CN111290196A - 一种适合水下使用的光学动作捕捉系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适合水下使用的光学动作捕捉系统，由防水光学动捕镜头、镜头固定装置、水密连接线组和控制主机构成；防水光学动捕镜头的防水抗压外壳设有透明防水视窗，其内侧设置光学镜头；光学镜头旁边设有补光灯及其控制电路板；补光灯板上设有波长在450～600nm之间的光源；防水抗压外壳内设有成像电路板和主控制板；成像电路板上设有图像传感器，图像传感器与光学镜头后部之间设有滤光片；防水抗压外壳与镜头固定装置连接实现在水下的固定；水密连接线组通过防水抗压外壳的水密线孔穿出连接控制主机；水密连接线组包括网络连接线、电源线和控制线；控制主机一方面接收和处理光学动捕镜头的数据，另一方面调控光学动捕镜头的捕捉。本发明的系统可在水体中实现高精度快速动作捕捉。
Description
技术领域
本发明属于数字图像、机器视觉领域，具体涉及一种动作捕捉系统。
背景技术
光学动作捕捉是近些年来数字图像、机器视觉应用的出色代表。动作捕捉是实时地准确测量、记录物体在真实三维空间中的运动轨迹或姿态，并在虚拟三维空间中重建运动物体每一时刻运动状态的技术。光学动作捕捉是基于计算机视觉原理，由多个高速相机从不同角度对目标物体特征点的监视和跟踪，由此来进行动作捕捉的技术。理论上讲，对于空间中的任意一个点，只要它能同时为两部相机所见，就可以确定这一时刻该点在空间中的位置。当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。
目前，动作捕捉设备正在越来越广泛地应用于关乎人们生活和生产的各个行业。对人和物体在运动状态下的运动数据采集分析需求的增长，使得动作捕捉设备在体育运动技术分析、教学实验研究、理疗康复工程、广电动画制作、虚拟现实、人机工效、机械仿生、工业机器人等等诸多领域发挥着越来越重要的作用。
现有的动作捕捉设备主要有光学式、惯性式等。光学动作捕捉形式大体上又可分为主动式和被动式两种，其中被动式的光学动作捕捉方式以其较高的捕捉精度而被更加广泛的使用。然而随着人们生产和生活领域和空间的不断扩大，各种水下建设项目、水下设备、潜水器、水中体育运动的动作捕捉需求相继出现，目前不论哪种动作捕捉设备，都无法适应水下的使用环境。其中亟待解决的主要问题包括：水下捕捉过程中，光源在水中的传播会发生衰减，导致捕捉误差较大；捕捉设备在水中会因浮力而发生位置变化，导致捕捉数据误差增加；等等。
鉴于上述背景，有必要提供一种适用于水下动作捕捉的系统，具有足够的精度和稳定性，以满足日益增长的水下动作捕捉需求。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种适合水下使用的光学动作捕捉系统，捕捉精度高、寿命长，可以广泛用于各种水下环境的动作捕捉场景。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
提供一种适合水下使用的光学动作捕捉系统，它由防水光学动捕镜头、镜头固定装置、水密连接线组和控制主机构成；
所述的防水光学动捕镜头包括防水抗压外壳，所述防水抗压外壳至少设有一处透明防水视窗，所述透明防水视窗内侧设置光学镜头；所述的光学镜头前部正对所述透明防水视窗，且旁边设有补光灯及补光灯控制电路板；所述的补光灯由波长在450～600nm之间的光源构成；
所述防水抗压外壳内还设有控制成像的成像电路板和控制数据处理、数据同步和供电的主控制板，所述的主控制板分别与所述成像电路板和所述的补光灯控制电路板电连接；所述的成像电路板上设有正对所述光学镜头后部的图像传感器，所述图像传感器与所述光学镜头后部之间设有滤光片；
所述防水抗压外壳外表面两侧对称地设有安装固定孔，用于与所述的镜头固定装置连接，实现所述防水光学动捕镜头在水下的固定安装；所述的防水抗压外壳还设有一处水密线孔，用于所述水密连接线组从所述防水抗压外壳内部穿出以连接所述控制主机；
