CN110672087A - 一种人体跟踪方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及人体跟踪技术领域，公开了一种人体跟踪方法，可根据需要选择不同的人体跟踪精度，光学跟踪模块负责较低精度的人体跟踪，由电磁跟踪模块和声学跟踪模块以及运动传感器协同进行较高精度的人体跟踪，达到提升测量精度的目的。

Description

一种人体跟踪方法及系统
技术领域
本发明涉及人体跟踪技术领域，更具体地说，它涉及一种人体跟踪方法及系统。
背景技术
随着技术的发展，三维数字图像和触摸屏、红外线感应器、投影等多种硬件结合的数字展示行业愈加成熟。以数字图像为核心，可呈现出不同的展示方式，强调展现、体验、互动的功能性。在展览过程中，可将游客与展览品通过体感互动联系起来，能进一步提高游客的直观感受，
在一部分的场景下，需要将游客的手势动作进行高精度的跟踪，来获取游客的动作数据，还有一些场景仅仅需要获得游客的整体位置的数据即可。
而现有技术中的人体跟踪技术对人体检测基本都是通过单一的跟踪方式，比如声学跟踪模块，基本上是通过发射超声波后接收反弹回来的超声波的时间差对探测距离进行计算和确定，声波的传播需要一定的时间，被测部位在高速运动时，测量精度会受到较大的影响，而且这种单一的跟踪方式在跟踪精度上很难产生提升，需要进行改进。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种人体跟踪方法及系统，其具有跟踪精度可变、能够进行相对精准的人体跟踪的优点。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种人体跟踪方法，包括如下步骤：
S1：确定人体跟踪的精度需求；
若精度需求较低，进入步骤S2；
若精度需求较高，进入步骤S3；
S2：光学跟踪模块每隔模糊测量周期T1获取被测人体目标的模糊位置参数；
所述模糊位置参数为所述被测人体目标的被测部位在t时刻的模糊空间坐标，所述t时刻为所述模糊测量周期T1内的某一时刻；
S3：每隔精确测量周期T2获取所述被测人体目标的姿态参数、静止位置参数和速度参数，进入步骤S4；
所述姿态参数由电磁跟踪模块获取，为所述被测人体目标的被测部位在t1时刻的第一空间坐标A以及旋转角α、β、γ；
所述静止位置参数由声学跟踪模块获取，为所述被测人体目标的被测部位在t2时刻的第二空间坐标B；
所述速度参数由运动传感器获取，为所述被测人体目标的被测部位在所述精确测量周期T2内的平均速度V；
所述t1时刻和所述t2时刻均为所述精确测量周期T2内的某一时刻，且t1<t2；
S4：通过所述第一空间坐标和所述第二空间坐标确定所述被测人体目标的被测部位在所述t1时刻的运动矢量方向，进入步骤S5；
S5：根据所述平均速度V以及所述运动矢量方向对所述第二空间坐标进行补偿校准，获取所述被测人体目标的被测部位的精准空间坐标P。
通过上述技术方案，可根据需要选择不同的人体跟踪精度，光学跟踪模块负责较低精度的人体跟踪，由电磁跟踪模块和声学跟踪模块以及运动传感器协同进行较高精度的人体跟踪；电磁跟踪模块的探测基于磁场和电流的变化，声学跟踪模块基本上是利用声波在空气中进行传播实现人体的跟踪，而声速是远低于磁场以及电流的变化速度的，也就是说在同样的精确测量周期T2下以及启动时间下，第一空间坐标A以及旋转角α、β、γ的获取速度会比第二空间坐标B的获取速度更快、也更早，运动传感器则可以测得被测部位在精确测量周期T2内的平均速度V，结合通过第一空间坐标A和第二空间坐标B获得的被测部位在平均速度V下的运动方向，进而可以对超声波到达被测部位返回过程中被测部位的运动量进行补偿，达到提升测量精度的目的。
本发明进一步设置为：所述步骤S3包括如下步骤：
S31：预设声波发收器的空间位置坐标A1、A2……An，n为所述声波发收器的个数；
S32：在tA时刻启动所有所述声波发收器，发出供声波接发器唯一识别的测距波B1、B2……Bn；
S33：所述声波接发器接收到所述测距波后对应发出供所述声波发收器接收的应答波C1、C2……Cn；
S34：所述声波发收器接收并成功识别所述应答波；
所述声波发收器成功识别所述应答波的时间分别为tD1、tD2……tDn，T2>t2>Max[tD1、tD2……tDn]；
