CN109785415A - 一种基于外骨骼技术的动作采集系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明的技术方案包括一种基于外骨骼技术的动作采集系统及其方法，用于实现：首先测量演员的身高体型，根据对应数据制作匹配的外骨骼模型；三维打印站根据外骨骼模型打印外骨骼，并为外骨骼模型安装压力传感器和旋转传感器；演员穿戴外骨骼模型装置，执行动作捕捉，外骨骼模型装置将捕捉的动作通过数据传输给动画工作站；动画工作站使用三维软件建立三维角色模型，并调用关联匹配模块，将外骨骼模型装置发送的动作姿态与三维角色完成绑定，完成演员的动作采集并对三维角色执行实时驱动。本发明的有益效果为：系统装置设备价格低廉、调试简单、捕捉精准，反应迅速，以及对捕捉场景没有特定要求。

Description

一种基于外骨骼技术的动作采集系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种基于外骨骼技术的动作采集系统及其方法，属于信息采集领域。

背景技术

动作捕捉技术川是通过在运动物体的关键位置绑定传感器实时得到运动物体在三维空间中的运动姿态，并实时的将其转化为人体的运动数据，最后在根据所得到的这些人体运动数据来对虚拟人进行实时驱动的技术问。动作捕捉技术最早起源于斯坦福大学神经生物力学实验室，当时主要是对伤残、截肢病患运动行为的分析和物理治疗的领域中。动作捕捉技术的出现改变了以往靠经验来进行研究的现状，促进了许多领域的技术变革。动作捕捉技术能够提供精准的科学的实时的数据，吸引了许多科研人员的研究。从20世纪70年代后期，迪士尼动画公司开始应用动作捕捉技术来改善动画的效果。20世纪80年代西蒙费雷泽大学和麻省理工学院对动作捕捉技术进行深入研究，推动动作捕捉技术的发展，动作捕捉技术走向了实用化。20世纪90年代动作捕捉技术日趋成熟，在动画制作中广泛应用。近几年，动作捕捉取得了突飞猛进的发展，动作捕捉设备推向市场，广泛应用到游戏制作、动画制作、体育科研、电影特效、医学研究、虚拟现实人机交互等。

目前的动作捕捉系统主要存在以下几个问题：

1)动作捕捉系统价格昂贵；

2)动作捕捉系统使用繁琐，演员穿戴和技术人员调试要花费很长时间；

3)动作捕捉系统不精准，反应慢；

4)动作捕捉系统只能在特定房间中使用，不便携。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于外骨骼技术的动作采集系统及其方法，包括外骨骼模型搭建装置、外骨骼模型装置和动画工作站，首先测量演员的身高体型，根据对应数据制作匹配的外骨骼模型；三维打印站根据外骨骼模型打印外骨骼，并为外骨骼模型安装压力传感器和旋转传感器；演员穿戴外骨骼模型装置，执行动作捕捉，外骨骼模型装置将捕捉的动作通过数据传输给动画工作站；动画工作站使用三维软件建立三维角色模型，并调用关联匹配模块，将外骨骼模型装置发送的动作姿态与三维角色完成绑定，完成演员的动作采集并对三维角色执行实时驱动。

本发明解决其问题所采用的技术方案一方面是：一种基于外骨骼技术的动作采集系统，其特征在于，包括：外骨骼模型搭建装置，用于根据演员的身高体型，制作匹配的外骨骼模型；外骨骼模型装置，用于提供给演员穿戴，并捕捉演员的肢体动作；动画工作站，用于创建三维角色模型并通过外骨骼模型装置捕捉的肢体动作驱动三维角色模型。

进一步的，所述外骨骼模型搭建装置还包括：身高体型测量装置，用于测量演员的身高、三围和四肢长度数据；外骨骼三维模型模块，用于根据测量数据建立外骨骼三维模型；三维打印站，用于根据外骨骼三维模型，打印出实体外骨骼模型。

