KR20130060441A - Calibration method of motion sensor for motion tracking - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A calibrating method of a motion sensor for tracking motions is provided to accurately calibrate the motion sensor with a simple motion rotating a body portion where the motion sensor is attached. CONSTITUTION: A calibrating method of a motion sensor for tracking motions comprises: a step(120) of calculating a rotation matrix of the motion sensor when a user rotates a body portion where the motion is attached; a step(130) of calculating a rotation matrix of the body portion where the motion sensor is attached; a step(140) of calculating a conversion-rotation matrix converted into the calculated rotation matrix of the body portion based on the rotation sensor of the motion sensor; and a step(150) of calibrating the motion sensor by coinciding a coordinate system of the motion sensor and a coordinate system of the body portion where the motion sensor is attached by using the calculated conversion-rotation matrix. [Reference numerals] (110) Attach a motion sensor to a body portion of a user; (120) Rotate the body portion about a certain axis; (130) Calculate rotation matrices of the motion sensor and the body portion; (140) Calculate a conversion-rotation matrix; (150) Execute calibration of the motion sensor; (AA) Start; (BB) End

Description

동작 추적을 위한 모션 센서의 교정 방법{Calibration Method of Motion Sensor for Motion Tracking}Calibration Method of Motion Sensor for Motion Tracking

본 발명은 동작 추적을 위한 관성 측정 장치의 교정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 관성 측정 장치를 착용한 사용자가 회전 동작을 수행하는 간단한 동작만으로 관성 측정 장치를 교정할 수 있는 직관적이고 정확한 관성 측정 장치의 교정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for calibrating an inertial measurement device for motion tracking, and more particularly, an intuitive and accurate inertial measurement that allows a user wearing the inertial measurement device to calibrate the inertial measurement device with a simple operation of performing a rotational motion. It relates to a calibration method of the device.

모션 캡쳐(Motion-Capture)란 몸에 센서를 부착시켜 인체의 움직임을 디지털 형태로 기록하는 작업을 말한다. 신체 여러 부위에 센서를 부착한 뒤 센서의 데이터를 통해 가상 캐릭터가 같은 동작으로 움직이게 하는 것이 이 기술의 핵심이다. 어떤 실제 물체의 움직임을 수치 데이터로 저장하였다가 컴퓨터로 만든 가상의 물체에 모션 데이터를 넘겨주는 과정을 모션 캡쳐라 할 수 있다.Motion-Capture refers to the task of attaching sensors to the body and recording the movement of the human body in digital form. The key is to attach the sensor to different parts of the body and then move the virtual character in the same motion through the sensor's data. Motion capture is the process of storing the motion of a real object as numerical data and handing it over to a virtual object made by a computer.

모션 캡쳐 기술은 영화나 애니메이션 제작, 스포츠 동작 분석, 재활 분야 등에서 다양하게 사용되고 있다. 주로 몸에 마커를 부착해서 사용하는 광학식 모션캡쳐 장비가 주를 이루었으나, 최근 멤스(MEMS) 기술의 발달로 센서가 경량화, 소형화 되면서 관성 측정 장치(Inertial Measurement Unit; IMU)를 사용한 모션 캡쳐 시스템이 많이 활용되고 있다. 관성 측정 장치는 카메라를 쓰는 광학식 모션 캡쳐 장비와는 달리 공간에 제약을 받지 않고 간편히 사용할 수 있다.Motion capture technology is widely used in film and animation production, sports motion analysis, and rehabilitation. Optical motion capture equipment mainly used by attaching markers to the body was mainly used.However, with the development of MEMS technology, as the sensor is lighter and smaller, the motion capture system using the Inertial Measurement Unit (IMU) It is used a lot. Unlike optical motion capture devices that use cameras, the inertial measurement unit is easy to use without being constrained by space.

모션 캡쳐의 사용자의 편의와 정확도 향상을 위해서는 센서를 임의의 자세로 부착하여도 정상적으로 모션 캡쳐를 할 수 있어야 하며, 이를 위해서 부착된 센서의 자세를 보정해주는 교정(Calibration) 과정, 즉 바디부(body segment)의 좌표계와 센서의 좌표계를 정확히 일치시켜 주는 과정이 필요하다. In order to improve the user's convenience and accuracy of motion capture, the motion capture should be possible even if the sensor is attached at any posture. For this purpose, the calibration process, that is, the body part, is used to correct the posture of the attached sensor. It is necessary to accurately match the coordinate system of the segment with the coordinate system of the sensor.

이때, 관성 센서를 이용한 동작 추적을 위한 캘리브레이션에서는 사용자가 얼마나 정확한 동작을 취하는 지가 오차를 최소화하는데 가장 중요한 요소가 된다. 기존의 캘리브레이션 방법을 사용할 시에는 사용자가 캘리브레이션에 필요한 정확한 동작을 취하기가 어려워 오차가 크게 발생하였다. In this case, in the calibration for motion tracking using an inertial sensor, how accurate the user takes is the most important factor in minimizing the error. When using the existing calibration method, it was difficult for the user to take the correct operation necessary for calibration, which caused a large error.

한국공개특허 제10-2005-0041525호의 경우에도 기존의 광학적 모션 캡쳐 방식만을 설명하고 있을 뿐 관성 센서와 같은 모션 추적에서의 교정 방법에 대해서는 개시하고 있지 않다.Korean Patent Publication No. 10-2005-0041525 also describes only the conventional optical motion capture method, but does not disclose a calibration method in motion tracking such as an inertial sensor.

한국공개특허 제10-2005-0041525호Korean Patent Publication No. 10-2005-0041525

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 단순한 동작만으로 정확한 교정을 수행할 수 있도록 하는 동작 추적을 위한 모션 센서의 교정 방법을 제공하는 데 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a method of calibrating a motion sensor for motion tracking, which enables accurate calibration with only simple motion.

이를 위해 본 발명의 일실시예에 따른 모션 센서의 교정 방법은, 사용자가 모션 센서가 부착된 신체 부위를 회전할 때, 상기 모션 센서의 회전 행렬을 계산하는단계와, 상기 모션 센서가 부착된 상기 신체 부위의 행렬을 계산하는 단계와, 상기 계산된 상기 모션 센서의 회전 행렬에서 상기 계산된 상기 신체 부위의 회전 행렬로의 변환 행렬을 계산하는 단계와, 상기 계산된 변환 회전 행렬을 이용하여 상기 모션 센서의 좌표계와 상기 모션 센서가 상기 신체 부위의 좌표계를 일치시킴으로써 교정하는 단계를 포함한다.To this end, the calibration method of the motion sensor according to an embodiment of the present invention, when the user rotates the body part to which the motion sensor is attached, calculating a rotation matrix of the motion sensor, the motion sensor is attached Calculating a matrix of body parts, calculating a transformation matrix from the calculated rotation matrix of the motion sensor to the calculated rotation matrix of the body parts, and using the calculated transformation rotation matrix Correcting by matching the coordinate system of the sensor with the coordinate system of the body part.

이때, 상기 모션 센서는 관성 센서일 수 있다.In this case, the motion sensor may be an inertial sensor.

또한, 사용자가 사용자가 상기 모션 센서가 부착된 신체 부위를 회전하는 경우 일정한 축을 기준으로 회전할 수 있다.In addition, when the user rotates the body part to which the motion sensor is attached, the user may rotate about a certain axis.

또한, 상기 신체 부위의 회전 행렬을 B, 상기 모션 센서의 회전 행렬을 R, 상기 변환 회전 행렬을 X 라고 할 때,

Figure pat00001
의 관계가 성립하고(
Figure pat00002
는 축의 개수,
Figure pat00003
는 샘플링된 포즈의 개수), 상기 변환 회전 행렬은
Figure pat00004
의 관계식이 성립할 수 있다.Further, when the rotation matrix of the body part is B , the rotation matrix of the motion sensor is R , and the transform rotation matrix is X ,
Figure pat00001
Relationship is established (
Figure pat00002
Is the number of axes,
Figure pat00003
Is the number of sampled poses),
Figure pat00004
The relation of can be established.

본 발명에 따른 모션 센서의 교정 방법은 모션 센서를 착용한 신체 부위를 회전하는 간단한 동작만으로 정확한 교정을 수행할 수 있도록 한다.The calibration method of the motion sensor according to the present invention allows accurate calibration to be performed simply by rotating a body part wearing the motion sensor.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 모션 센서의 교정 방법을 설명하는 순서도이다.
도 2는 사용자가 모션 센서를 신체 부위에 착용 후 회전 운동을 하는 경우의 회전 행렬 사이의 관계를 설명하는 도면이다.
도 3은 사용자가 모션 센서를 신체 부위에 착용 후 회전 운동을 하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 4는 일정한 축을 기준으로 회전 운동을 하는 경우 n 개의 샘플링 포즈에서 회전 행렬을 계산하는 것을 설명하는 도면이다.
도 5는 도 4의 경우에서 축의 개수를 m개로 확장하는 경우를 서명하는 도면이다.1 is a flowchart illustrating a calibration method of a motion sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a relationship between rotation matrices when a user performs a rotational movement after wearing a motion sensor on a body part.
3 is a view for explaining a method for the user to rotate the motion after wearing the motion sensor on the body part.
FIG. 4 is a diagram illustrating calculating a rotation matrix in n sampling poses when performing a rotational motion about a certain axis.
FIG. 5 is a diagram for signing a case in which the number of axes is expanded to m in the case of FIG. 4.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 그러나, 첨부도면 및 이하의 설명은 본 발명에 따른 모션 센서의 교정 방법의 가능한 일실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상은 아래의 내용에 의해 한정되지 아니한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the accompanying drawings and the following description are only possible embodiments of the calibration method of the motion sensor according to the present invention, and the technical idea of the present invention is not limited to the following.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 모션 센서의 교정 방법을 설명하는 순서도이다.1 is a flowchart illustrating a calibration method of a motion sensor according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 모션 센서의 교정 방법은 먼저 관성 센서 등과 같은 모션 센서를 사용자의 특정한 신체 부위에 부착하고(110), 일정한 축을 기준으로 신체 부위를 회전하는 방법을 사용한다(120).1, a method of calibrating a motion sensor according to an embodiment of the present invention first attaches a motion sensor such as an inertial sensor to a specific body part of a user (110), and rotates a body part based on a predetermined axis. (120).

이때, 모션 센서 및 신체 부위의 각 좌표계의 회전 행렬을 연속적으로 계산한다(130).At this time, the rotation matrix of each coordinate system of the motion sensor and the body part is continuously calculated (130).

모션 센서의 회전 행렬 및 신체 부위의 회전 행렬이 계산되면, 이 두 값을 이용하여 모션 센서의 회전 행렬로부터 신체 부위의 회전 행렬로의 변환 회전 행렬(즉, 보정값)을 계산한다(140).Once the rotation matrix of the motion sensor and the rotation matrix of the body part are calculated, the transformation rotation matrix (that is, the correction value) from the rotation matrix of the motion sensor to the rotation matrix of the body part is calculated using these two values (140).

변환 회전 행렬이 계산되면, 이 값을 이용하여 모션 센서에서 측정된 값에 이 변환 회전 행렬을 곱하여 교정(calibration)을 완료한다(150).Once the transformation rotation matrix is calculated, the calibration rotation is completed by multiplying the transformation rotation matrix by the value measured by the motion sensor using this value (150).

이러한 과정을 도 2 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
This process is described in detail with reference to FIGS. 2 to 5 as follows.

도 2는 사용자가 모션 센서를 신체 부위에 착용 후 회전 운동을 하는 경우의 회전 행렬 사이의 관계를 설명하는 도면이다.2 is a diagram illustrating a relationship between rotation matrices when a user performs a rotational movement after wearing a motion sensor on a body part.