S35：通过计算公式计算每个所述声波发收器到所述声波接发器之间的距离DA1、DA2……DAn；
所述计算公式为：DA1=V声*(tD1-tA-tC)/2、DA2=V声*(tD2-tA-tC)/2……DAn=V声*(tDn-tA-tC)/2；
S36：根据所述DA1、DA2……DAn，以及所述A1、A2……An，确定所述第二空间坐标B；
所述tC为所述声波接发器接收所述测距波到发出所述应答波的时间，所述V声为当前气压下的机械波传播速度。
通过上述技术方案，多个声波发收器和声波发收器相互之间可识别的响应可以保证测量的准确性。
本发明进一步设置为：所述步骤S36中：
分别以所述A1、A2……An为球心、以所述DA1、DA2……DAn为半径画球，交点为所述第二空间坐标B。
本发明进一步设置为：所述步骤S5中：
所述运动矢量方向为矢量(B-A)的单位向量e。
本发明进一步设置为：所述步骤S6中：
所述精准空间坐标P=A+e*V*TR，所述TR为各个所述应答波到达各个所述声波发收器所需时间中的任意一个。
通过上述技术方案，不同位置的声波发收器与声波发收器之间的距离不同，在同时发出测距波的情况下，应答波被接收的时间也必然存在不同，所以TR选取其中一个具有一定的随机性，可以有效的减少误差。
一种人体跟踪系统，包括光学跟踪模块、电磁跟踪模块、声学跟踪模块和运动传感器；
所述光学跟踪模块用于根据光在图像投影平面不同时刻或不同位置上的投影得到被跟踪对象的方位；
所述电磁跟踪模块用于确定被测目标的参数，参数包括第一空间坐标A和旋转角α、β、γ；
所述声学跟踪模块用于利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差对被测目标进行定位和跟踪；
其中，所述电磁跟踪模块定点探测人体部位，所述声学跟踪模块非定点探测人体部位，所述光学跟踪模块根据光线变换对人体进行整体探测；
所述运动传感器固定在被测人体目标的被测部位上，用于获取速度参数，所述速度参数为所述被测人体目标的被测部位在所述精确测量周期T2内的平均速度V。
本发明进一步设置为：所述电磁跟踪模块包括磁场源模块、磁传感器模块和控制模块，所述磁场源模块由3个磁场方向相互垂直的交流电流产生的双极磁源构成；
所述磁传感器模块由3组线圈组成，且所述磁传感器模块的一组线圈对应一个双极磁源，线圈中的电流变化输送至所述控制模块；
所述控制模块用于对电流变化进行解析得到所述第一空间坐标A以及所述旋转角α、β、γ。
本发明进一步设置为：所述声学跟踪模块包括多个声波发收器和多个声波接发器，所述声波发收器与所述声波接发器一一关联匹配；
所述声波发收器用于发出供所述声波接发器唯一识别的测距波，所述声波接发器接收并成功识别所述测距波后发出供所述声波发收器唯一识别的应答波；
所述声波发收器计算其发出测距波到成功识别所述应答波的时间，计算出所述声波发收器到所述声波发收器之间的距离。
本发明进一步设置为：所述光学跟踪模块包括视频摄像机、光源和光敏二极管阵列，所述光源被测人体发出光线；
所述光敏二极管阵列接收人体在光线变换下的不同时刻或不同位置的图像投影；
所述视频摄像机对图像投影进行记录。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
可根据需要选择不同的人体跟踪精度，光学跟踪模块负责较低精度的人体跟踪，由电磁跟踪模块和声学跟踪模块以及运动传感器协同进行较高精度的人体跟踪；电磁跟踪模块的探测基于磁场和电流的变化，声学跟踪模块基本上是利用声波在空气中进行传播实现人体的跟踪，而声速是远低于磁场以及电流的变化速度的，也就是说在同样的精确测量周期T2下以及启动时间下，第一空间坐标A以及旋转角α、β、γ的获取速度会比第二空间坐标B的获取速度更快、也更早，运动传感器则可以测得被测部位在精确测量周期T2内的平均速度V，结合通过第一空间坐标A和第二空间坐标B获得的被测部位在平均速度V下的运动方向，进而可以对超声波到达被测部位返回过程中被测部位的运动量进行补偿，达到提升测量精度的目的。
附图说明
图1为本发明实施例中的系统连接结构示意图；
图2为本发明实施例中的方法框图。