所述的镜头固定装置包括能与所述安装固定孔螺接的支撑底座及螺接组件；
所述的水密连接线组至少由网络连接线、电源线和控制线组成，在所述防水抗压外壳内部与所述主控制板电连接，并通过所述水密线孔穿出所述防水抗压外壳后连接所述控制主机；
所述的控制主机一方面用于接收来自所述防水光学动捕镜头的数据并通过内置程序处理所述数据，另一方面用于控制和调整所述防水光学动捕镜头的捕捉程序。
本发明的方案中，所述的光学镜头可以是现有的各种可用于被动光学动作捕捉的光学镜头。
本发明优选的一种方案中，所述的防水抗压外壳内进一步设有环状补光灯板；所述的光学镜头嵌装在所述环状补光灯板中间；所述的补光灯为若干波长在450nm-580nm的LED灯珠，密布在所述环状补光灯板朝向所述透明防水视窗一侧；所述的补光灯控制电路板设置在所述环状补光灯板的另一侧。
本发明进一步优选的方案中，为了进一步减少水下光衰减导致的捕捉误差，同时考虑尽可能降低远距离捕捉的设备投入成本，所述的若干波长在450nm-580nm的LED灯珠优选由波长在450nm-480nm的蓝光LED灯珠和波长在550nm-580nm的绿光LED灯珠混合搭配组成；更优选由波长为480nm的蓝光LED灯珠和波长为550nm的绿光LED灯珠混合搭配组成。
本发明优选的另一种方案中，所述的防水抗压外壳内进一步设有多孔的补光灯板；所述的光学镜头嵌装在所述多孔的补光灯板的任意一孔中；所述的补光灯为至少2个波长在450nm-580nm的LED灯球，分别嵌装在所述多孔的补光灯板的其他孔中，使所有的补光灯与所述光学镜头处于朝向所述透明防水视窗的同一平面。
本发明进一步优选的方案中，为了进一步减少水下光衰减导致的捕捉误差，同时考虑尽可能降低远距离捕捉的设备投入成本，所述的LED灯球数量优选4-8个，且由波长分别在450nm-480nm和550nm-580nm范围的两种LED灯球组成。
本发明更优选的方案中，所述的光学镜头与所述的图像传感器之间进一步设置与所述补光灯发光波段对应的高透过率滤光片，以提高在水下环境中对特定波长反射光的捕捉效果。减少环境光和水中悬浮物的干扰。
为了进一步增强水下复杂环境情况下的适应性，使动捕设备能在水下可见度较低情况下也能实现高精度的动捕，本发明优选的方案中，所述补光灯控制电路板上进一步设置驱动芯片电路用于调节补光灯亮度，所述驱动芯片电路通过所述控制线与所述控制主机电连接，所述控制主机通过内置的动捕软件远程控制所述驱动芯片电路调节灯板亮度。
为了防止捕捉图像产生重影，本发明优选的方案中，所述的防水抗压外壳的透明防水视窗内侧面与所述光学镜头之间进一步设有黑色环状遮光组件，用于填充所述视窗与镜头之间的空隙，但不覆盖所述的补光灯和镜头透镜，以提高镜头对反光标记反射的光线的捕捉效率。
为了提高所述动作捕捉系统的安全性，本发明优选的方案中，所述的主控制板采用不高于12V的供电，以避免危害人体。
本发明所述的方案中，所述防水抗压外壳主体可以采用不锈钢(优选304钢)、铝合金或防爆玻璃等抗压材料配合密封圈等密封材料制造，以使防尘防水等级达到IP68，最大防水深度达到5M。
为了进一步提高所述防水光学动捕镜头在水下的稳定性，本发明优选的方案中，在所述防水抗压外壳内部进一步设置可拆卸配重组件，以调整所述防水光学动捕镜头整体的重量，克服不同水体、不同水深和不同水流速度等环境带来的浮力。所述的配重组件规格以刚好克服所在水体带来的浮力为宜。
为了进一步提高防水效果，本发明优选的方案中，所述的水密连接线组最外层包覆耐油护套材料。
为了进一步提高防水效果和便捷程度，本发明优选的一种方案中，所述的防水抗压外壳的水密线孔处进一步设置贯穿所述防水抗压外壳内外的水密插接头，所述的水密插接头，在所述防水抗压外壳内部与所述的主控制板分别通过网络连接线、电源线和控制线电连接，在所述防水抗压外壳外部可分别与来自不同控制主机的网络连接线、电源线和控制线构成的水密连接线组插接。
本发明优选的另一种方案中，所述防水抗压外壳的水密线孔处进一步设置接线紧固螺丝。所述的接线紧固螺丝中空贯通，用于所述水密连接线组穿过；所述的接线紧固螺丝在所述水密线孔处与所述防水抗压外壳螺接，且所述接线紧固螺丝内部和螺纹间注有防水胶水，以实现最大程度的密封。
