[实用新型]人体运动捕获三维再现系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及人体运动捕获三维再现系统，属于人体运动感知获取技术领域。

技术背景

现在，通过对人体的姿态和运动信息的准确获取和分析，能够根据步态的变化推断可能存在的疾病；能够根据运动员的起跳和击球时身体和四肢的轨迹分析问题的所在，从而改进训练；能够准确地跟踪姿态和运动，理解肢体语言，建立高水平的游戏和模拟训练的人机交互，为数字电影、虚拟世界构建栩栩如生的角色。但是由于人体运动的随意性和复杂性，以及人体所在的周围环境的多样性，给实时准确人体运动感知获取技术带来了巨大的挑战。因此，目前急需一种能够不受时空限制和外界环境干扰的人体运动感知和合成技术，实现人体姿态和运动自由式获取和重现，为健康监测、康复训练、舞蹈训练、体育运动分析、电影数字特技、虚拟现实、游戏和人机交互等领域的应用提供技术。

目前，常用的运动捕获技术根据操作和所使用的传感器的类型不同，大致可以分为两类。一类主要使用摄像机阵列，另一类是使用附着在身体上的微型传感器组。使用摄像机的运动捕获系统利用多个高精度高采样率的摄像头捕捉运动者关节上的反射标志，如市场上的产品Vicon。这类系统造价极其昂贵，并且处理的数据量巨大。这方面的专利技术有：申请号为20080192116的美国专利Real-time objects tracking and motion capture in sports events是一个实时运动目标跟踪系统。它使用多个摄像机来检测和跟踪运动目标，但不涉及目标本身的运动细节。专利号为7457439的美国专利System and method for motion capture使用摄像机所获得的运动者身上标志的位置信息以及运动者三维运动模型，恢复出身体的三维运动信息，并利用三维运动模型，比对运动状态。中国专利“基于运动获取的彩色紧身衣”，申请号00264404，设计了一种用色块来编码人体部位的运动获取衣。中国专利“处理被动光学运动获取数据的方法”申请03120688，是一种处理被动光学运动获取数据的方法，包括：获取带有被动光学标记的被摄体的同步多摄像机图像，从获取的数据获得标记的一组三维坐标，确定连续获取中各标记之间在时间上的对应，从而确定附有标记的被摄体的身体部分的位置，以一组所作的标记为基础，确定被摄体运动投影到的运动模型的每个连接的角度，并且计算被摄体的姿势。中国专利“一种对多相机系统的标定方法及装置”，申请号200710062825，是一种多摄像机基于标志点的三维运动信息重建的新方法。

微电子机械系统(MEMS)、微型传感器和无线通信技术的发展使得一种全新的人体运动获取和分析技术成为可能。这类微型传感器体积小、能耗低、测量直接、穿戴方便，同时不受时空限制，非常适合做成穿戴或手持式的运动分析装置。美国专利System and Method forMotion Capture in Natural Environments，IPC8类：AG01C2300FI，USPC类：73510使用放在身体各部位的超声发射源和接收器，测出相应部位的位置，再用惯性传感器测量出的转角来校准位置测量，从而得出身体的运动参数。由于使用了超声传感器和惯性传感器，例如加速度传感器和陀螺仪，从而使整个运动获取系统变得复杂。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服上述已有技术的不足之处，提供一种便携式实时人体运动捕获三维再现系统。

本实用新型是使用了微型传感器的运动获取系统。整个系统以人体运动模型为基础：传感器的放置穿戴、运动参数的估计、运动参数之间的约束、人体三维形象的运动再现，都建立在三维模型的基础之上。

本实用新型包括穿戴式微型传感器实时运动获取装置和人体三维运动形象(Avatar)的实时再现子系统两部分，所获取的运动参数是在整个人体三维坐标下的，是三个自由度；另一方面，也可以推导出该人体相对于全局空间坐标的位置，这样又增加了三个自由度，从而变成六个自由度。本实用新型的这两部分都以人体的运动模型为基础。由于人体由多个相互关联的活动肢体组成，人体运动系统由骨骼通过关节链接在一起组成，人体姿态的变化由人体关节的运动带动人体骨骼和下一层关节的运动来实现。因此，本实用新型建立了一个层次化的人体运动结构模型。在这个模型中，运用了关节之间的相对运动和骨骼位置的变化来描述人体模型的运动。当关节位置发生变化时，依附于该关节的骨骼以及其子关节的位置也随之发生变化。为了描述人体运动，本实用新型定义了人体全局坐标系和各个关节的局部坐标系。