CN112581574A - 一种人体动作捕捉系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人体动作捕捉系统和方法，包括单片机，所述单片机的输入端通过导线与数据采集单元的输出端电性连接，所述单片机的输出端通过导线与汇总单元的输入端电性连接，且汇总单元的输出端通过导线与数据处理系统的输入端电性连接，所述单片机通过无线与互补滤波模块实现双向连接，本发明涉及动作捕捉技术领域。该人体动作捕捉系统和方法，可实现在动作捕捉的过程中，加快了人体姿态的解算时间以及捕捉的实时性，从而提高了捕捉的精度，同时在当人体动作拍摄后的图像数据不完整时，或是图像数据上标记点出现位置重叠以及遮挡时，可进行手动干预修复，提高了缺失点的修复精度，保证了后续三维动画的制作质量。
Description
技术领域
本发明涉及动作捕捉技术领域，具体为一种人体动作捕捉系统和方法。
背景技术
动作捕捉是运动物体的关键部位设置跟踪器，意同：运动捕捉英文Motioncapture,简称Mocap，技术涉及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面可以由计算机直接理解处理的数据，在运动物体的关键部位设置跟踪器，由Motion capture系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后得到三维空间坐标的数据，当数据被计算机识别后，可以应用在动画制作，步态分析，生物力学，人机工程等领域。
随着科技的快速发展，很多动漫制作公司通过动作捕捉实现人体三维姿态重现从而进行三维动画制作，而在目前的动作捕捉过程中，对人体姿态的解算时间较长，且捕捉的实时性较低，从而最终降低了捕捉的精度，同时当人体动作拍摄后的图像数据不完整时，或是图像数据上标记点出现位置重叠以及遮挡时，相应的标记点位置很难重构从而导致图像数据的缺失，继而会影响到后续的三维动画制作，因此针对以上不足，本发明提供了一种人体动作捕捉系统和方法。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种人体动作捕捉系统和方法，解决了目前的动作捕捉过程中，对人体姿态的解算时间较长，且捕捉的实时性较低，当人体动作拍摄后的图像数据不完整时，或是图像数据上标记点出现位置重叠以及遮挡时，相应的标记点位置很难重构从而导致图像数据缺失的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种人体动作捕捉系统，包括单片机，所述单片机的输入端通过导线与数据采集单元的输出端电性连接，所述单片机的输出端通过导线与汇总单元的输入端电性连接，且汇总单元的输出端通过导线与数据处理系统的输入端电性连接，所述单片机通过无线与互补滤波模块实现双向连接。
所述数据处理系统包括中央处理器，所述中央处理器的输出端通过导线分别与转化模块和无线通信模块的输入端电性连接，所述中央处理器通过无线分别与数据修复单元和动画生成模块实现双向连接，所述中央处理器的输入端通过导线分别与人体模型建立模块、运动数据获取模块、关键节点标记模块以及驱动模块的输出端电性连接，所述运动数据获取模块的输入端通过导线与姿态解算模块的输出端电性连接，所述关键节点标记模块通过无线与人体模型建立模块实现双向连接，所述驱动模块的输入端通过导线与转化模块的输出端电性连接，所述无线通信模块通过无线与动画制作中心实现双向连接。
优选的，所述数据修复单元包括微处理器，所述微处理器通过无线与显示模块实现双向连接。
优选的，所述微处理器的输入端通过导线与标定模块的输出端电性连接，所述微处理器的输入端通过导线与手动修复模块的输出端电性连接。
优选的，所述微处理器的输入端通过导线与追踪模块的输出端电性连接，且追踪模块的输入端通过导线与采集模块的输出端电性连接。
优选的，所述数据采集单元包括加速度传感器、磁场传感器和角速度传感器。
优选的，所述单片机通过无线与存储单元实现双向连接。
本发明还公开了一种人体动作捕捉方法，具体包括以下步骤：
S1、首先通过数据采集单元的角传感器、加速度传感器以及磁场传感器采集人体各个部位中节点的运动数据，通过互补滤波模块内部的互补滤波算法对采集的节点运动数据采用互补滤波算法进行计算，计算得出数据采集节点的空间朝向及空间位置，然后将计算出的数据发送给存储单元内部进行存储，然后将存储单元内部存储的各个节点的运动数据发送至汇总单元内部，通过汇总单元将所有采集节点的运动数据进行汇总，并传输至数据处理系统内部；
