段世梅 孫 倩 陳彥明

人體運(yùn)動捕捉儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

段世梅 孫 倩 陳彥明

人體運(yùn)動捕捉儀是一種用于準(zhǔn)確測量運(yùn)動物體在三維空間運(yùn)動狀況的設(shè)備。它通過排布在空間中的數(shù)個(gè)慣性傳感器，將運(yùn)動物體的運(yùn)動數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至計(jì)算機(jī)并對該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到驅(qū)動三維人體模型的數(shù)據(jù)，用該數(shù)據(jù)驅(qū)動建好的人體骨架模型，從而實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動的再現(xiàn)。本系統(tǒng)選用慣性傳感器為采集工具，以嵌入式操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺，實(shí)現(xiàn)了對人體運(yùn)動的捕捉和再現(xiàn)。

慣性傳感器；人體骨架；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；運(yùn)動捕捉

引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及三維圖像技術(shù)的迅速發(fā)展，精確捕捉人體動作并且進(jìn)行重現(xiàn)，已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。獲取訓(xùn)練中的人體動作，從不同的視角觀察和監(jiān)控人體動作，通過實(shí)時(shí)的運(yùn)動捕捉技術(shù)對訓(xùn)練中出現(xiàn)的問題進(jìn)行技術(shù)診斷與分析，并以視頻和圖像以及量化的數(shù)據(jù)等方式反饋出來，使得訓(xùn)練的糾正更加有的放矢，從而大大提高訓(xùn)練效率和效果，使駕駛訓(xùn)練、體育訓(xùn)練等擺脫純粹的依靠經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)，進(jìn)入科學(xué)化、數(shù)字化的時(shí)代。因此，人體運(yùn)動捕捉在駕駛訓(xùn)練等方面有廣泛的應(yīng)用前景。目前，常用的運(yùn)動捕捉技術(shù)從原理上說可分為機(jī)械式、聲學(xué)式、電磁式和光學(xué)式。聲學(xué)式傳感器成本較低，但對運(yùn)動的捕捉有較大延遲和滯后，實(shí)時(shí)性較差，精度一般不很高。光學(xué)式運(yùn)動捕捉通過對目標(biāo)上特定光點(diǎn)的監(jiān)視和跟蹤來完成運(yùn)動捕捉的任務(wù)，缺點(diǎn)是系統(tǒng)價(jià)格昂貴，雖然它可以實(shí)時(shí)捕捉運(yùn)動，但后處理的工作量較大。電磁式傳感器裝置的定標(biāo)比較簡單，技術(shù)較成熟，成本相對低廉。它的缺點(diǎn)在于對環(huán)境要求嚴(yán)格，在表演場地附近不能有金屬物品，否則會造成電磁場畸變，影響精度。慣性傳感器成本較低，解算方便，故在本系統(tǒng)中選用。

1 模型的建立

由于人體關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的部分在任何時(shí)刻都不會形變，可以用剛體來代表它們。同時(shí)我們假設(shè)各個(gè)線段（即人體骨架）之間的長短比例關(guān)系并不因人而異，這一比例可以從解剖學(xué)中獲得。因此，人體可以看成一個(gè)由關(guān)節(jié)點(diǎn)連接的剛體的集合。如上肢是由肘關(guān)節(jié)連接的上下臂兩個(gè)剛體組成的，上臂與軀干是由肩關(guān)節(jié)連接的。以一條線段來表示一個(gè)剛體，將人體運(yùn)動簡化為人體骨架的運(yùn)動，這樣就得到了一個(gè)由16個(gè)人體關(guān)節(jié)點(diǎn)組成的三維人體骨架模型，如圖1所示。根據(jù)簡化出的三維人體骨架模型，將11個(gè)慣性傳感器分別布置在左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、左大腿、左小腿、右大腿、右小腿、頭、背部和腰部等11個(gè)身體的部位。

2 系統(tǒng)工作原理及硬件組成

人體運(yùn)動捕捉儀是一種用于準(zhǔn)確測量人體在三維空間運(yùn)動狀況的設(shè)備。它的工作原理為，將數(shù)個(gè)慣性傳感器捆綁在人體上，傳感器實(shí)時(shí)捕捉人體骨骼的運(yùn)動數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集軟件（運(yùn)行于嵌入式操作平臺上）對11個(gè)傳感器的運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集到數(shù)據(jù)打包后通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)發(fā)送到人體運(yùn)動PC機(jī)上。人體運(yùn)動顯示軟件（運(yùn)行于人體運(yùn)動PC機(jī)上）通過以太網(wǎng)接收人體運(yùn)動數(shù)據(jù)，通過處理，驅(qū)動三維人體模型，從而實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動的再現(xiàn)。

人體運(yùn)動捕捉儀由肢體運(yùn)動傳感器、嵌入式開發(fā)平臺、人體運(yùn)動PC機(jī)等部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 人體運(yùn)動捕捉儀硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖3 人體運(yùn)動捕捉儀軟件結(jié)構(gòu)框圖

圖1 人體三維骨架模型

3 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

人體運(yùn)動捕捉儀的軟件部分主要包括數(shù)據(jù)采集軟件和人體運(yùn)動顯示軟件，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

a)數(shù)據(jù)采集軟件

數(shù)據(jù)采集軟件是采用嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件，實(shí)現(xiàn)各通道數(shù)據(jù)的采集、整理和發(fā)送，軟件具有快速啟動、靈活配置等功能。主要由嵌入式操作系統(tǒng)、I/O設(shè)備驅(qū)動程序、配置模塊、初始化模塊、系統(tǒng)狀態(tài)處理任務(wù)、串口通道采集任務(wù)、數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)等任務(wù)和功能模塊組成。數(shù)據(jù)采集軟件工作流程見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)采集軟件工作流程

b)人體運(yùn)動顯示軟件

人體運(yùn)動顯示軟件通過以太網(wǎng)，實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)采集軟件發(fā)送的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲，并對前端傳感器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，用實(shí)時(shí)接收來的數(shù)據(jù)，驅(qū)動人體三維模型，完成人體動作的再現(xiàn)，也可以根據(jù)存儲的數(shù)據(jù)，進(jìn)行回放分析。

圖5 人體運(yùn)動顯示軟件運(yùn)行流程圖

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

在人體運(yùn)動捕捉實(shí)驗(yàn)中，慣性傳感器安裝在人體骨骼的關(guān)鍵點(diǎn)上，如圖6所示。對日常生活中人的站立、行走等基本動作進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。圖7為實(shí)驗(yàn)中人體傳感器的安裝效果圖。在該實(shí)驗(yàn)中，慣性傳感器捆綁在人體上，實(shí)時(shí)采集人體的運(yùn)動數(shù)據(jù)，經(jīng)嵌入式操作平臺打包發(fā)送給人體運(yùn)動PC機(jī)，PC機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除野點(diǎn)等處理，用處理過的數(shù)據(jù)驅(qū)動三維人體模型，取得了良好的復(fù)現(xiàn)效果。圖8為人站立動作的再現(xiàn)視圖，圖9為人行走的基本動作在三維視圖中的再現(xiàn)。

5 結(jié)束語

本文通過選用慣性傳感器為工具，以嵌入式操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺，對日常生活中人的常見動作進(jìn)行精確捕捉，并在PC機(jī)上進(jìn)行動作再現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)表明，這種方法成本較低，解算方便，實(shí)時(shí)性好，已經(jīng)應(yīng)用到飛行員的駕駛訓(xùn)練當(dāng)中。在進(jìn)行飛行員的駕駛訓(xùn)練時(shí)，傳統(tǒng)方法是依靠經(jīng)驗(yàn)糾正飛行員的動作。通過人體運(yùn)動捕捉儀，能對訓(xùn)練中出現(xiàn)的問題及時(shí)進(jìn)行診斷與分析，使得訓(xùn)練動作的糾正更加有的放矢，從而大大提高訓(xùn)練效率和效果。

圖6 模型傳感器安裝效果圖

圖7 人體傳感器安裝效果圖

圖8 站立視圖

圖9 行走視圖

[1]朱登明，王兆其，石敏，黃河.一種基于逆運(yùn)動學(xué)的三維虛擬人體運(yùn)動生成方法.2008

[2]肖 俊, 莊越挺, 吳 飛.三維人體運(yùn)動特征可視化與交互式運(yùn)動分割.軟件學(xué)報(bào).2008

[3]莊越挺，劉小明，潘云鶴，楊駿.運(yùn)動圖像序列的人體三維運(yùn)動骨架重建.2007

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.06.010

段世梅（1984），女，碩士，軟件工程師，主要從事飛行仿真技術(shù)研究。