[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

技術領域

本發明涉及基于圖像模式識別技術和傳感技術的肢體動作重構技術，尤指一種基于微機電慣性傳感網絡的實時人體運動捕捉系統，可對人體姿態進行實時的信號測量、數據采集、存儲與傳輸，實時重構人體的姿態和肢體的運動狀態，并進行動畫顯示，屬于傳感技術和圖像處理技術領域。

背景技術

運動捕捉技術(Motion?Capture)擴展了人類視覺的精確測量，為多領域科學研究和應用提供了寶貴的精確運動數據，具有重要的研究價值。運動捕捉技術可應用于機器人控制、體育運動分析、三維運動重建、生物力學分析、虛擬現實與增廣現實系統等領域。隨著計算機圖形學的飛速發展，運動捕捉技術正越來越多地應用于影視、動畫制作、游戲開發中。據統計，目前國內三維動漫產業中，運動捕捉系統的使用率高達60％左右。可以預計，三維制造產業對運動捕捉技術的需求將逐步增加。因此，研發具有自主知識產權的低價格、高穩定性、高操作效率和擴展性強的運動捕捉系統，具有重要的工程價值和現實意義。

在現代技術中，微機電系統以其體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高等優點，在軍用市場和民用市場均得到了廣泛的應用。特別是慣性傳感器，已經在航空航天、汽車、電子設備保護、娛樂等領域取得了非常引人注目的應用，開創了微型汽車安全氣囊傳感器等新的產業。隨著技術的發展和深入，繼承多種慣性微機電系統傳感器是目前的研究熱點，在生物醫學、環境監控、消費電子等領域有著十分廣闊的應用前景。特別值得一提的是現在微機電系統研究和發展的一個重要方向，也即微型慣性測量組合(uIMU)，它在生物醫學、工業自動化、智能建筑、航空航天、環境監控、消費電子等領域前景巨大。

微慣導是微慣導測量組合的簡稱，它由一定數量的三維加速度計和三維陀螺儀組成，它的測量原理是經典力學中的牛頓運動定律，它通過三維加速度計和三維陀螺儀測量車輛、飛機、導彈、艦艇、人造衛星等物體的質心運動和姿態運動，從而對物體進行控制和導航。基于MEMS三維加速度計和三維陀螺儀的微慣性測量系統具有體積小、重量輕、可靠性高、易集成、能大批量生產、價格低廉等優點，從而在軍用、民用領域有廣闊的應用前景。

基于微慣導技術的這些卓越的特性，能否將其結合到圖像識別技術用于對實時人體運動的捕捉，以及如何結合，為本領域技術人員開拓了一條嶄新的思路。

發明內容

本發明旨在公開一種基于微機電慣性傳感網絡的實時人體運動捕捉系統，可對人體姿態進行實時的信號測量、數據采集、存儲與傳輸，實時重構人體的姿態和肢體的運動狀態，且可以進行動畫顯示。該系統包括：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；

優選地，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；

優選地，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；

優選地，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；

優選地，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；

優選地，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；

優選地，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；

本發明還公開了一種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：