进一步的，所述外骨骼模型装置还包括：压力传感器，用于测量演员各关节间的施加的压力数值；旋转传感器，用于测量演员关节和手指的弯曲角度。

进一步的，所述动画工作站还包括：三维角色模块，用于创建三维角色模型；关联匹配模块，用于与外骨骼模型装置进行实时关联，实现外骨骼模型装置对三维角色模型的实时驱动。

进一步的，所述关联匹配模块还包括：碰撞模拟模块，用于外骨骼模型装置输出的动作姿态，执行三维角色模型碰撞模拟，包括三维角色模型身体部位之间以及三维角色模型之间。

进一步的，所述动画工作站还包括：虚拟场景绘制模块，用于绘制三维虚拟场景；渲染模块，用于将三维虚拟场景与三维角色模型合并渲染，获得整体的三维画面。

进一步的，所述外骨骼模型装置包括外骨骼和设置于外骨骼内部的控制电路板，所述控制电路板上设置有用于控制外骨骼伸缩的控制单元，所述外骨骼在关节连接处为活动连接。

进一步的，还包括面部特征采集模块，用于捕捉演员面部表情，并与动画工作站实时传输数据。

本发明解决其问题所采用的技术方案另一方面是：一种基于外骨骼技术的动作采集方法，其特征在于，包括以下步骤：测量演员的身高体型，根据对应数据制作匹配的外骨骼模型；三维打印站根据外骨骼模型打印外骨骼，并为外骨骼模型安装压力传感器和旋转传感器；演员穿戴外骨骼模型装置，执行动作捕捉，外骨骼模型装置将捕捉的动作通过数据传输给动画工作站；动画工作站使用三维软件建立三维角色模型，并调用关联匹配模块，将外骨骼模型装置发送的动作姿态与三维角色完成绑定，完成演员的动作采集并对三维角色执行实时驱动。

进一步的，所述使用三维软件建立三维角色模型具体包括以下步骤：根据人体骨骼特征，创建各个骨骼关节和骨骼；根据人体骨骼树形机构，定义人体骨骼关节约束映射表和人体骨骼对应的关节映射表；根据映射关系表进行三维人体骨骼的搭建；对三维人体骨骼执行蒙皮渲染，得到三维角色模型。

本发明的有益效果是：解决了以往动作捕捉系统价格昂贵的缺点、解决了以往动作捕捉系统使用繁琐，演员穿戴和技术人员调试要花费很长时间的缺点、解决了以往动作捕捉系统不精准，反应慢的确定以及解决了以前的动作捕捉系统只能在特定房间中使用，不便携的缺点。

附图说明

图1所示为根据本发明较佳实施例的系统模块框图；

图2所示为根据本发明的方法的总体流程图；

图3所示为根据本发明较佳实施例的外骨骼装置结构示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。

需要说明的是，如无特殊说明，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。

本文所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

机械式运动捕捉依靠机械装置来跟踪和测量运动，典型的系统由多个关节和刚性连杆组成。在可转动的关节中装有角度传感器，可以测得关节转动角度的变化。装置运动时，根据角度传感器的数据和连杆的长度，可以得出指定点在空间的运动轨迹。实际上，装置上任何一点的运动轨迹都可以求出。刚性连杆也可以换成长度可变的伸缩杆，用位移传感器测量其长度的变化。

机械式运动捕捉的一种应用形式是将欲捕捉的运动物体与机械结构相连，物体运动带动机械装置运动，从而被传感器记录下来。另一种形式是用带角度传感器的关节和连杆构成一个“可调姿态的数字模型”，其形状可以模拟人体，也可以模拟其它动物、物体。使用者根据剧情的需要，调整模型的姿势，然后锁定。关节的转动被角度传感器测量记录，依据这些角度和模型的机械尺寸，计算出模性的姿态。这些姿态数据传给动画软件，使其中的角色模型也做出一样的姿势，这是一种较早出现的运动捕捉装置。只需利用一套外骨骼系统将角度传感器固定在表演者的身上，就可以进行人体的动作数据采集。

