CN113925497B - 一种基于双目视觉测量系统的汽车乘员乘坐姿态提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双目视觉测量系统的汽车乘员乘坐姿态提取方法，属于汽车人机工程技术领域，包含以下步骤：步骤一：为实验人员的肢体上固定上事先准备好的扎带，扎带从下到上分别绑在人体解剖学标记点位置上；步骤二：让实验人员以实验所需要的驾驶姿势坐在驾驶台架上，使用双目视觉测量系统对其拍摄侧面照片，导出各个标记点的初始三维坐标数据并进行计算；步骤三：根据各个标记点的解剖学比例关系计算出骨骼线位置和关节点，根据骨骼线位置和关节点求出所需的姿态角度。其通过双目视觉测量系统来得出驾驶员肢体上解剖学标记点的坐标，在对其进行计算等步骤，提取出汽车乘员的乘坐姿态。

Description

一种基于双目视觉测量系统的汽车乘员乘坐姿态提取方法

技术领域

本发明属于汽车人机工程技术领域，具体涉及一种基于双目视觉测量系统的汽车乘员乘坐姿态提取方法。

背景技术

在汽车工程的研究领域中，舒适性问题一直是研究中的热点之一，舒适性不仅会影响到新车型产品的前期设计，而且对现车型产品的评价至关重要。在对舒适性进行研究时通常会从主观和客观两个角度来进行，舒适性的客观评价方法主要包括：体压测量法、生物电信息分析方法、乘坐姿态和运动仿真等。乘坐姿态不仅本身就是一个很重要的评价指标，而且在体压测量法和运动仿真中起到了重要作用，因此如何将乘坐姿态方便、快速地提取出来就显得格外重要。

就目前来看，姿态测量估计方法主要有三种：

1.光学跟踪体表标记点法，其佩戴方便，运动受限小，采样速率高，动态静态都能跟踪，缺点是整体成本昂贵，环境要求高，系统安装繁琐，标记点易混淆和遮挡，而且后期处理工作量大；

2.惯性传感器法，通过传感器内部的陀螺仪来跟踪求解人体的姿态，动态静态都能跟踪，缺点在于求解精度通常不是很高，因为惯性传感器通常跟踪的是刚体的姿态角度，一旦某个传感器由于松动、触碰导致有不准确的情况，就严重影响求解精度；

3.静态姿势测量，这种方法由美国密歇根大学开发，利用点接触式坐标测量机测量人体的标记点，进而计算关节点和运动学骨架，准确度也比较高。缺点是只适用于跟踪静态姿态，动态姿态无法跟踪。另外，需要点接触坐标测量机配合，另外还需要定制特殊座椅，因此也需要不少的硬件投入。

对于驾驶姿势的研究，主要关注人体肢体在人体矢状面内投影的姿态角度，因此其测量也是主要获得人体肢体在人体矢状面内投影的姿态角度，这样其姿态的测量就不要求所测量的关节点坐标在人体冠状面的坐标的准确性很高。为了实现这种静态姿态的准确测量、大大降低硬件成本，本专利将介绍一种普遍适用的乘坐姿态提取方法，能够利用双目视觉测量系统获得被试人员侧面照片，进而得出汽车乘员处于乘坐姿态时肢体上的解剖学标记点坐标，然后由计算得出解剖学标记点所对应的骨骼线位置和主要关节点坐标(以及人体某些特征点，如足跟点、眼点等)。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种基于双目视觉测量系统的汽车乘员乘坐姿态提取方法，其通过双目视觉测量系统来得出驾驶员肢体上解剖学标记点的坐标，在对其进行计算等步骤，提取出汽车乘员的乘坐姿态。

本发明通过如下技术方案实现：

一种基于双目视觉测量系统的驾驶姿态提取方法，包含以下步骤：

步骤一：为实验人员的肢体上固定上事先准备好的扎带，扎带从下到上分别绑在人体解剖学标记点位置上；

步骤二：让实验人员以实验所需要的驾驶姿势坐在驾驶台架上，使用双目视觉测量系统对其拍摄侧面照片，导出各个标记点的初始三维坐标数据并进行计算；

步骤三：根据各个标记点的解剖学比例关系计算出骨骼线位置和关节点，根据骨骼线位置和关节点求出所需的姿态角度。

进一步地，所述步骤一的过程如下：

依次为实验人员固定上事先准备好的8条扎带，扎带上有黑色标记点，固定位置及次序分别是小腿上靠近踝关节、小腿上靠近膝关节、大腿上靠近膝关节、大腿上靠近胯关节、前臂上靠近腕关节、前臂上靠近肘关节、大臂上靠近肘关节及大臂上靠近肩关节(将其可按次序编号为1～8)；每两条扎带可以确定一个肢体骨骼位置，这样，扎带1、2确定了胫骨走势和位置，扎带3、4确定了股骨走势和位置，扎带5、6确定了尺骨走势和位置，扎带7、8确定了肱骨走势和位置；这样人体四肢骨骼线大致位置就确定了。

进一步地，所述步骤二的过程如下：

通过调节台架座椅位置让实验人员以实验所需的驾驶姿态坐于驾驶台架的座椅上，右脚置于加速踏板上，左脚置于地板平面上，双手握住方向盘，保持该驾驶姿态；然后将实验人员所固定扎带上的黑色标记点旋转调整至肢体直径一半的位置并使其在相机镜头内能清晰可见，使用双目视觉测量系统进行拍照；然后让实验人员指出自己的肋骨最低点和肩峰点，进行拍照记录，对比标定板已经得到的数据进行相应的处理，导出各个标记点的三维坐标，这些标记点分别为记为A_i(i＝1～8)、B_i(i＝1～8)、C_i(i＝1～2)、D_i(i＝1～3)，其中，A_i为图像上能直接标记出来的肢体轮廓点，B_i为扎带上事先画好的肢体中心点，C_i为实验中能够让实验人员指向的特征点，其中，C₁为肋骨肩峰点，C₂为肋骨最低点，D_i为图像上能直接标记出来的特征点，其中，D₁为耳点，D₂为BOF点，D₃为AHP点。

进一步地，所述步骤三的过程如下：

由于在进行实验时，每个扎带上有事先标记好的肢体中心点B_i以及通过标记出来的肢体轮廓点的上边界A_i，可以确定下边界位置a_i,根据L₁、L₂的比例关系能够确定骨骼经过的点P_i(i＝1～8)，L₁为A_i到骨骼线的距离，L₂为a_i到骨骼线的距离，测量出L₁与L₂的比例关系，可求解出P_i点坐标位置，这些P_i点即为肢体骨骼线经过的点，具体计算方式见式(1)：

其中，(x₀，y₀)为待求骨骼线经过的点(P_i)的坐标，(x₁，y₁)为肢体中心点B_i的坐标，(x₂，y₂)为通过标记出来的肢体轮廓点的上边界A_i的坐标。

进而，由两骨骼线交点可以确定关节位置，由此，膝关节可由胫骨与股骨骨骼线确定，记为E₁；胯关节点位置可由股骨骨骼线与肩峰点、肋骨最下点的连线确定，记为E₂；肘关节可由尺骨骨骼线与肱骨骨骼线确定，记为E₃；肩关节可由肱骨骨骼线与肩峰点、肋骨最下点连线确定，记为E₄；

腰椎L2、L3根据扎带上的比例关系可确定，这条扎带位置根据肋骨最下端来定位；肩峰点沿着垂直于肩峰点、肋骨最下点连线的方向背部方向偏移脖颈宽度1/4处就是颈关节点；这样就求解出各骨骼线交点位置，具体计算方式见式(2)：

其中，(Y，X)是骨骼线交点位置，(x₁，y₁)和(x₂，y₂)、(x₃，y₃)和(x₄，y₄)分别为两条骨骼线上的两个点。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明的一种基于双目视觉测量系统的驾驶姿态提取方法，具有大大降低硬件成本、不易受到外部实验环境影响、大批量准确快速处理数据结果等优点。

附图说明

图1为本发明的实验扎带固定位置及标记点位置示意图；

图2为本发明的由扎带确定骨骼线与扎带交点示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所述领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

一种基于双目视觉测量系统的驾驶姿态提取方法，包含以下步骤：

步骤一：根据驾驶舱布置参数对驾驶测量台架进行调整，为实验人员的肢体上固定上事先准备好的扎带，扎带从下到上分别绑在人体解剖学标记点位置上；

首先对驾驶台架的布置参数进行校准：选取驾驶台架上的特征点(能够用于建立x-z平面坐标系的点)使用双目视觉测量系统进行标定测量(方法不唯一，本课题组自主开发的软件系统3DMeasurement可实现相应目标，简化过程)，确定误差大小，然后将H点装置放置于驾驶台架的座椅上，根据驾驶舱布置参数以及各参数具体对应驾驶舱位置，对驾驶台架进行相应调整；所述驾驶舱布置参数分别为SgRP到AHP的垂直距离、SgRP至AHP的水平距离、踏板平面倾角、转向盘中心到AHP的水平距离、转向盘中心到AHP的垂直距离、转向盘倾角、H点装置躯干角及座垫倾角。

具体地，结合步骤一以及某车型驾驶室布置尺寸数据(如表1及表2)对静态驾驶台架的布置参数进行校准调整。本实例过程中所使用的双目视觉测量系统的软硬件主要组成包括：高精度专业级数码相机、固定支架、标定板及数据采集处理系统(3DMeasurement)，软件系统的功能是实现标定、静态图像拍摄、图像上标记点三维坐标的计算及结果输出。

表1驾驶舱布置参数代号与含义

表2驾驶舱关键布置参数

如图1所示，依次为实验人员固定上事先准备好的8条扎带，扎带上有黑色标记点，固定位置及次序分别是小腿上靠近踝关节、小腿上靠近膝关节、大腿上靠近膝关节、大腿上靠近胯关节、前臂上靠近腕关节、前臂上靠近肘关节、大臂上靠近肘关节及大臂上靠近肩关节(将其可按次序编号为1～8)；每两条扎带可以确定一个肢体骨骼位置，这样，扎带1、2确定了胫骨走势和位置，扎带3、4确定了股骨走势和位置，扎带5、6确定了尺骨走势和位置，扎带7、8确定了肱骨走势和位置；这样人体四肢骨骼线大致位置就确定了；

步骤二：让实验人员以实验所需要的驾驶姿势坐在驾驶台架上，使用双目视觉测量系统对其拍摄侧面照片，导出各个标记点的初始三维坐标数据并进行计算；

通过调节台架座椅位置让实验人员以实验所需的驾驶姿态坐于驾驶台架的座椅上，右脚置于加速踏板上，左脚置于地板平面上，双手握住方向盘，保持该驾驶姿态；然后将实验人员所固定扎带上的黑色标记点旋转调整至肢体直径一半的位置并使其在相机镜头内能清晰可见，使用双目视觉测量系统进行拍照；然后让实验人员指出自己的肋骨最低点和肩峰点，进行拍照记录，结合标定数据，在3DMeasurement中对比标定板所得的数据进行标定、计算，导出各个标记点的三维坐标到excel中，这些标记点分别为记为A_i(i＝1～8)、B_i(i＝1～8)、C_i(i＝1～2)、D_i(i＝1～3)，其中，A_i为图像上能直接标记出来的肢体轮廓点，B_i为扎带上事先画好的肢体中心点，C_i为实验中能够让实验人员指向的特征点，其中，C₁为肋骨肩峰点，C₂为肋骨最低点，D_i为图像上能直接标记出来的特征点，其中，D₁为耳点，D₂为BOF点，D₃为AHP点。由于在进行拍照计算各标记点的三维坐标时，全局坐标系是相机坐标系，所以需要经过变换将全局坐标系转变为可以直接进行处理的台架坐标系，这里在本实例中使用了3DMeasurement(该系统中内置了坐标转换)对原三维坐标进行了转换，将转换后的三维坐标导入到CATIA中可视化，在视图的x-z平面中所有点云呈现出近似驾驶员驾驶姿态的样子。

步骤三：根据各个标记点的解剖学比例关系计算出骨骼线位置和关节点，根据骨骼线位置和关节点求出所需的姿态角度。

由于在进行实验时，每个扎带上有事先标记好的肢体中心点B_i以及通过标记出来的肢体轮廓点的上边界A_i，可以确定下边界位置a_i,根据L₁、L₂的比例关系能够确定骨骼经过的点P_i(i＝1～8)，L₁为A_i到骨骼线的距离，L₂为a_i到骨骼线的距离，测量出L₁与L₂的比例关系，可求解出P_i点坐标位置，如图2，这些P_i点即为肢体骨骼线经过的点，具体计算方式见式(1)：

其中，(x₀，y₀)为待求骨骼线经过的点(P_i)的坐标，(x₁，y₁)为肢体中心点B_i的坐标，(x₂，y₂)为通过标记出来的肢体轮廓点的上边界A_i的坐标。

进而，由两骨骼线交点可以确定关节位置，由此，膝关节可由胫骨与股骨骨骼线确定，记为E₁；胯关节点位置可由股骨骨骼线与肩峰点、肋骨最下点的连线确定，记为E₂；肘关节可由尺骨骨骼线与肱骨骨骼线确定，记为E₃；肩关节可由肱骨骨骼线与肩峰点、肋骨最下点连线确定，记为E₄；

L2、L3腰椎根据扎带上的比例关系可确定，这条扎带位置根据肋骨最下端来定位；肩峰点沿着垂直于肩峰点、肋骨最下点连线的方向背部方向偏移脖颈宽度1/4处就是颈关节点，可求解出各骨骼线交点位置，具体计算方式见式(2)：