附图标记：1、光学跟踪模块；2、电磁跟踪模块；3、声学跟踪模块；4、运动传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
一种人体跟踪系统，如图1所示，包括相互耦接的光学跟踪模块1、电磁跟踪模块2、声学跟踪模块3和运动传感器4，用于对被测人体目标的跟踪检测。其中，光学跟踪模块1包括视频摄像机、光源和光敏二极管阵列，可由光源向被测人体发出光线，光学跟踪模块1用于根据光在图像投影平面不同时刻或不同位置上的投影得到被跟踪对象的方位，光敏二极管阵列接收人体在光线变换下的不同时刻或不同位置的图像投影，同时由视频摄像机对图像投影进行记录。
电磁跟踪模块2包括磁场源模块、磁传感器模块和控制模块。磁场源模块由3个磁场方向相互垂直的交流电流产生的双极磁源构成，磁传感器模块由3组磁传感器模块以及相应的信号调理电路组成，每个磁传感器模块的一组线圈对应一个双极磁源。三轴磁传感器附着于被跟踪目标，测量跟踪目标所处位置的三轴正交磁感应强度，输入到信号调理电路中；信号调理电路对三轴磁传感器检测到的数据进行滤波和放大，得到第一空间坐标A。滤波的作用是为了减小高频和工频干扰，放大的作用的将磁传感器输出的微弱电信号进行放大到与ADC输入信号动态范围匹配，从而提高转换精度。控制模块，包含激励控制电路、AD转换与采样电路以及处理器。激励控制电路在处理器的控制下实现对磁场源各线圈激励电流的通断。
AD转换电路与采样电路采集磁场源的余弦激励信号及目标点所处位置的合成磁感应强度，两路模拟信号经AD转换后变成两路数字信号输入到处理器中进行处理，处理器对采样得到的余弦激励信号进行平方运算得到信号一，对合成磁感应强度信号进行平方运算得到信号二，再计算信号一和信号二的相位差，进而计算投影角，并进一步计算旋转角α、β、γ，实现对目标点的跟踪定位。
声学跟踪模块3则用于利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差对被测目标进行定位和跟踪。
声学跟踪模块3包括多个声波发收器和多个声波接发器，每个声波发收器均固定在不同的方位，每个声波接发器均固定在被测人体目标的有关部位上，如手腕、脚腕和腰部等，且声波发收器与声波接发器一一关联匹配。
声波发收器用于发出供声波接发器唯一识别的测距波，声波接发器接收并成功识别测距波后发出供声波发收器唯一识别的应答波。识别可通过对测距波和应答波的频率、幅度等具有区分性的特点进行。因此，可由声波发收器计算其发出测距波到成功识别应答波的时间，计算出声波发收器到声波发收器之间的距离。
运动传感器4固定在被测人体目标的被测部位上，用于获取速度参数，速度参数为被测人体目标的被测部位在精确测量周期T2内的平均速度V。
综上可知，由电磁跟踪模块2定点探测人体部位，声学跟踪模块3非定点探测人体部位，再由光学跟踪模块1根据光线变换对人体进行整体探测。关于运动传感器4的运用，以下通过方法进行具体的展现。
一种人体跟踪方法，如图2所示，包括如下步骤：
S1：确定人体跟踪的精度需求；
若精度需求较低，进入步骤S2；
若精度需求较高，进入步骤S3；由此可根据需要选择不同的测量跟踪方式，灵活性高。
S2：光学跟踪模块1每隔模糊测量周期T1获取被测人体目标的模糊位置参数；
模糊位置参数为被测人体目标的被测部位在t时刻的模糊空间坐标，t时刻为模糊测量周期T1内的某一时刻，因为光学跟踪模块1是基于光线的处理，反馈较为快速，但是只能对被测人体目标进行大致轮廓上的定位，因此只能满足较低精度的人体跟踪需求。
S3：每隔精确测量周期T2获取被测人体目标的姿态参数、静止位置参数和速度参数，进入步骤S4；
姿态参数由电磁跟踪模块2获取，为被测人体目标的被测部位在t1时刻的第一空间坐标A以及旋转角α、β、γ；
静止位置参数由声学跟踪模块3获取，为被测人体目标的被测部位在t2时刻的第二空间坐标B；
速度参数由运动传感器4获取，为被测人体目标的被测部位在精确测量周期T2内的平均速度V；
t1时刻和t2时刻均为精确测量周期T2内的某一时刻，且t1<t2；
S4：通过第一空间坐标和第二空间坐标确定被测人体目标的被测部位在t1时刻的运动矢量方向，进入步骤S5；
S5：根据平均速度V以及运动矢量方向对第二空间坐标进行补偿校准，获取被测人体目标的被测部位的精准空间坐标P。
