一種混合運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是關(guān)于運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)，特別是關(guān)于一種混合運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于體育運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作捕捉與分析。運(yùn)動(dòng)捕捉技 術(shù)可以以數(shù)字的方式記錄對象的動(dòng)作，當(dāng)前常用的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)主要包括光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉 和基于慣性傳感器的運(yùn)動(dòng)捕捉。
[0003] 光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)包含多個(gè)相機(jī)，環(huán)繞待測物體排列，待測物體的運(yùn)動(dòng)范圍處 于相機(jī)的重疊區(qū)域。待測物體的關(guān)鍵部位貼上一些特質(zhì)的反光點(diǎn)或者發(fā)光點(diǎn)作為視覺識(shí)別 和處理的標(biāo)識(shí)。系統(tǒng)標(biāo)定后，相機(jī)連續(xù)拍攝物體的運(yùn)動(dòng)并把圖像序列保存下來進(jìn)行分析和 處理，計(jì)算每一個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)在某一瞬間的空間位置，并從而得到其準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)軌跡。光學(xué)式運(yùn) 動(dòng)捕捉的優(yōu)點(diǎn)是沒有機(jī)械裝置、有線電纜等的限制，允許物體的運(yùn)動(dòng)范圍較大，并且采樣頻 率較高。但是這種系統(tǒng)只能捕捉相機(jī)重疊區(qū)域的物體運(yùn)動(dòng)，而且當(dāng)運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜時(shí)，標(biāo)識(shí)容 易混淆和遮擋，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。
[0004] 傳統(tǒng)的機(jī)械式慣性傳感器長期應(yīng)用于飛機(jī)、船舶的導(dǎo)航，隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS) 技術(shù)的高速發(fā)展，微型慣性傳感器的技術(shù)成熟，近年來，人們開始嘗試基于微型慣性傳感器 的運(yùn)動(dòng)捕捉?；痉椒ㄊ前褢T性測量單元（IMU)連接到待測物體上并跟隨待測物體一起運(yùn) 動(dòng)。慣性測量單元通常包括微加速度計(jì)（測量加速度信號(hào)）以及微陀螺儀（測量角速度信 號(hào)），通過對加速度信號(hào)的二次積分以及陀螺儀信號(hào)的積分，可以得到待測物體的位置信息 以及方位信息。由于MEMS技術(shù)的應(yīng)用，IMU的尺寸和重量可以做的很小，從而對待測物體 的運(yùn)動(dòng)影響很小，并且對于場地的要求低，不受光線以及遮擋的影響，允許的運(yùn)動(dòng)范圍大。 但是基于慣性的運(yùn)動(dòng)捕捉存在積分漂移導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)捕捉的精度降低。
[0005] 美國專利US8203487揭示了一種結(jié)合超寬帶（UWB)測量和MEMS慣性測量的運(yùn)動(dòng) 捕捉系統(tǒng)與方法。該系統(tǒng)包括：1)傳感器單元，包含一個(gè)或者多個(gè)UWB脈沖發(fā)射器以及一 系列的慣性傳感器；2) -系列UWB接收器單元，遠(yuǎn)程接收UWB發(fā)射器發(fā)送來的脈沖信號(hào)，以 獲得每個(gè)傳感器的到達(dá)時(shí)間（TOA)，其中UWB發(fā)射器與慣性傳感器在硬件上進(jìn)行了同步；3) 接收處理器，接收到達(dá)時(shí)間信息以及慣性信息，并對這些信息進(jìn)行整合處理以獲取對象的 位置和姿態(tài)。
[0006] 上述系統(tǒng)采用UWB來跟慣性傳感器結(jié)合使用進(jìn)行定位，由于UWB的定位精度較差， 雖然通過慣性傳感器的結(jié)合以及一定的算法處理使得捕捉的運(yùn)動(dòng)軌跡比較平滑，但是對于 提升定位精度幫助有限。同時(shí)，UWB定位只能進(jìn)行水平面內(nèi)的定位，對于豎直方向不能進(jìn)行 定位，上述技術(shù)方案采用壓力計(jì)來克服這個(gè)問題，但是壓力計(jì)本身的定位精度也比較差。此 外，該方案需要架設(shè)多個(gè)接收器，對于需要變換場景的運(yùn)動(dòng)捕捉，設(shè)備的重新架設(shè)和調(diào)試耗 時(shí)較長。
