场辐射器的距离和夹角决定。
以追踪大腿部位编号2H的辐射器为例，此时H(II类电磁场辐射器)发射信号，用2G和2F(I类电磁场辐射器)接收该信号。
由于人体关节和肌肉动作的限制，2H电磁场辐射器相对于2G和2F能够运动的范围是有限的。2H相对于2G来说，只能在与2G距离为4-8CM(随大腿抬腿和侧向外翻运动变化)和一定夹角(0-130度左右)的范围内运动，同理，2H相对于2F来说，只能在与2F距离为6-10CM(随大腿抬腿和侧向外翻运动变化)和一定夹角(0-130度左右)的范围内运动
因此在此范围之内，当2H发射信号，2G和2F接收信号时，测量出的信号强度Vout2g和Vout2f，也对应了2H与2G的距离r和夹角θ关系，即
Vout2g＝f(r1,θ1)
4<r1<8；
0<θ1<130；
Vout2f＝f(r2,θ2)
6<r2<10；
0<θ2<130；
其中，r1为2G与2H的距离,θ1为2G与2H的夹角；r2为2F与2H的距离；θ2为2F与2H的夹角。其中函数f(r,θ)的计算公式如下
其中A为电压转换系数，是一个与电磁场辐射器电路结构有关的常数；μ为空气磁导率；N2，N1为发送和接收端的电磁场辐射器线圈匝数；C1，C2是沿发送接收线圈回路上的积分；θ为发送和接收线圈的夹角；r为发送和接收线圈电流元的距离，d l1和dl2均为积分单元。
通过此公式可以通过公式计算得到已知位置和夹角上的接收电磁场辐射器电压数值。测试得到了接收电磁场辐射器的电压数值，然后根据测得的Vout2g和Vout2f的值以及r和θ的约束条件，依据公式计算得到的位置/夹角-电压矩阵，用均方根误差最小判据牛顿优化方法(类似的求解该类问题还有很多成熟算法，如龙格库塔法等等)，计算出该测试电压对应于矩阵中与之均方根误差最小的那个位置/夹角点，即可以计算出此时2H对应的r1,θ1和r2,θ2,由此经过坐标换算，即可得到此时2H对于坐标原点的坐标。
当计算效率不够的时候，我们可以增加接收用电磁场辐射器的个数来定位一个被测电磁场辐射器。
其他电磁场辐射器的定位方法同理，在其他电磁场辐射器的位置计算过程中，r和θ的约束关系由该处关节的活动范围决定，可以通过运动生理学分析得到。处理器通过确定所有电磁场辐射器的相对位置关系得到人体动作各标记点(电磁场辐射器所在点)相对于背部某个固定点(坐标原点)的全局绝对坐标。实际使用时，被测试人从一个标准动作开始，系统以此标准动作完成校准，只后被测试人即可随意动作，系统不再需要校准。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种人体姿态获得方法，其特征在于，所述方法包括：
安装在人体躯干的1类电磁场辐射器和安装在人体四肢的2类电磁场辐射器均向处理器发射电磁信号；
测量1类电磁场辐射器对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小,计算出1类电磁场辐射器相对于原点的坐标信息；
基于2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离和角度关系，获得2类电磁场辐射器的运动轨迹，基于运动轨迹通过坐标传递计算，获得2类电磁场辐射器相对于坐标原点的坐标信息；
基于2类电磁场辐射器和1类电磁场辐射器相对于坐标原点的实时坐标信息，获得人体姿态实时信息。
2.根据权利要求1所述的人体姿态获得方法，其特征在于，电磁场辐射器和处理器均直接或间接安装在人体上；电磁场辐射器与处理器间采用有线或无线的方式进行连接。
3.根据权利要求1所述的人体姿态获得方法，其特征在于，测量1类电磁场辐射器对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小，基于电压幅度与坐标的对应关系，计算出1类电磁场辐射器相对于原点的坐标信息。
4.根据权利要求1所述的人体姿态获得方法，其特征在于，获得2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离和角度关系，具体包括：
当2类电磁场辐射器2H发射信号，1类电磁场辐射器2G和2F接收信号；测量出2G和2F接收的信号强度Vout2g和Vout2f；基于Vout2g和Vout2f计算出多个2H与2G的距离r和夹角θ值；基于预设r和θ的约束条件对计算出的多个2H与2G的距离r和夹角θ值进行约束，获得最终2H与2G的距离r和夹角θ关系。
5.根据权利要求4所述的人体姿态获得方法，其特征在于，r和θ的约束条件由电磁场辐射器安装位置对应关节的活动范围确定。
6.根据权利要求1所述的人体姿态获得方法，其特征在于，电磁场辐射器既作发射又作接收用,被测位置电磁场辐射器将发射波形产生电路的信号辐射到四周形成一个局部场分布，测量位置电磁场辐射器接收该模拟信号，经放大电路放大后，由数据采集卡采集后转换为数字信号，经过数字滤波处理，入信号处理电路进行计算处理。
7.一种人体姿态获得系统，其特征在于，所述系统包括：
多个安装在人体躯干的1类电磁场辐射器、多个安装在人体四肢的2类电磁场辐射器、处理器；1类电磁场辐射器和2类电磁场辐射器均向处理器发射电磁信号；处理器测量1类电磁场辐射器对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小,计算出1类电磁场辐射器相对于原点的坐标信息；处理器基于2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离和角度关系，获得2类电磁场辐射器的运动轨迹，基于运动轨迹通过坐标传递计算，获得2类电磁场辐射器相对于坐标原点的坐标信息；处理器基于2类电磁场辐射器和1类电磁场辐射器相对于坐标原点的实时坐标信息，获得人体姿态实时信息。
8.根据权利要求7所述的人体姿态获得系统，其特征在于，电磁场辐射器和处理器均直接或间接安装在人体上；电磁场辐射器与处理器间采用有线或无线的方式进行连接。
9.根据权利要求7所述的人体姿态获得系统，其特征在于，测量1类电磁场辐射器对参考坐标原点处电磁场辐射器的接收信号电压幅度变化大小，基于电压幅度与坐标的对应关系，计算出1类电磁场辐射器相对于原点的坐标信息。
10.根据权利要求7所述的人体姿态获得系统，其特征在于，获得2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离和角度关系，具体包括：获得2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离和角度关系，具体包括：
当2类电磁场辐射器2H发射信号，1类电磁场辐射器2G和2F接收信号；测量出2G和2F接收的信号强度Vout2g和Vout2f；基于Vout2g和Vout2f计算出多个2H与2G的距离r和夹角θ值；基于预设约束条件对计算出的多个2H与2G的距离r和夹角θ值进行约束，获得最终2H与2G的距离r和夹角θ关系。
11.根据权利要求10所述的人体姿态获得系统，其特征在于，r和θ的约束条件由电磁场辐射器安装位置对应关节的活动范围确定。
12.根据权利要求7所述的人体姿态获得系统，其特征在于，所述系统还包括：放大电路、数据采集卡、处理电路、发射波形产生电路，电磁场辐射器既作发射又作接收用,被测位置电磁场辐射器利用将发射波形产生电路生成的飞发射信号的辐射到四周形成一个局部场分布，测量位置电磁场辐射器接收该模拟信号，经放大电路放大后，由数据采集卡采集后转换为数字信号，经过处理电路数字滤波处理，进入处理器进行计算处理。
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