[發明專利]基于動態模板的光學運動捕捉數據處理方法

有效

• 申請號: 200910011225.6
• 申請日: 2009-04-18
• 公開（公告）號: CN101533526A
• 公開（公告）日: 2009-09-16
• 發明（設計）人: 張強;吳升;魏小鵬
• 申請（專利權）人: 大連大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00
• 代理公司: 大連八方知識產權代理有限公司
• 代理人: 衛茂才

技術領域

本發明涉及光學人體運動捕捉散亂數據處理，特別是為了消除由于噪聲數據和缺失數據所導致的在數據處理中的誤差累積問題的技術和方法。

背景技術

近年來，隨著計算機軟硬件技術的進步，虛擬現實(Virtual-Reality)技術得到了飛速的發展，運動捕捉數據處理的研究是虛擬現實技術重要的研究領域之一，虛擬人是真實人類在計算機生成空間(虛擬環境)中的幾何特性與行為特性的表示，主要包括人臉表情仿真(Facial?Expression?Simulation)及人體運動合成(Human?Motion?Synthesize)兩個主要方面。在現實世界中廣泛應用于工業、農業、交通、文教衛生和體育等許多行業，特別是在體育科學研究、運動訓練指導、現代影視、動畫和游戲制作等領域的應用，有重要的作用和意義。因此，提高運動捕捉的精度、效率，降低設備成本，對推動影視制作、游戲娛樂、動漫產業的快速發展，構建相互支撐的動漫產業鏈，促進國家文化產業發展進而帶動國民經濟增長具有重要的作用和深刻意義。

到目前為止，常用的運動捕捉技術從原理上說可分為機械式、聲學式、電磁式和光學式。不同原理的設備各有其優缺點，一般可從以下幾個方面進行評價：定位精度；實時性；使用方便程度；可捕捉運動范圍大小；成本；抗干擾性；多目標捕捉能力。光學式運動捕捉的優點是表演者活動范圍大，無電纜、機械裝置的限制，表演者可以自由地表演，使用很方便。其采樣速率較高，可以滿足多數高速運動測量的需要。Marker的價格便宜，便于擴充。這種方法的缺點是系統價格昂貴，雖然它可以捕捉實時運動，但后處理(包括Marker的識別、跟蹤、空間坐標的計算)的工作量較大，對于表演場地的光照、反射情況有一定的要求，裝置定標也較為煩瑣。特別是當運動復雜時，不同部位的Marker有可能發生混淆、遮擋，產生錯誤結果，這時需要人工干預后處理過程。

光學式運動捕獲的優點使得其在應用領域占有重要份額。但由于其數據固有問題使得其后期的數據處理尤為重要。通過分析散亂數據特征，總結出光學式運動捕捉散亂數據的特點如下。①采集到的信息僅有Marker點的三維坐標信息，數據以散亂無序(沒有被標定)的形式存在；②由于標記點被道具、四肢、軀干或者其他標記點遮擋，存在缺失點數據，時常缺失點會連續缺失；③由于攝像延遲會出現噪聲點；④運動員在做劇烈的運動時，Marker點相對于人體會出現位移，從而改變了運動數據之間的拓撲結構。基于以上四點，數據后續處理運算復雜度較大，數據跟蹤匹配的主要困難在于：如何提取合適的散亂數據的特征信息，解決人體運動、形變及遮擋等情況給跟蹤與匹配帶來的困難；如何建立起快速搜索匹配算法，實時準確地對運動數據實現跟蹤。

剛體匹配方法是一種傳統的數據處理方法，由于人體骨骼結構為相對剛性鉸接結構，所以可以將其看作是剛體。在進行Marker點的匹配跟蹤時，可根據剛體結構的幾何特性進行跟蹤匹配。根據人體骨架結構和上文所述的Marker點布點方案，設計幾何匹配關系：線段匹配、三角形匹配、四邊形匹配、對角四邊形匹配和剛性四邊形(四面體)匹配。匹配方法是首先建立匹配模版，根據模版的幾何特性在待標定的散亂數據中查找與模板匹配或近似匹配的幾何結構(線段長度、向量夾角)，找到則標定。例如，對于剛性四邊形匹配，要判定四條邊和兩對角線都滿足條件，本文中適用于頭部、腰部等剛性部位的匹配。在一般運動幅度下，上述形狀匹配的方法已經基本能夠達到較高的標定精度且算法實現簡單能夠滿足實時性要求。但由于以下三點原因極大地影響了匹配精度：①Marker點是設置在表演者的緊身衣上，在運動過程中緊身衣會彈性伸縮。②肌肉和皮膚在運動過程中相對于骨骼會拉伸和滑動。③數據捕捉過程中的滯后和數據預處理點簇聚類的影響。因此，在劇烈運動下剛性結構將遭到破壞，剛體上的Marker之間的距離會有伸縮，因此基于固定模版的匹配將出現誤差現象。從而設計一種能夠根據當前幀的具體姿態，獲得動態模板進行剛體匹配，從而減少誤差，消除誤差累積問題的數據處理算法仍然是一個具有挑戰性的任務。

發明內容

本發明的目的在于：提出了一種用于被動式光學人體運動捕捉數據方法，該方法通過建立運動特征數據庫，著重解決在運動過程中剛體結構被破壞所導致的在數據處理中的誤差累積問題，從而提高運動數據跟蹤匹配效率，使得在處理過程中無需手工干預，并且單幀數據處理耗時滿足運動捕捉的實時性要求。

本發明的技術方案是：基于動態模板的光學運動捕捉數據處理方法，包括以下步驟：