在电磁跟踪模块2和声学跟踪模块3以及运动传感器4协同进行较高精度的人体跟踪的情况下，电磁跟踪模块2的探测是基于磁场和电流的变化，声学跟踪模块3基本上是利用声波在空气中进行传播实现人体的跟踪，而声速是远低于磁场以及电流的变化速度的，也就是说在同样的精确测量周期T2下以及启动时间下，第一空间坐标A以及旋转角α、β、γ的获取速度一般来说会比第二空间坐标B的获取速度更快、也更早，运动传感器4则可以测得被测部位在精确测量周期T2内的平均速度V，结合通过第一空间坐标A和第二空间坐标B获得的被测部位在平均速度V下的运动方向，进而可以对超声波到达被测部位返回过程中被测部位的运动量进行补偿，达到提升测量精度的目的。
以下是声学跟踪模块3实现人体跟踪的方法：
步骤S3包括如下步骤：
S31：预设声波发收器的空间位置坐标A1、A2……An，n为声波发收器的个数；
S32：在tA时刻启动所有声波发收器，发出供声波接发器唯一识别的测距波B1、B2……Bn；
S33：声波接发器接收到测距波后对应发出供声波发收器接收的应答波C1、C2……Cn；
S34：声波发收器接收并成功识别应答波；
声波发收器成功识别应答波的时间分别为tD1、tD2……tDn，T2>t2>Max[tD1、tD2……tDn]；
S35：通过计算公式计算每个声波发收器到声波接发器之间的距离DA1、DA2……DAn；
计算公式为：DA1=V声*(tD1-tA-tC)/2、DA2=V声*(tD2-tA-tC)/2……DAn=V声*(tDn-tA-tC)/2；
S36：根据DA1、DA2……DAn，以及A1、A2……An，确定第二空间坐标B；
tC为声波接发器接收测距波到发出应答波的时间，V声为当前气压下的机械波传播速度。
由上述内容可知，多个声波发收器和声波发收器相互之间可识别的响应可以保证测量的准确性，且DA1、DA2……DAn所体现的是一个较为理想的值，因为声波也就是机械波的传播速度有限，在测距波被接收到应答波被接收的一个周期的时间内，被测人体目标的被测部位处于平均速度V下的运动状态，在而测距波的识别需要时间，发出应答波且到达声波发收器同样需要时间，两者之和便是tC。由此，可有效减少测距上的误差。在步骤S36中：
分别以A1、A2……An为球心、以DA1、DA2……DAn为半径画球，交点为第二空间坐标B。
步骤S5中：
运动矢量方向为矢量(B-A)的单位向量e。根据第二空间坐标B和第一空间坐标A，可以获得被测人体目标的被测部位在这段时间内的位移方向，通过向量的形式表示，给步骤S6提供基础。
步骤S6中：
精准空间坐标P=A+e*V*TR，TR为各个应答波到达各个声波发收器所需时间中的任意一个。因为不同位置的声波发收器与声波发收器之间的距离不同，在同时发出测距波的情况下，应答波被接收的时间也必然存在不同，所以TR选取其中一个具有一定的随机性，可以有效的减少误差。不过为了保证能够对精度进行校准，TR最好将时间最长以及最短的两个时间剔除，去除断点，提升测试精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种人体跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：确定人体跟踪的精度需求；
若精度需求较低，进入步骤S2；
若精度需求较高，进入步骤S3；
S2：光学跟踪模块（1）每隔模糊测量周期T1获取被测人体目标的模糊位置参数；
所述模糊位置参数为所述被测人体目标的被测部位在t时刻的模糊空间坐标，所述t时刻为所述模糊测量周期T1内的某一时刻；
S3：每隔精确测量周期T2获取所述被测人体目标的姿态参数、静止位置参数和速度参数，进入步骤S4；
所述姿态参数由电磁跟踪模块（2）获取，为所述被测人体目标的被测部位在t1时刻的第一空间坐标A以及旋转角α、β、γ；
所述静止位置参数由声学跟踪模块（3）获取，为所述被测人体目标的被测部位在t2时刻的第二空间坐标B；
所述速度参数由运动传感器（4）获取，为所述被测人体目标的被测部位在所述精确测量周期T2内的平均速度V；
所述t1时刻和所述t2时刻均为所述精确测量周期T2内的某一时刻，且t1<t2；