本发明进一步优选的方案中，所述的防水抗压外壳内部填充灌封胶，以提高所述防水抗压外壳内部电子部件的防水效果。
本发明优选的方案中，所述的透明防水视窗是高透光镀膜玻璃，以增强光通率并降低对水、油和灰尘等异物的粘附性。
本发明优选的方案中，所述的镜头固定装置中，所述支撑底座的底部设有能与云台固定安装的连接结构。
实际使用中，水下动作捕捉的目标可以是人体、动物体或机械设备等不同的运动物体，在运动物体表面的关键位置点固定设置反光标记点或反光标记球(Marker)。本发明所述的适合水下使用的动作捕捉系统中，若干个所述的防水光学动捕镜头、若干个镜头固定装置设置在水面以下，其中，所述的镜头固定装置的支撑底座设置在水下合适深度，可以固定安装在水底，也可以固定安装在固定云台上，所述防水光学动捕镜头进一步螺接所述的支撑底座从而被固定，但防水抗压外壳可以以支撑底座与其螺接的螺丝为轴转动。将所述若干个防水光学动捕镜头置于运动物体四周不同位置，镜头均对准运动物体。可任意设置防水光学动捕镜头之间的主从关系，也可不设置主从关系。所述的控制主机设置在水面以上，所述的水密连接线组一端连接水面以上的控制主机，另一端连接水面以下的防水光学动捕镜头。待启动捕捉程序后，设置好Marker的运动物体进入运动状态，所述的控制主机通过水密连接线组为防水光学动捕镜头的主控制板和补光灯供电，补光灯控制电路控制LED灯珠向捕捉目标发出特定波长的蓝绿光，运动物体表面的Marker反射的蓝绿光经水下传播回到光学动捕镜头，镜头根据成像电路板的控制拍摄运动画面，由成像电路板上的图像传感器采集图像数据后传输至主控制板；主控制板经过算法处理单元处理为镜头动捕数据后，进行网络数据的交互，再通过水密连接线组的网络连接线传输至控制主机。
现有技术中，普通的光学动作捕捉设备采用红外光照射目标进行补光，但红外光源在水下并不适用，存在穿透能力弱、传播距离短的问题。尤其是当水中有悬浮物等杂质时，水的浑浊度较高，常规的红外波段的光线会产生照射距离更短的问题；而且在水下光照强、悬浮物颗粒大的情况下，使用常规红外波段补光的动作捕捉数据会有显著的噪声影响。与现有技术相比，本发明通过采用蓝绿光源作为补光光源，有效地克服了常规红外光在水中穿透力弱导致的动作捕捉精度差的问题。本发明中采用的蓝绿光补光灯，其光源波长在450-600nm范围内，介于蓝光和绿光之间。由于水(特别是海水)对蓝绿波段的可见光吸收损耗极小，因此蓝绿光通过水(特别是海水)时，不仅穿透能力强，而且方向性极好。因此本发明所述的动作捕捉系统可以在水体中(包括海水中)也能实现高精度的、快速的动作捕捉。在此基础上，本发明人经过对比测试发现，选择使用450nm-480nm和550nm-580nm两种波段的光源进行补光，同时在所述成像传感器前设置与所述波段对应的滤光片，能够达到水下动捕的最优性价比。对于常规的动捕Marker和常规的水下环境，本发明的捕捉设备可以在大于10m的捕捉距离实现高精度动作捕捉。
附图说明
图1是本发明实施例1所述的防水光学动捕镜头的整体结构示意图。
图2为本发明实施例1所述的防水光学动捕镜头的组装结构示意图，同时示意了所述防水抗压外壳内部组件的安装方式。
图3为本发明实施例2所述的防水光学动捕镜头的组装结构示意图，同时示意了所述防水抗压外壳内部组件的安装方式。
图4体现了本发明实施例3所述的适合水下使用的动作捕捉系统整体结构及其使用方式。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
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的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
本发明以下各实施例中，所述外壳材料均为304钢，所述的密封圈均为硅胶四氟系列密封圈，所述的防水接头均为IP68级防水接头。
实施例1.