其中，(Y，X)是骨骼线交点位置，(x₁，y₁)和(x₂，y₂)、(x₃，y₃)和(x₄，y₄)分别为两条骨骼线上的两个点。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (2)

1.一种基于双目视觉测量系统的驾驶姿态提取方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：为实验人员的肢体上固定上事先准备好的扎带，扎带从下到上分别绑在人体解剖学标记点位置上；

步骤二：让实验人员以实验所需要的驾驶姿势坐在驾驶台架上，使用双目视觉测量系统对其拍摄侧面照片，导出各个标记点的初始三维坐标数据并进行计算；

步骤三：根据各个标记点的解剖学比例关系计算出骨骼线位置和关节点，根据骨骼线位置和关节点求出所需的姿态角度；

所述步骤三的过程如下：

由于在进行实验时，每个扎带上有事先标记好的肢体中心点B_i以及通过标记出来的肢体轮廓点的上边界A_i，可以确定下边界位置a_i,根据L₁、L₂的比例关系能够确定骨骼经过的点P_i(i＝1～8)，L₁为A_i到骨骼线的距离，L₂为a_i到骨骼线的距离，测量出L₁与L₂的比例关系，可求解出P_i点坐标位置，这些P_i点即为肢体骨骼线经过的点，具体计算方式见式(1)：

其中，(x₀，y₀)为待求骨骼线经过的点P_i的坐标，(x₁，y₁)为肢体中心点B_i的坐标，(x₂，y₂)为通过标记出来的肢体轮廓点的上边界A_i的坐标；

进而，由两骨骼线交点可以确定关节位置，由此，膝关节可由胫骨与股骨骨骼线确定，记为E₁；胯关节点位置可由股骨骨骼线与肩峰点、肋骨最下点的连线确定，记为E₂；肘关节可由尺骨骨骼线与肱骨骨骼线确定，记为E₃；肩关节可由肱骨骨骼线与肩峰点、肋骨最下点连线确定，记为E₄；

腰椎L2、L3根据扎带上的比例关系可确定，这条扎带位置根据肋骨最下端来定位；肩峰点沿着垂直于肩峰点、肋骨最下点连线的方向背部方向偏移脖颈宽度1/4处就是颈关节点；这样就求解出各骨骼线交点位置，具体计算方式见式(2)：

其中，(Y，X)是骨骼线交点位置，(x₁，y₁)和(x₂，y₂)、(x₃，y₃)和(x₄，y₄)分别为两条骨骼线上的两个点；

其中，所述步骤一的过程如下：

依次为实验人员固定上事先准备好的8条扎带，扎带上有黑色标记点，固定位置及次序分别是小腿上靠近踝关节、小腿上靠近膝关节、大腿上靠近膝关节、大腿上靠近胯关节、前臂上靠近腕关节、前臂上靠近肘关节、大臂上靠近肘关节及大臂上靠近肩关节，将其可按次序编号为1-8；每两条扎带可以确定一个肢体骨骼位置，这样，扎带1、2确定了胫骨走势和位置，扎带3、4确定了股骨走势和位置，扎带5、6确定了尺骨走势和位置，扎带7、8确定了肱骨走势和位置；这样人体四肢骨骼线大致位置就确定了。

2.如权利要求1所述的一种基于双目视觉测量系统的驾驶姿态提取方法，其特征在于，所述步骤二的过程如下：

通过调节台架座椅位置让实验人员以实验所需的驾驶姿态坐于驾驶台架的座椅上，右脚置于加速踏板上，左脚置于地板平面上，双手握住方向盘，保持该驾驶姿态；然后将实验人员所固定扎带上的黑色标记点旋转调整至肢体直径一半的位置并使其在相机镜头内能清晰可见，使用双目视觉测量系统进行拍照；然后让实验人员指出自己的肋骨最低点和肩峰点，进行拍照记录，对比标定板已经得到的数据进行相应的处理，导出各个标记点的三维坐标，这些标记点分别为记为A_i(i＝1～8)、B_i(i＝1～8)、C_i(i＝1～2)、D_i(i＝1～3)，其中，A_i为图像上能直接标记出来的肢体轮廓点，B_i为扎带上事先画好的肢体中心点，C_i为实验中能够让实验人员指向的特征点，其中，C₁为肋骨肩峰点，C₂为肋骨最低点，D_i为图像上能直接标记出来的特征点，其中，D₁为耳点，D₂为BOF点，D₃为AHP点。