사용자의 동작 추적을 위한 모션 센서(10)의 교정은 모션 센서(10)의 좌표계(coordinate frame)으로부터 신체 부위(body segment: 20)의 좌표계(coordinate frame)을 구하는 과정이 필요하며, 이를 위해는 이 두 좌표계 사이의 관계인 변환 회전 행렬을 구해야 한다.Calibration of the motion sensor 10 for tracking a user's motion requires a process of obtaining a coordinate frame of a body segment 20 from a coordinate frame of the motion sensor 10. We need to find the transformation rotation matrix that is the relationship between these two coordinate systems.

사용자가 모션 센서(10)를 특정한 신체 부위(20)에 착용한 후에 일정한 축을 기준으로 회전하고 있을 때, 모션 센서(10)에서 측정된 회전 행렬을 R, 신체 부위(20)의 회전 행렬을 B, 변환 회전 행렬을 X라고 하면 다음과 같은 수식이 성립한다.When the user rotates about a certain axis after putting the motion sensor 10 on a specific body part 20, the rotation matrix measured by the motion sensor 10 is R , and the rotation matrix of the body part 20 is B. If the transformation rotation matrix is X , the following equation is satisfied.

Figure pat00005
Figure pat00005

위의 수식과 관련된 각각의 회전 행렬이 도 2에 도시되어 있다. 도 2에서 {G}는 글로벌 좌표계(global coordinate frame)이며, {S}는 모션 센서(10)의 좌표계(sensor coordinate)이며, {B}는 신체 부위(20)의 좌표계{body segment coordinate frame}를 타나낸다.Each rotation matrix associated with the above equation is shown in FIG. 2. In FIG. 2, {G} is a global coordinate frame, {S} is a sensor coordinate of the motion sensor 10, and {B} is a body segment coordinate frame}. Appears.

모션 센서(10)의 회전 행렬 R은 모션 센서(10)로부터 측정되는 값을 이용하여 계산되며, 신체 부위(20)의 회전 행렬 B는 사용자가 미리 설정된 임의의 축과 임의의 범위로 회전 운동을 취하는 경우에 미리 계산되어 저장되어 있을 수 있다. 물론, 경우에 따라서는 신체 부위(20)의 회전 행렬 B 역시 실시간으로 별도의 센서의 측정값으로 계산될 수도 있다. The rotation matrix R of the motion sensor 10 is calculated using a value measured from the motion sensor 10, and the rotation matrix B of the body part 20 performs a rotational movement in a predetermined range and an arbitrary axis by the user. If taken, it may be precomputed and stored. Of course, in some cases, the rotation matrix B of the body part 20 may also be calculated as a measured value of a separate sensor in real time.

이렇게 회전 행렬 B 및 R이 얻어지면, 수학식 1에 의해서 변환 회전 행렬 X가 계산된다.
When the rotation matrices B and R are thus obtained, the transformation rotation matrix X is calculated by the equation (1).

도 3은 사용자가 모션 센서를 신체 부위에 착용 후 회전 운동을 하는 방법의을 일예를 설명하는 도면이다.3 is a view for explaining an example of a method for the user to rotate the motion after wearing the motion sensor on the body part.

도 3과 같이 사용자(5)가 모션 센서(10)를 자신의 팔인 신체 부위(20)에 착용한 후에 임의의 회전 축을 기준으로 회전 동작을 수행할 수 있다. As shown in FIG. 3, after the user 5 wears the motion sensor 10 to the body part 20 that is his arm, the user 5 may perform a rotation operation based on an arbitrary rotation axis.

이때, 사용자(5)가 회전 동작을 기준이 될 수 있도록 레이저 포인터 등을 이용하여 벽이나 기둥 등에 있는 특정한 직선을 따라 움직이게 할 수 있다. 이렇게 하는 경우 모션 센서(10)가 특정한 축을 중심으로 평면 상에서 회전 운동을 할 수 있도록 한다,At this time, the user 5 can be moved along a specific straight line on the wall or pillar using a laser pointer or the like so as to be a reference for the rotation operation. In this case, the motion sensor 10 allows a rotational motion on a plane about a specific axis.

이러한 과정을 도 3의 A, B, C 구간과 같이 다수 개의 직선에 대해서 실시하도록 할 수 있으며, 이러한 과정 동안 모션 센서(10)의 회전 행렬이 저장되며, 이 저장된 값을 이용하여 교정을 위한 변환 회전 행렬(보정값)을 구하게 된다.
Such a process may be performed for a plurality of straight lines, such as sections A, B, and C of FIG. 3, and during this process, a rotation matrix of the motion sensor 10 is stored, and transformation for calibration using the stored values is performed. Find the rotation matrix (correction).

도 4는 일정한 축을 기준으로 회전 운동을 하는 경우 n 개의 샘플링 포즈에서 회전 행렬을 계산하는 것을 설명하는 도면이다.FIG. 4 is a diagram illustrating calculating a rotation matrix in n sampling poses when performing a rotational motion about a certain axis.

도 3에서 설명한 사용자의 회전 동작은 한 갱의 일정한 축에 대해서 다른 범위로 복수의 회전 동작을 하는 경우일 수도 있지만, 복수 개의 축에 대해서 다른 범위로 복수의 회전 동작을 하는 경우일 수도 있다. The rotational motion of the user described with reference to FIG. 3 may be a case of performing a plurality of rotational motions in a different range with respect to a certain axis of one gang, or may be a case of performing a plurality of rotational motions in a different range with respect to a plurality of axes.

i 번째 축을 기준으로 회전 동작을 하는 경우 j 번째 샘플링 포즈에서의 각각 회전 행렬을 계산하는 경우에는 앞의 수학식 1은 다음과 같이 다시 정리될 수 있다.When the rotation operation is performed with respect to the i th axis When the rotation matrices in the j th sampling pose are respectively calculated, Equation 1 may be rearranged as follows.

Figure pat00006
Figure pat00006

이때,

Figure pat00007
는 i 번째 축을 기준으로 회전 동작을 하는 경우 j 번째 샘플링 포즈에서의 신체 부위의 회전 행렬이며,
Figure pat00008
는 i 번째 축을 기준으로 회전 동작을 하는 경우 j 번째 샘플링 포즈에서의 모션 센서의 회전 행렬을 의미한다.At this time,
Figure pat00007
Is the rotation matrix of the body part in the j th sampling pose when the rotation motion is taken about the i th axis,
Figure pat00008
Denotes a rotation matrix of the motion sensor in the j th sampling pose when the rotation operation is performed with respect to the i th axis.

이때, 임의의 i 번째 축을 기준으로 n개의 샘플링 포즈에서의 신체 부위의 회전 행렬은 다음과 같은 식을 만족한다.In this case, the rotation matrix of the body parts in n sampling poses based on an i th axis satisfies the following equation.

Figure pat00009
Figure pat00009

이때,

Figure pat00010
는 회전 운동시 각속도이며,
Figure pat00011
는 회전 운동의 각도를 의미한다. 위의 수학식 3을 다시 정리하면 다음과 같다.At this time,
Figure pat00010
Is the angular velocity during rotational movement,
Figure pat00011
Means the angle of rotational movement. To sum up Equation 3 above is as follows.

Figure pat00012
Figure pat00012

따라서, 수학식 4로부터 다음의 수학식 5의 식이 유도된다.Therefore, the following equation (5) is derived from equation (4).

Figure pat00013
Figure pat00013

따라서, 변환 회전 행렬 X는 다음의 수학식 6의 최소값을 구함으로써 구해질 수 있다.Therefore, the transformation rotation matrix X can be obtained by obtaining the minimum value of the following equation (6).

Figure pat00014
Figure pat00014

도 5는 도 4의 경우에서 축의 개수를 m개로 확장하는 경우를 서명하는 도면이다.FIG. 5 is a diagram for signing a case in which the number of axes is expanded to m in the case of FIG. 4.

