[发明专利]惯性运动捕捉姿态瞬时校准方法及其系统

摘要

本发明公布一种惯性运动捕捉姿态瞬时校准方法及其系统，惯性运动捕捉系统包括数据通信模块、一个或多个姿态捕捉模块和数据终端；姿态捕捉模块包括九轴传感器(和微处理器)，其中有一个姿态捕捉模块为基准模块；通过建立系统中的世界坐标系V(w)、捕捉物体坐标系、安装坐标系之间的关系进行姿态瞬时校准。通过本发明，使用者只需采用一个姿势即能瞬间快速完成系统校准，还可在校准过程中进行姿势纠偏和自动快速调整虚拟模型骨骼比例，提高动作节点匹配度，有效解决虚拟模型和实际物体骨骼比例不一致，高度还原被捕捉物体的动作，提高运动捕捉的精准程度。本发明操作简单，极大地节省了捕捉动作的时间。

主权项

1.一种惯性运动捕捉姿态瞬时校准方法，只需通过采用一个姿势，即能瞬间快速完成惯性运动捕捉系统的姿态校准；所述惯性运动捕捉系统包括数据通信模块、一个或多个姿态捕捉模块和数据终端；姿态捕捉模块包括九轴传感器和微处理器或仅包含九轴传感器，选择其中一个姿态捕捉模块作为基准模块；所述姿态瞬时校准方法包括如下步骤：1)姿态捕捉模块直接捕捉并输出的坐标系为世界坐标系，设定世界坐标系为V(w)；根据各个被捕捉的物体所处的坐标系定义物体统一坐标系，设定物体统一坐标系为V(o)；被捕捉的物体和安装的姿态捕捉模块之间的坐标系为安装坐标系，设定安装坐标系为V(a)；设定Vi(a)(i＝1,2,…n)表示第i个物体的安装坐标系；2)采用四元数(x,y,z,w)表示各个姿态捕捉模块的世界坐标系V(w)，其中，x,y,z,w分别表示世界坐标系的其中一个坐标；通过式1将欧拉角转换成四元数，统一各个姿态捕捉模块之间的世界坐标系：Quati(x,y,z,w)＝Etoq(YAWi，0，0)(i＝1,2,…n)    (式1)式1中，Quati(x,y,z,w)为第i个模块的四元数；YAWi为欧拉角绕y轴的旋转角度，其取值通过测量得到；当姿态捕捉模块为基准模块时，设定YAWi＝0；Etoq(yaw,pitch,roll)是欧拉角转换四元数的方法，用式2表示：其中，Quat(x,y,z,w)表示一个四元数；yaw、pitch和roll分别为欧拉角绕y轴、x轴、z轴的旋转角度；3)设定系统虚拟模型和系统标准Tpose，被捕捉物体穿戴上惯性运动捕捉系统并摆好初始校准姿态；定义被捕捉物体的初始姿态Tpose和坐标系；4)获取基准模块的局部坐标系的X轴和被捕捉物体局部坐标系的X轴的相对偏移角度baseangle，获取被捕捉物体保持初始姿态时各个姿态捕捉模块输出的欧拉角的yaw值YAWi，设姿态捕捉模块i安装时的姿态为初始校准姿态Eulor(yawi0,pitchi0,rolli0)，传感器i的姿态输出为Qi，通过计算得到物体i的姿态四元数为Qrlti，由此找出物体坐标系和世界坐标系的关系，从而实现运动捕捉的瞬时校准；具体包括如下步骤：41)在固定在被捕捉物体上的姿态捕捉模块中，基准模块的安装位置和方向要使得基准模块的局部坐标系的X轴和被捕捉物体局部坐标系的X轴的相对偏移角度是一个固定值，该固定值为基准模块的局部坐标系和被捕捉物体的局部坐标系的X轴夹角α与被捕捉物体保持初始姿态时基准模块输出的欧拉角的yaw值β之和，记为baseangle；42)采用姿态捕捉模块安装在物体时的初始姿态来表示物体的安装坐标系，记录初始校准姿态下各姿态捕捉模块的安装坐标系(yawi0，pitchi0，rolli0)；43)通过式3计算得到安装坐标系与世界坐标系的关系：Qi0(x,y,z,w)＝Etoq(yawi0,pitchi0,rolli0)^‑1×Qi    (式3)式3中，Qi0(x,y,z,w)为第i个姿态捕捉模块的安装坐标系与世界坐标系的关系四元数；(yawi0，pitchi0，rolli0)为初始校准姿态下各姿态捕捉模块的安装坐标系；Qi为姿态捕捉模块i的姿态输出，是姿态捕捉模块i的输出四元数；44)通过式4～5计算得到姿态捕捉模块局部坐标系与世界坐标系的关系：Qi1(x,y,z,w)＝Etoq(yawi0,0,0)    (式4)Qi2(x,y,z,w)＝Qi1×Qi0×Qi1^‑1      (式5)其中，Qi1为第i个姿态捕捉模块水平旋转了角度yawi0后的四元数；Qi2为第i个姿态捕捉模块的局部坐标系与世界坐标系的关系四元数；(yawi0,0,0)为初始校准姿态下基准模块的安装坐标系；43)通过式6～7计算得到物体局部坐标系与世界坐标系的关系：Qi3(x,y,z,w)＝Etoq(baseangle+YAWi‑yawi0,0,0)    (式6)Qrlti＝Qi3*Qi2*Qi3^‑1    (式7)其中，Qi3为第i个姿态捕捉模块水平角度旋转角度(baseangle+YAWi‑yawi0)后的四元数；Qrlti为物体i的姿态四元数；通过上述过程，只需被捕捉物体保持初始校准姿态，即可实现运动捕捉系统的瞬间校准；进行校准之后，被捕捉物体在运动时的动态姿态由姿态捕捉模块的输出通过计算得到，并通过虚拟人物模型的动作实时反映出来。