参照图1所示为根据本发明较佳实施例的系统模块框图，包括外骨骼模型搭建装置，用于根据演员的身高体型，制作匹配的外骨骼模型；外骨骼模型装置，用于提供给演员穿戴，并捕捉演员的肢体动作；动画工作站，用于创建三维角色模型并通过外骨骼模型装置捕捉的肢体动作驱动三维角色模型。

外骨骼模型搭建装置包括：身高体型测量装置，用于测量演员的身高、三围和四肢长度数据；外骨骼三维模型模块，用于根据测量数据建立外骨骼三维模型；三维打印站，用于根据外骨骼三维模型，打印出实体外骨骼模型。

外骨骼模型装置包括：压力传感器，用于测量演员各关节间的施加的压力数值；旋转传感器，用于测量演员关节和手指的弯曲角度。

动画工作站包括：三维角色模块，用于创建三维角色模型；关联匹配模块，用于与外骨骼模型装置进行实时关联，实现外骨骼模型装置对三维角色模型的实时驱动；碰撞模拟模块，用于外骨骼模型装置输出的动作姿态，执行三维角色模型碰撞模拟，包括三维角色模型身体部位之间以及三维角色模型之间；虚拟场景绘制模块，用于绘制三维虚拟场景；渲染模块，用于将三维虚拟场景与三维角色模型合并渲染，获得整体的三维画面。

参照图2所示为根据本发明的方法的总体流程图，具体流程为：

测量演员的身高体型，根据对应数据制作匹配的外骨骼模型；

首先绘制基于外骨骼技术的全身动作捕捉系统的草图和设计方向，功能需求，然后测量动作捕捉演员的身高，三维。根据动作的演员的体型数据，在三维软件如MAYA或MAX中为此演员量身定制其外骨骼服的三维数据模型。

三维打印站根据外骨骼模型打印外骨骼，并为外骨骼模型安装压力传感器和旋转传感器；

将基于外骨骼技术的全身动作捕捉系统的外骨骼3D模型文件，经过3D打印机进行打印，然后根据设计图进行装备，然后为其各个关节安装压力传感器，和弯曲传感器，然后连接数据和电源导线，安装控制电路板，安装电源模组，最后安装完成并进行调试。

演员穿戴外骨骼模型装置，执行动作捕捉，外骨骼模型装置将捕捉的动作通过数据传输给动画工作站；

在电脑编程软件中编写基于外骨骼技术的全身动作捕捉系统的硬件电脑驱动，相关三维软件的插件，相关电脑端控制软件，最后完成调试工作。动捕演员穿戴好基于外骨骼技术的全身动作捕捉系统，并将系统连接三维动画工作站，并在工作站中安装控制软件和插件和驱动，打开三维软件，并启动插件，打开三维角色并关联动捕演员的外骨骼系统，这时候动捕演员通过外骨骼系统启动三维软件中的三维角色动画

动画工作站使用三维软件建立三维角色模型，并调用关联匹配模块，将外骨骼模型装置发送的动作姿态与三维角色完成绑定，完成演员的动作采集并对三维角色执行实时驱动。

对人体模型实时驱动是根据人体身上的各个惯性传感器获得的关节姿态的数据，通过实时的姿态解算处理在计算机上来完成对人体模型的所有关节的实时驱动。通过绑定在人肢体上的惯性传感器来获取我们需要的姿态数据，在根据方向余弦矩阵、欧拉角和四元数等方式下，计算出各个骨骼之间的旋转矩阵。