S2、通过姿态解算模块对汇总后传输上来的数据进行姿态解算，然后通过运动数据获取模块获取与人体运动相关的运动数据，并通过关键节点标记模块根据预先由人体模型建立模块建立的人体骨骼模型进行相应关键节点的标定，通过转化模块经过转化后的数据通过驱动模块能够驱动骨骼运动；
S3、通过采集模块采集运动物体上多个标记点的两帧或两帧以上运动图像数据，然后由显示模块显示采集运动物体上多个标记点的首帧运动图像数据，然后由追踪模块分别追踪该多个标记点的运动轨迹，以确定帧的缺失点和有效点，若存在缺失点时，然后通过标定模块对缺失点进行标记，并通过手动修复模块接收用户输入的运动图像数据修改信号，并根据该运动图像数据修改信号修改该首帧运动图像数据，以获得全部标记点的完整运动图像数据；
S4、在中央处理器内部根据完整的运动图像数据以及采集节点的空间位置数据，最终通过动画生成模块在相应的软件中生成三维动画，然后中央处理器将生成后的三维动画通过无线通信模块传输至动画制作中心，便于后续的操作。
优选的，所述步骤S1中的数据采集节点包括：头部节点、躯干节点、第一前臂节点、第二前臂节点、第一小腿节点及第二小腿节点。
(三)有益效果
本发明提供了一种人体动作捕捉系统和方法。具备以下有益效果：
(1)、该人体动作捕捉系统和方法，通过单片机的输入端通过导线与数据采集单元的输出端电性连接，单片机的输出端通过导线与汇总单元的输入端电性连接，且汇总单元的输出端通过导线与数据处理系统的输入端电性连接，单片机通过无线与互补滤波模块实现双向连接，数据处理系统包括中央处理器，中央处理器的输出端通过导线分别与转化模块和无线通信模块的输入端电性连接，中央处理器通过无线分别与数据修复单元和动画生成模块实现双向连接，中央处理器的输入端通过导线分别与人体模型建立模块、运动数据获取模块、关键节点标记模块以及驱动模块的输出端电性连接，运动数据获取模块的输入端通过导线与姿态解算模块的输出端电性连接，关键节点标记模块通过无线与人体模型建立模块实现双向连接，驱动模块的输入端通过导线与转化模块的输出端电性连接，无线通信模块通过无线与动画制作中心实现双向连接，可实现在动作捕捉的过程中，加快了人体姿态的解算时间以及捕捉的实时性，从而提高了捕捉的精度，同时在当人体动作拍摄后的图像数据不完整时，或是图像数据上标记点出现位置重叠以及遮挡时，可进行手动干预修复，提高了缺失点的修复精度，保证了后续三维动画的制作质量。
(2)、该人体动作捕捉系统和方法，通过中央处理器的输入端通过导线分别与人体模型建立模块、运动数据获取模块、关键节点标记模块以及驱动模块的输出端电性连接，运动数据获取模块的输入端通过导线与姿态解算模块的输出端电性连接，关键节点标记模块通过无线与人体模型建立模块实现双向连接，通过关键点标定模块可根据预先由人体模型建立模块建立的人体骨骼模型，进行相应关键节点的标定，通过转化模块经过转化后的数据通过驱动模块能够驱动骨骼运动。
(3)、该人体动作捕捉系统和方法，通过中央处理器的输出端通过导线分别与转化模块和无线通信模块的输入端电性连接，无线通信模块通过无线与动画制作中心实现双向连接，可实现将生成后的三维动画通过无线通信模块传输至动画制作中心，便于后续的操作。
附图说明
图1为本发明系统的结构原理框图；
图2为本发明数据修复单元的结构原理框图；
图3为本发明数据处理系统的结构原理框图；
图4为本发明数据采集单元的结构原理框图。
图中：1-单片机、2-数据采集单元、21-加速度传感器、22-磁场传感器、23-角速度传感器、3-汇总单元、4-数据处理系统、41-中央处理器、42-转化模块、43-无线通信模块、44-数据修复单元、441-微处理器、442-显示模块、443-标定模块、444-手动修复模块、445-追踪模块、446-采集模块、45-动画生成模块、46-人体模型建立模块、47-运动数据获取模块、48-关键节点标记模块、49-驱动模块、410-姿态解算模块、411-动画制作中心、5-互补滤波模块、6-存储单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明实施例提供一种技术方案：一种人体动作捕捉系统，可实现在动作捕捉的过程中，加快了人体姿态的解算时间以及捕捉的实时性，从而提高了捕捉的精度，同时在当人体动作拍摄后的图像数据不完整时，或是图像数据上标记点出现位置重叠以及遮挡时，可进行手动干预修复，提高了缺失点的修复精度，保证了后续三维动画的制作质量，包括单片机1，单片机1的输入端通过导线与数据采集单元2的输出端电性连接，单片机1的输出端通过导线与汇总单元3的输入端电性连接，且汇总单元3的输出端通过导线与数据处理系统4的输入端电性连接，单片机1通过无线与互补滤波模块5实现双向连接。