위의 수학식 6의 결과를 m개의 회전 축에 대해서 확장 시키면, 도 5에서 보는 바와 같이 첫 번째 축인 경우

Figure pat00015
의 식이, 두 번째 축인 경우 의 식이 성립하게 되고, m개의 회전 축에 대한 일반적인 식은 다음 수학식 7과 같게 된다.Expanding the result of Equation 6 with respect to m rotation axes, the first axis as shown in Figure 5
Figure pat00015
Is equal to the second axis Equation 7 is established, and a general equation for m rotation axes is given by Equation 7 below.

Figure pat00017
Figure pat00017

따라서, 수학식 7로부터 변환 회전 행렬 X는 다음의 최소화 문제를 풀어서 구할 수 있다.Therefore, the transformation rotation matrix X can be obtained from Equation 7 by solving the following minimization problem.

Figure pat00018
Figure pat00018

이때, SO(3)는 회전 행렬들의 집합을 나타내며, 수학식 8은 주어진 식을 최소화하는 회전행렬 X를 찾는 것을 의미한다. 이렇게 변환 회전 행렬 X가 구해지면, 이후 사람의 신체 부위의 동작의 추정은 모션 센서의 회전 행렬에 변환 회전 행렬 X를 곱합으로써 수행할 수 있게 된다.In this case, SO (3) represents a set of rotation matrices, and Equation 8 means finding a rotation matrix X that minimizes a given equation. When the transformation rotation matrix X is obtained, the estimation of the motion of the human body part can be performed by multiplying the transformation rotation matrix X by the rotation matrix of the motion sensor.

10: 모션 센서 20: 신체 부위 10: motion sensor 20: body parts

Claims (4)

사용자가 모션 센서가 부착된 신체 부위를 회전할 때, 상기 모션 센서의 회전 행렬을 계산하는 단계;
상기 모션 센서가 부착된 상기 신체 부위의 회전 행렬을 계산하는 단계;
상기 계산된 상기 모션 센서의 회전 행렬에서 상기 계산된 상기 신체 부위의 회전 행렬로의 변환 회전 행렬을 계산하는 단계; 및
상기 계산된 변환 회전 행렬을 이용하여 상기 모션 센서의 좌표계와 상기 모션 센서가 부착된 상기 신체 부위의 좌표계를 일치시킴으로써 교정하는 단계를 포함하는 모션 센서의 교정 방법.Calculating a rotation matrix of the motion sensor when the user rotates the body part to which the motion sensor is attached;
Calculating a rotation matrix of the body part to which the motion sensor is attached;
Calculating a transform rotation matrix from the calculated rotation matrix of the motion sensor to the calculated rotation matrix of the body part; And
And calibrating by matching the coordinate system of the motion sensor with the coordinate system of the body part to which the motion sensor is attached using the calculated transform rotation matrix. 제1항에 있어서,
상기 모션 센서는 관성 센서인 것을 특징으로 하는 모션 센서의 교정 방법.The method of claim 1,
And the motion sensor is an inertial sensor. 제1항에 있어서,
사용자가 상기 모션 센서가 부착된 상기 신체 부위를 일정한 축을 기준으로 회전하는 것을 특징으로 하는 모션 센서의 교정 방법.The method of claim 1,
And a user rotating the body part to which the motion sensor is attached based on a predetermined axis. 제3항에 있어서,
상기 신체 부위의 회전 행렬을 B, 상기 모션 센서의 회전 행렬을 R, 상기 변환 회전 행렬을 X 라고 할 때,
Figure pat00019
의 관계가 성립하고(
Figure pat00020
는 축의 개수,
Figure pat00021
는 샘플링된 포즈의 개수),
상기 변환 회전 행렬은
Figure pat00022
의 관계식이 성립하는 것을 특징으로 하는 보행 교정 시스템.The method of claim 3,
When the rotation matrix of the body part is B , the rotation matrix of the motion sensor is R , and the transform rotation matrix is X ,
Figure pat00019
Relationship is established (
Figure pat00020
Is the number of axes,
Figure pat00021
Is the number of sampled poses),
The transformation rotation matrix is
Figure pat00022
Gait correction system, characterized in that the relationship between.
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