参照图3所示为根据本发明较佳实施例的外骨骼装置结构示意图，

演员穿戴压力动捕服，并佩戴弯曲感应手套，做出动作，身体姿态的变化拉动外骨骼姿态的变化，外骨骼装置将这一变化以数据的形式记录下来并发送给动画工作站，与动画工作站进行数据交互从而驱动工作站创建的三维角色动作，即装置运动时，根据角度传感器的测得的角度变化和连杆的长度，可以得出杆件末端点在空间中的位置和运动轨迹，构成一个“可调姿态的数字模型”，其形状可以模拟人体或动物等，使用者调整模型的姿态，然后锁定，关节的旋转传感器测量记录，计算出模型的姿态，这些姿态数据传给动画软件，使其中的角色模型也做出一样的姿势。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (10)

1.一种基于外骨骼技术的动作采集系统，其特征在于，包括：

外骨骼模型搭建装置，用于根据演员的身高体型，制作匹配的外骨骼模型；

外骨骼模型装置，用于提供给演员穿戴，并捕捉演员的肢体动作；

动画工作站，用于创建三维角色模型并通过外骨骼模型装置捕捉的肢体动作驱动三维角色模型。

2.根据权利要求1所述的基于外骨骼技术的动作采集系统，其特征在于，所述外骨骼模型搭建装置还包括：

身高体型测量装置，用于测量演员的身高、三围和四肢长度数据；

外骨骼三维模型模块，用于根据测量数据建立外骨骼三维模型；

三维打印站，用于根据外骨骼三维模型，打印出实体外骨骼模型。

3.根据权利要求1所述的基于外骨骼技术的动作采集系统，其特征在于，所述外骨骼模型装置还包括：

压力传感器，用于测量演员各关节间的施加的压力数值；

旋转传感器，用于测量演员关节和手指的弯曲角度。

4.根据权利要求1所述的基于外骨骼技术的动作采集系统，其特征在于，所述动画工作站还包括：

三维角色模块，用于创建三维角色模型；

关联匹配模块，用于与外骨骼模型装置进行实时关联，实现外骨骼模型装置对三维角色模型的实时驱动。

5.根据权利要求4所述的基于外骨骼技术的动作采集系统，其特征在于，所述关联匹配模块还包括：

碰撞模拟模块，用于外骨骼模型装置输出的动作姿态，执行三维角色模型碰撞模拟，包括三维角色模型身体部位之间以及三维角色模型之间。

6.根据权利要求1所述的基于外骨骼技术的动作采集系统，其特征在于，所述动画工作站还包括：

虚拟场景绘制模块，用于绘制三维虚拟场景；

渲染模块，用于将三维虚拟场景与三维角色模型合并渲染，获得整体的三维画面。

7.根据权利要求1所述的基于外骨骼技术的动作采集系统，其特征在于，所述外骨骼模型装置包括外骨骼和设置于外骨骼内部的控制电路板，所述控制电路板上设置有用于控制外骨骼伸缩的控制单元，所述外骨骼在关节连接处为活动连接。

8.根据权利要求1所述的基于外骨骼技术的动作采集系统，其特征在于，还包括面部特征采集模块，用于捕捉演员面部表情，并与动画工作站实时传输数据。

9.一种应用权利要求1-8任一所述的基于外骨骼技术的动作采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

测量演员的身高体型，根据对应数据制作匹配的外骨骼模型；

三维打印站根据外骨骼模型打印外骨骼，并为外骨骼模型安装压力传感器和旋转传感器；

演员穿戴外骨骼模型装置，执行动作捕捉，外骨骼模型装置将捕捉的动作通过数据传输给动画工作站；

动画工作站使用三维软件建立三维角色模型，并调用关联匹配模块，将外骨骼模型装置发送的动作姿态与三维角色完成绑定，完成演员的动作采集并对三维角色执行实时驱动。

10.根据权利要求9所述的基于外骨骼技术的动作采集方法，其特征在于，所述使用三维软件建立三维角色模型具体包括以下步骤：

根据人体骨骼特征，创建各个骨骼关节和骨骼；

根据人体骨骼树形机构，定义人体骨骼关节约束映射表和人体骨骼对应的关节映射表；

根据映射关系表进行三维人体骨骼的搭建；

对三维人体骨骼执行蒙皮渲染，得到三维角色模型。