[0007] 美國專利US20130028469 (公開號(hào)）將光學(xué)標(biāo)識(shí)點(diǎn)與慣性傳感器結(jié)合進(jìn)行對象位 置和姿態(tài)的捕捉，通過一個(gè)標(biāo)識(shí)確定單元確定光學(xué)標(biāo)識(shí)點(diǎn)在2D圖像里面的位置，通過一個(gè) 深度確定單元確定光學(xué)標(biāo)識(shí)點(diǎn)在深度圖像中的深度，然后由基于光學(xué)標(biāo)識(shí)的估算器將光學(xué) 標(biāo)識(shí)點(diǎn)在2D圖像中的位置和深度圖中的深度結(jié)合起來獲得標(biāo)識(shí)點(diǎn)的3D位置。同時(shí)通過一 個(gè)慣性傳感器單元獲得基于慣性的姿態(tài)和位置。最后整合估算器根據(jù)對象的速度、位置以 及標(biāo)識(shí)點(diǎn)信號(hào)情況給與基于標(biāo)識(shí)點(diǎn)的位置和基于慣性的位置不同的權(quán)重來獲取最后的整 合位置和姿態(tài)。
[0008] 由于上述方案采用單節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)捕捉方式，不能對多關(guān)節(jié)對象的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)進(jìn)行捕 捉。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明提供一種混合運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)及方法，以將基于光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉和基于慣性的 運(yùn)動(dòng)捕捉的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，同時(shí)能夠避開兩種運(yùn)動(dòng)捕捉方式各自的缺點(diǎn)。
[0010] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供一種混合運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，所述的混合運(yùn)動(dòng) 捕捉系統(tǒng)包括：至少一慣性傳感器模塊，至少一光學(xué)標(biāo)識(shí)，至少兩個(gè)光學(xué)攝像頭及一接收處 理器，所述的慣性傳感器模塊與所述的接收處理器無線連接，所述的光學(xué)攝像頭與所述的 接收處理器有線或無線連接，所述慣性傳感器模塊及光學(xué)標(biāo)識(shí)安裝在待測量對象上；其中， [0011] 所述的慣性傳感器模塊，用于測量自身的慣性信息及空間姿態(tài)信息；
[0012] 所述的光學(xué)攝像頭，用于獲取所述光學(xué)標(biāo)識(shí)的圖像信息；
[0013] 所述的接收處理器，接收所述的慣性信息、空間姿態(tài)信息及圖像信息，根據(jù)所述的 慣性信息及空間姿態(tài)信息生成基于慣性的位置信息；根據(jù)所述的圖像信息生成基于光學(xué)標(biāo) 識(shí)點(diǎn)的位置信息，并將所述基于慣性的位置信息及基于光學(xué)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的位置信息進(jìn)行整合， 生成所述待測對象的位置信息。
[0014] 在一實(shí)施例中，所述的慣性傳感器模塊包括：
[0015] 三軸MEMS加速度計(jì)，用于測量所述慣性傳感器模塊自身的加速度信息；
[0016] 三軸MEMS陀螺儀，用于測量所述慣性傳感器模塊自身的角速度信息；
[0017] 三軸MEMS磁力計(jì)，用于測量所述慣性傳感器模塊自身的地磁向量；
[0018] CPU，連接所述的三軸MEMS加速度計(jì)、三軸MEMS陀螺儀及三軸MEMS磁力計(jì)，用于 對所述的角速度信息進(jìn)行積分，生成動(dòng)態(tài)空間方位，根據(jù)所述的加速度信息及地磁向量生 成靜態(tài)絕對空間方位，并利用所述靜態(tài)絕對空間方位對所述動(dòng)態(tài)空間方位進(jìn)行修正，生成 所述的空間姿態(tài)信息；
[0019] RF收發(fā)器，連接所述的CPU，用于將所述的空間姿態(tài)信息及慣性信息發(fā)送給所述 的接收處理器，所述慣性信息包括所述的加速度信息及角速度信息。
[0020] 在一實(shí)施例中，部分所述慣性傳感器模塊與所述部分光學(xué)標(biāo)識(shí)兩兩集成在一起， 形成至少一慣性標(biāo)識(shí)點(diǎn)。
[0021] 在一實(shí)施例中，所述的接收處理器具體用于：對所述的加速度進(jìn)行二次積分生成 所述基于慣性的位置信息，然后基于生物力學(xué)約束以及外界約束對所述基于慣性的位置信 息進(jìn)行修正，生成修正后的基于慣性的位置信息。
[0022] 在一實(shí)施例中，所述的接收處理器將所述基于慣性的位置信息及基于光學(xué)標(biāo)識(shí)點(diǎn) 的位置信息進(jìn)行整合時(shí)，具體用于：當(dāng)光學(xué)標(biāo)識(shí)發(fā)生遮擋或者重疊時(shí)，以所述修正后的基于 慣性的位置信息生成所述待測對象的位置信息；當(dāng)重新獲得所述基于光學(xué)標(biāo)識(shí)的位置時(shí)， 計(jì)算基于光學(xué)標(biāo)識(shí)的測量誤差a及基于慣性的測量誤差b，根據(jù)測量誤差a及測量誤差b