[發明專利]一種基于微機電慣性傳感網絡的實時人體運動捕捉系統

無效

• 申請號: 201010139003.5
• 申請日: 2010-04-02
• 公開（公告）號: CN101799934A
• 公開（公告）日: 2010-08-11
• 發明（設計）人: 時廣軼;金玉豐;李文榮;崔卿虎
• 申請（專利權）人: 北京大學軟件與微電子學院無錫產學研合作教育基地
• 主分類號: G06T15/70
• 分類號: G06T15/70;G01P9/00;G01P15/18
• 代理公司: 杭州裕陽專利事務所(普通合伙) 33221
• 代理人: 應圣義

1.一種基于微機電慣性傳感網絡的實時人體運動捕捉系統，其特征在于，所述系統包括：人體運動微慣導傳感系統、對人體運動參數進行處理的DSP信號處理子系統、人體運動重構系統以及三維動畫界面軟件系統；其中，微慣導傳感系統與DSP信號處理子系統通信連接，DSP信號處理子系統與人體運動重構系統通信連接，人體運動重構系統與三維動畫界面軟件系統通信連接；所述人體運動微慣導傳感系統用于實時采集人體運動信息，其基于微機電系統MEMS和微慣性測量組合uIMU建立，其中包括微機電慣性傳感器、微控制單元、梳理電路和數據傳輸接口。

2.如權利要求1所述的實時人體運動捕捉系統，其特征在于，所述微機電慣性傳感器具有6維自由度，包括3個加速度器和3個陀螺儀，用于測量人體運動的3維加速度和3維角速度；且多個所述微機電慣性傳感器組建成微機電慣性傳感網絡，覆蓋人體各部位的運動信息。

3.如權利要求1所述的實時人體運動捕捉系統，其特征在于，所述微控制單元為MCU，具有多通道模數轉換功能、實時時序控制、采樣率控制功能。

4.如權利要求1所述的實時人體運動捕捉系統，其特征在于，所述DSP信號處理子系統包括DSP、濾波系統、RAM存儲電路和數據傳輸接口，通過微型慣性節點初始對準技術與實時跟蹤技術，為人體姿態分析與運動重構提供精確和有效的輸入數據。

5.如權利要求4所述的實時人體運動捕捉系統，其特征在于，所述微型慣性節點初始對準技術與實時跟蹤技術包括：多位置對準方法、四元數法、卡爾曼濾波器算法以及魯棒自適應卡爾曼濾波器算法。

6.如權利要求1所述的實時人體運動捕捉系統，其特征在于，所述人體運動重構系統采用D-H表示方法實現對節點運動肢體的移動和姿態的還原、對節點肢體的運動捕捉，并進行實時重構。

7.如權利要求1所述的實時人體運動捕捉系統，其特征在于，所述系統內的各單元通過有線或者無線的方式進行數據傳輸。

8.如權利要求1-7所述實時人體運動捕捉系統的構建方法，其特征在于，

包括以下步驟：

1)分析微機電慣性傳感器件的失配誤差，建立失配誤差性能模擬模型；

2)對微機電慣性傳感器件誤差消除模擬模型以及各種誤差特性進行計算機高級語言仿真；

3)設計并實現基于MCU的微機電慣性傳感組合單元硬件架構；

4)掌握各種通道失配誤差對微機電慣性傳感單元性能的影響；

5)優化結構級電路設計和實現系統誤差補償技術；

6)組建基于多個微機電慣性傳感節點的面向人體運動重構的微機電慣性傳感網絡；

7)掌握微機電慣性傳感網絡層次上的誤差產生機理，實現在高維、有噪、時變、非線性人體動態信號空間的噪聲干擾抑制、誤差補償、自校準技術；

8)設計并實現基于DSP的信號處理子系統的硬件系統架構；

9)基于DSP的微機電慣性傳感信號頻譜分析、降噪方法以及誤差補償方法的設計；

10)針對人的不同性別、年齡、身高和體重，設計出校準系統，提供校準參數；

11)基于DSP的微機電慣性傳感測量組合的標定算法、基于微慣導信號的運動跟蹤算法的設計；

12)基于微慣導信息和人體運動規律進行虛擬人體運動建模及其實時計算，設計具有高度真實感效果的人體運動重構系統；

13)設計實現三維人體運動的圖形表達界面及可擴展的界面，為基于微慣導傳感網絡的人體運動重構系統提供演示開發平臺。

9.一種基于微機電慣性傳感網絡的實時人體運動捕捉系統，其特征在于，所述系統包括：人體運動微慣導傳感系統、信號處理子系統、人體運動重構系統以及三維動畫界面軟件系統；其中，微慣導傳感系統與信號處理子系統通信連接，信號處理子系統與人體運動重構系統通信連接，人體運動重構系統與三維動畫界面軟件系統通信連接；信號處理子系統、人體運動重構系統以及三維動畫界面軟件系統通過同一計算機平臺實現；所述人體運動微慣導傳感系統用于實時采集人體運動信息，其基于微機電系統MEMS和微慣性測量組合uIMU建立，其中包括微機電慣性傳感器、微控制單元、梳理電路和數據傳輸接口。

10.如權利要求9所述實時人體運動捕捉系統的構建方法，其特征在于，包括以下步驟：

14)分析微機電慣性傳感器件的失配誤差，建立失配誤差性能模擬模型；

15)對微機電慣性傳感器件誤差消除模擬模型以及各種誤差特性進行計算機高級語言仿真；

16)設計并實現基于MCU的微機電慣性傳感組合單元硬件架構；

17)掌握各種通道失配誤差對微機電慣性傳感單元性能的影響；

18)優化結構級電路設計和實現系統誤差補償技術；

19)組建基于多個微機電慣性傳感節點的面向人體運動重構的微機電慣性傳感網絡；

20)掌握微機電慣性傳感網絡層次上的誤差產生機理，實現在高維、有噪、時變、非線性人體動態信號空間的噪聲干擾抑制、誤差補償、自校準技術；

21)設計并實現基于計算機平臺的信號處理子系統的架構；

22)基于計算機平臺的微機電慣性傳感信號頻譜分析、降噪方法以及誤差補償方法的設計；

23)針對人的不同性別、年齡、身高和體重，設計出校準系統，提供校準參數；

24)基于計算機平臺的微機電慣性傳感測量組合的標定算法、基于微慣導信號的運動跟蹤算法的設計；

25)基于微慣導信息和人體運動規律進行虛擬人體運動建模及其實時計算，設計具有高度真實感效果的人體運動重構系統；

26)設計實現三維人體運動的圖形表達界面及可擴展的界面，為基于微慣導傳感網絡的人體運動重構系統提供演示開發平臺。