本发明实施例中，数据处理系统4包括中央处理器41，中央处理器41的输出端通过导线分别与转化模块42和无线通信模块43的输入端电性连接，中央处理器41通过无线分别与数据修复单元44和动画生成模块45实现双向连接，中央处理器41的输入端通过导线分别与人体模型建立模块46、运动数据获取模块47、关键节点标记模块48以及驱动模块49的输出端电性连接，通过关键节点标记模块48可根据预先由人体模型建立模块46建立的人体骨骼模型，进行相应关键节点的标定，通过转化模块42经过转化后的数据通过驱动模块49能够驱动骨骼运动，运动数据获取模块47的输入端通过导线与姿态解算模块410的输出端电性连接，关键节点标记模块48通过无线与人体模型建立模块46实现双向连接，驱动模块49的输入端通过导线与转化模块42的输出端电性连接，无线通信模块43通过无线与动画制作中心411实现双向连接，可实现将生成后的三维动画通过无线通信模块43传输至动画制作中心411，便于后续的操作。
本发明实施例中，数据修复单元44包括微处理器441，微处理器441通过无线与显示模块442实现双向连接。
本发明实施例中，微处理器441的输入端通过导线与标定模块443的输出端电性连接，微处理器441的输入端通过导线与手动修复模块444的输出端电性连接。
本发明实施例中，微处理器441的输入端通过导线与追踪模块445的输出端电性连接，且追踪模块445的输入端通过导线与采集模块446的输出端电性连接。
本发明实施例中，数据采集单元2包括加速度传感器21、磁场传感器22和角速度传感器23。
本发明实施例中，单片机1通过无线与存储单元6实现双向连接。
本发明还公开了一种人体动作捕捉方法，具体包括以下步骤：
S1、首先通过数据采集单元2的角传感器23、加速度传感器21以及磁场传感器22采集人体各个部位中节点的运动数据，通过互补滤波模块5内部的互补滤波算法对采集的节点运动数据采用互补滤波算法进行计算，计算得出数据采集节点的空间朝向及空间位置，然后将计算出的数据发送给存储单元6内部进行存储，然后将存储单元6内部存储的各个节点的运动数据发送至汇总单元3内部，通过汇总单元3将所有采集节点的运动数据进行汇总，并传输至数据处理系统4内部；
S2、通过姿态解算模块410对汇总后传输上来的数据进行姿态解算，然后通过运动数据获取模块47获取与人体运动相关的运动数据，并通过关键节点标记模块48根据预先由人体模型建立模块46建立的人体骨骼模型进行相应关键节点的标定，通过转化模块42经过转化后的数据通过驱动模块49能够驱动骨骼运动；
S3、通过采集模块446采集运动物体上多个标记点的两帧或两帧以上运动图像数据，然后由显示模块442显示采集运动物体上多个标记点的首帧运动图像数据，然后由追踪模块445分别追踪该多个标记点的运动轨迹，以确定帧的缺失点和有效点，若存在缺失点时，然后通过标定模块443对缺失点进行标记，并通过手动修复模块444接收用户输入的运动图像数据修改信号，并根据该运动图像数据修改信号修改该首帧运动图像数据，以获得全部标记点的完整运动图像数据；
S4、在中央处理器41内部根据完整的运动图像数据以及采集节点的空间位置数据，最终通过动画生成模块45在相应的软件中生成三维动画，然后中央处理器41将生成后的三维动画通过无线通信模块43传输至动画制作中心411，便于后续的操作。
本发明实施例中，步骤S1中的数据采集节点包括：头部节点、躯干节点、第一前臂节点、第二前臂节点、第一小腿节点及第二小腿节点。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种人体动作捕捉系统，其特征在于：包括单片机(1)，所述单片机(1)的输入端通过导线与数据采集单元(2)的输出端电性连接，所述单片机(1)的输出端通过导线与汇总单元(3)的输入端电性连接，且汇总单元(3)的输出端通过导线与数据处理系统(4)的输入端电性连接，所述单片机(1)通过无线与互补滤波模块(5)实现双向连接；