适合水下使用的动作捕捉设备，如图1、2所示，包括整体呈圆筒状的防水抗压外壳10，其一端由高透光玻璃11配合密封圈0密封形成透明防水视窗，透明防水视窗内侧设置有嵌装板12，嵌装板12上开有四个通孔，光学镜头13、两个LED灯球14和一个光电传感器15分别嵌装在嵌装板12的四个通孔内，使光学镜头13、两个LED灯球14和一个光电传感器15均处于朝向透明防水视窗的同一平面内。两个LED灯球14的发光波长分别为480nm和550nm。在所述嵌装板12的另一面，沿嵌装光学镜头13的通孔周向设有黑色哑光遮光罩16，用于遮蔽光学镜头13周围空间。在靠近LED灯球的位置设置补光灯控制电路板17。防水抗压外壳10内，还设有控制成像的成像电路板18和控制数据处理、数据同步和供电的主控制板19，主控制板19分别与光电传感器15、成像电路板18和补光灯控制电路板17电连接，所述的补光灯控制电路板17上进一步设有驱动芯片电路(图中未示出)。光学镜头13后方正对成像电路板18上的图像传感器20，光学镜头13与图像传感器20之间设有可保留480-550nm波段的截止滤光片组21。防水抗压外壳10后部通过不锈钢后盖22配合密封圈0封闭。不锈钢后盖22上设有通孔，通孔处设有防水接头，防水接头设有接线紧固螺丝23，接线紧固螺丝23中空贯通，用于水密连接线组穿过。
所述的防水抗压外壳10内部填充灌封胶，以提高内部电子部件的防水效果。接线紧固螺丝23作为防水接头组件与防水抗压外壳10螺接，且接线紧固螺丝23内部和螺纹间注有防水胶水，以实现最大程度的密封。
防水抗压外壳10外表面两侧对称地设有安装固定孔，用于与镜头固定装置连接，实现所述防水光学动捕镜头在水下的固定安装。
实施例2.
适合水下使用的动作捕捉设备，如图1、3所示，包括整体呈圆筒状的防水抗压外壳10，其一端由高透光玻璃11配合密封圈0密封形成透明防水视窗，透明防水视窗内侧设置有环状补光灯板24，环状补光灯板24环面一侧密布有若干LED灯珠25，中心通孔嵌装光学镜头13使光学镜头13和若干LED灯珠25处于朝向透明防水视窗的同一平面内。若干LED灯珠25包括60％的450nm波长的LED灯珠和40％的550nm波长的LED灯珠。环状补光灯板24环面的另一侧设有补光灯控制电路板17，所述的补光灯控制电路板17上进一步设有驱动芯片电路(图中未示出)。在环状补光灯板24设有LDE灯珠的一侧面上，沿嵌装光学镜头13的通孔周向设有黑色哑光遮光罩16，用于填充嵌装后光学镜头13外围与高透光玻璃11之间的空隙。防水抗压外壳10内，还设有控制成像的成像电路板18和控制数据处理、数据同步和供电的主控制板19，主控制板19分别与成像电路板18和补光灯控制电路板17电连接。光学镜头13后方正对成像电路板18上的图像传感器20，光学镜头13与图像传感器20之间设有可保留450-550nm波段的截止滤光片组21。防水抗压外壳10后部通过不锈钢后盖22配合密封圈0封闭。不锈钢后盖22上设有通孔，通孔处设有防水接头，防水接头设有接线紧固螺丝23，接线紧固螺丝23中空贯通，用于水密连接线组穿过。
在所述防水抗压外壳10内部还设有可拆卸的配重组件30，以调整所述捕捉设备的整体重量，克服不同水体、不同水深和不同水流速度等环境带来的浮力。所述的配重组件30规格以刚好克服所在水体带来的浮力为宜。
所述的防水抗压外壳10内部填充灌封胶，以提高内部电子部件的防水效果。接线紧固螺丝23作为防水接头组件与防水抗压外壳10螺接，且接线紧固螺丝23内部和螺纹间注有防水胶水，以实现最大程度的密封。
防水抗压外壳10外表面两侧对称地设有安装固定孔，用于与镜头固定装置连接，实现所述防水光学动捕镜头在水下的固定安装。
实施例3.
适合水下使用的动作捕捉系统，如图4所示，它由若干个防水光学动捕镜头100、固定云台200、水密连接线组300、POE交换机400和控制主机500构成；
所述的防水光学动捕镜头100可以是实施例1或2中所述的任意一种，如图1所示，所述防水抗压外壳10外表面两侧对称地设有安装固定孔，固定云台200包括镜头固定座和支架。安装固定孔与镜头固定座螺接固定，实现所述防水光学动捕镜头100在水下的固定安装；所述的防水抗压外壳10内部连接所述主控制板的线组包括网络连接线、电源线和控制线，所述线组通过防水抗压外壳10的防水接头23引出后包覆防水耐油护套形成水密连接线组300，来自不同防水光学动捕镜头100的若干水密连接线组300出水后分别连接POE交换机400，POE交换机400进一步连接控制主机500。所述的控制主机500一方面用于接收来自所述防水光学动捕镜头100的数据并通过内置程序处理所述数据，另一方面用于控制和调整所述防水光学动捕镜头100的捕捉程序。
以捕捉水下人体运动的动作为例，实际使用中，如图4所示，在运动人体600表面的关键位置点固定设置反光标记球(Marker)700。本实施例适合水下使用的动作捕捉系统中，若干个所述的防水光学动捕镜头100、通过若干个固定云台200设置在水面以下，并置于运动人体600四周不同位置，镜头均对准运动人体600。可任意设置不同防水光学动捕镜头100之间的主从关系，也可不设置主从关系。所述的控制主机500和POE交换机400设置在水面以上，若干水密连接线组300一端连接水面以上的POE交换机400，另一端连接水面以下的防水光学动捕镜头100。待启动捕捉程序后，设置好Marker 700的运动人体600进入运动状态，所述的控制主机500和POE交换机400通过水密连接线组300为防水光学动捕镜头100的主控制板和补光灯供电，补光灯控制电路控制LED灯珠向捕捉目标发出特定波长的蓝绿光，运动人体600表面的Marker 700反射的复合光经水下传播回到光学动捕镜头，穿过镜头的复合光经过截止滤光片组的过滤仅透过特定波长的蓝绿光形成图像，由成像电路板上的图像传感器采集图像数据后传输至主控制板；主控制板再通过水密连接线组300和POE交换机400传输至控制主机500。
为了提高所述动作捕捉系统的安全性，所述的防水光学动捕镜头100内主控制板采用不高于12V的供电，以避免危害人体。
Claims (11)
1.一种适合水下使用的光学动作捕捉系统，它由防水光学动捕镜头、镜头固定装置、水密连接线组和控制主机构成；
所述的防水光学动捕镜头包括防水抗压外壳，所述防水抗压外壳至少设有一处透明防水视窗，所述透明防水视窗内侧设置光学镜头；所述的光学镜头前部正对所述透明防水视窗，且旁边设有补光灯及补光灯控制电路板；所述的补光灯由波长在450～600nm之间的光源构成；
所述防水抗压外壳内还设有控制成像的成像电路板和控制数据处理、数据同步和供电的主控制板，所述的主控制板分别与所述成像电路板和所述的补光灯控制电路板电连接；所述的成像电路板上设有正对所述光学镜头后部的图像传感器，所述图像传感器与所述光学镜头后部之间设有滤光片；
所述防水抗压外壳外表面两侧对称地设有安装固定孔，用于与所述的镜头固定装置连接，实现所述防水光学动捕镜头在水下的固定安装；所述的防水抗压外壳还设有一处水密线孔，用于所述水密连接线组从所述防水抗压外壳内部穿出以连接所述控制主机；
所述的镜头固定装置包括能与所述安装固定孔螺接的支撑底座及螺接组件；
所述的水密连接线组至少由网络连接线、电源线和控制线组成，在所述防水抗压外壳内部与所述主控制板电连接，并通过所述水密线孔穿出所述防水抗压外壳后连接所述控制主机；
所述的控制主机一方面用于接收来自所述防水光学动捕镜头的数据并通过内置程序处理所述数据，另一方面用于控制和调整所述防水光学动捕镜头的捕捉程序。
2.权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的防水抗压外壳内进一步设有环状补光灯板；所述的光学镜头嵌装在所述环状补光灯板中间；所述的补光灯为若干波长在450nm-580nm的LED灯珠，密布在所述环状补光灯板朝向所述透明防水视窗一侧；所述的补光灯控制电路板设置在所述环状补光灯板的另一侧。
3.权利要求2所述的系统，其特征在于：所述的若干波长在450nm-580nm的LED灯珠优选由波长在450nm-480nm的蓝光LED灯珠和波长在550nm-580nm的绿光LED灯珠混合搭配组成；更优选由波长为480nm的蓝光LED灯珠和波长为550nm的绿光LED灯珠混合搭配组成。
4.权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的防水抗压外壳内进一步设有多孔的补光灯板；所述的光学镜头嵌装在所述多孔的补光灯板的任意一孔中；所述的补光灯为至少2个波长在450nm-580nm的LED灯球，分别嵌装在所述多孔的补光灯板的其他孔中，使所有的补光灯与所述光学镜头处于朝向所述透明防水视窗的同一平面。
5.权利要求4所述的系统，其特征在于：所述的LED灯球数量为4-8个，且由波长分别在450nm-480nm和550nm-580nm范围的两种LED灯球组成。
6.权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的光学镜头与所述的图像传感器之间进一步设置与所述补光灯发光波段对应的高透过率滤光片。
7.权利要求1所述的系统，其特征在于：所述补光灯控制电路板上进一步设置驱动芯片电路用于调节补光灯亮度，所述驱动芯片电路通过所述控制线与所述控制主机电连接。
8.权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的防水抗压外壳的透明防水视窗内侧面与所述光学动捕镜头之间进一步设有黑色环状遮光组件，用于填充所述视窗与镜头之间的空隙，但不覆盖所述的补光灯和镜头透镜。
9.权利要求1所述的系统，其特征在于：所述防水抗压外壳内部进一步设有可拆卸配重组件，所述的配重组件规格刚好克服所在水体带来的浮力。
10.权利要求1所述的系统，其特征在于：所述防水抗压外壳的水密线孔处进一步设置接线紧固螺丝。所述的接线紧固螺丝中空贯通，用于所述水密连接线组穿过；所述的接线紧固螺丝在所述水密线孔处与所述防水抗压外壳螺接，且所述接线紧固螺丝内部和螺纹间注有防水胶水。
11.权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的防水抗压外壳内部填充灌封胶。
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