S4：通过所述第一空间坐标和所述第二空间坐标确定所述被测人体目标的被测部位在所述t1时刻的运动矢量方向，进入步骤S5；
S5：根据所述平均速度V以及所述运动矢量方向对所述第二空间坐标进行补偿校准，获取所述被测人体目标的被测部位的精准空间坐标P。
2.根据权利要求1所述的人体跟踪方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下步骤：
S31：预设声波发收器的空间位置坐标A1、A2……An，n为所述声波发收器的个数；
S32：在tA时刻启动所有所述声波发收器，发出供声波接发器唯一识别的测距波B1、B2……Bn；
S33：所述声波接发器接收到所述测距波后对应发出供所述声波发收器接收的应答波C1、C2……Cn；
S34：所述声波发收器接收并成功识别所述应答波；
所述声波发收器成功识别所述应答波的时间分别为tD1、tD2……tDn，T2>t2>Max[tD1、tD2……tDn]；
S35：通过计算公式计算每个所述声波发收器到所述声波接发器之间的距离DA1、DA2……DAn；
所述计算公式为：DA1=V声*(tD1-tA-tC)/2、DA2=V声*(tD2-tA-tC)/2……DAn=V声*(tDn-tA-tC)/2；
S36：根据所述DA1、DA2……DAn，以及所述A1、A2……An，确定所述第二空间坐标B；
所述tC为所述声波接发器接收所述测距波到发出所述应答波的时间，所述V声为当前气压下的机械波传播速度。
3.根据权利要求2所述的人体跟踪方法，其特征在于，所述步骤S36中：
分别以所述A1、A2……An为球心、以所述DA1、DA2……DAn为半径画球，交点为所述第二空间坐标B。
4.根据权利要求2所述的人体跟踪方法，其特征在于，所述步骤S5中：
所述运动矢量方向为矢量(B-A)的单位向量e。
5.根据权利要求4所述的人体跟踪方法，其特征在于，所述步骤S6中：
所述精准空间坐标P=A+e*V*TR，所述TR为各个所述应答波到达各个所述声波发收器所需时间中的任意一个。
6.一种人体跟踪系统，其特征在于，包括光学跟踪模块（1）、电磁跟踪模块（2）、声学跟踪模块（3）和运动传感器（4）；
所述光学跟踪模块（1）用于根据光在图像投影平面不同时刻或不同位置上的投影得到被跟踪对象的方位；
所述电磁跟踪模块（2）用于确定被测目标的参数，参数包括第一空间坐标A和旋转角α、β、γ；
所述声学跟踪模块（3）用于利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差对被测目标进行定位和跟踪；
其中，所述电磁跟踪模块（2）定点探测人体部位，所述声学跟踪模块（3）非定点探测人体部位，所述光学跟踪模块（1）根据光线变换对人体进行整体探测；
所述运动传感器（4）固定在被测人体目标的被测部位上，用于获取速度参数，所述速度参数为所述被测人体目标的被测部位在精确测量周期T2内的平均速度V。
7.根据权利要求6所述的人体跟踪系统，其特征在于，所述电磁跟踪模块（2）包括磁场源模块、磁传感器模块和控制模块，所述磁场源模块由3个磁场方向相互垂直的交流电流产生的双极磁源构成；
所述磁传感器模块由3组线圈组成，且所述磁传感器模块的一组线圈对应一个双极磁源，线圈中的电流变化输送至所述控制模块；
所述控制模块用于对电流变化进行解析得到所述第一空间坐标A以及所述旋转角α、β、γ。
8.根据权利要求7所述的人体跟踪系统，其特征在于，所述声学跟踪模块（3）包括多个声波发收器和多个声波接发器，所述声波发收器与所述声波接发器一一关联匹配；
所述声波发收器用于发出供所述声波接发器唯一识别的测距波，所述声波接发器接收并成功识别所述测距波后发出供所述声波发收器唯一识别的应答波；
所述声波发收器计算其发出测距波到成功识别所述应答波的时间，计算出所述声波发收器到所述声波发收器之间的距离。
9.根据权利要求8所述的人体跟踪系统，其特征在于，所述光学跟踪模块（1）包括视频摄像机、光源和光敏二极管阵列，所述光源被测人体发出光线；
所述光敏二极管阵列接收人体在光线变换下的不同时刻或不同位置的图像投影；
所述视频摄像机对图像投影进行记录。
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