所述数据处理系统(4)包括中央处理器(41)，所述中央处理器(41)的输出端通过导线分别与转化模块(42)和无线通信模块(43)的输入端电性连接，所述中央处理器(41)通过无线分别与数据修复单元(44)和动画生成模块(45)实现双向连接，所述中央处理器(41)的输入端通过导线分别与人体模型建立模块(46)、运动数据获取模块(47)、关键节点标记模块(48)以及驱动模块(49)的输出端电性连接，所述运动数据获取模块(47)的输入端通过导线与姿态解算模块(410)的输出端电性连接，所述关键节点标记模块(48)通过无线与人体模型建立模块(46)实现双向连接，所述驱动模块(49)的输入端通过导线与转化模块(42)的输出端电性连接，所述无线通信模块(43)通过无线与动画制作中心(411)实现双向连接。
2.根据权利要求1所述的一种人体动作捕捉系统，其特征在于：所述数据修复单元(44)包括微处理器(441)，所述微处理器(441)通过无线与显示模块(442)实现双向连接。
3.根据权利要求2所述的一种人体动作捕捉系统，其特征在于：所述微处理器(441)的输入端通过导线与标定模块(443)的输出端电性连接，所述微处理器(441)的输入端通过导线与手动修复模块(444)的输出端电性连接。
4.根据权利要求2所述的一种人体动作捕捉系统，其特征在于：所述微处理器(441)的输入端通过导线与追踪模块(445)的输出端电性连接，且追踪模块(445)的输入端通过导线与采集模块(446)的输出端电性连接。
5.根据权利要求1所述的一种人体动作捕捉系统，其特征在于：所述数据采集单元(2)包括加速度传感器(21)、磁场传感器(22)和角速度传感器(23)。
6.根据权利要求1所述的一种人体动作捕捉系统，其特征在于：所述单片机(1)通过无线与存储单元(6)实现双向连接。
7.一种人体动作捕捉方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1、首先通过数据采集单元(2)的角传感器(23)、加速度传感器(21)以及磁场传感器(22)采集人体各个部位中节点的运动数据，通过互补滤波模块(5)内部的互补滤波算法对采集的节点运动数据采用互补滤波算法进行计算，计算得出数据采集节点的空间朝向及空间位置，然后将计算出的数据发送给存储单元(6)内部进行存储，然后将存储单元(6)内部存储的各个节点的运动数据发送至汇总单元(3)内部，通过汇总单元(3)将所有采集节点的运动数据进行汇总，并传输至数据处理系统(4)内部；
S2、通过姿态解算模块(410)对汇总后传输上来的数据进行姿态解算，然后通过运动数据获取模块(47)获取与人体运动相关的运动数据，并通过关键节点标记模块(48)根据预先由人体模型建立模块(46)建立的人体骨骼模型进行相应关键节点的标定，通过转化模块(42)经过转化后的数据通过驱动模块(49)能够驱动骨骼运动；
S3、通过采集模块(446)采集运动物体上多个标记点的两帧或两帧以上运动图像数据，然后由显示模块(442)显示采集运动物体上多个标记点的首帧运动图像数据，然后由追踪模块(445)分别追踪该多个标记点的运动轨迹，以确定帧的缺失点和有效点，若存在缺失点时，然后通过标定模块(443)对缺失点进行标记，并通过手动修复模块(444)接收用户输入的运动图像数据修改信号，并根据该运动图像数据修改信号修改该首帧运动图像数据，以获得全部标记点的完整运动图像数据；
S4、在中央处理器(41)内部根据完整的运动图像数据以及采集节点的空间位置数据，最终通过动画生成模块(45)在相应的软件中生成三维动画，然后中央处理器(41)将生成后的三维动画通过无线通信模块(43)传输至动画制作中心(411)，便于后续的操作。
8.根据权利要求7所述的一种人体动作捕捉方法，其特征在于：所述步骤S1中的数据采集节点包括：头部节点、躯干节点、第一前臂节点、第二前臂节点、第一小腿节点及第二小腿节点。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210330 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |