[實用新型]一種基于運動捕捉的浸入式虛擬現實系統

有效

• 申請號: 201320558125.7
• 申請日: 2013-09-09
• 公開（公告）號: CN203405772U
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 劉昊揚;戴若犁;李龍威;陳金舟
• 申請（專利權）人: 北京諾亦騰科技有限公司
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01;G06F3/0346;G06T7/20
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 任默聞

技術領域

本實用新型是關于運動捕捉技術及虛擬現實技術，特別是關于一種基于運動捕捉的浸入式虛擬現實系統。

背景技術

運動捕捉技術可以以數字的方式記錄對象的動作，當前的運動捕捉技術主要包括以下幾種：

機械式運動捕捉：依靠機械裝置來測量運動，該機械裝置由多個關節和剛性連桿組成，在關節處裝有角度傳感器以測量關節角度變化，剛性連桿也可以換成長度可變的伸縮桿，并安裝位移傳感器以測量長度的變化。運動捕捉通過將待捕捉的物體與機械裝置相連，運動物體帶動機械裝置運動，從而通過機械裝置上的傳感器記錄下待測物體運動。機械式運動捕捉成本低、標定簡單、精度較高并且容易實現實時數據捕捉而不受場地限制。但是機械式運動捕捉方式難以實現對于多自由度的關節運動捕捉，同時由于自身尺寸和重量，對待測物體的運動（特別是劇烈運動）造成比較嚴重的阻礙和干涉。

電磁式運動捕捉：一般由發射源、接收器和數據處理單元組成。發射場產生按一定時空分布的交變電磁場；接收器安裝在待測物體的關鍵位置，接收器跟隨待測物體而運動，并將接收到的信號通過有線方式傳遞給數據處理單元。這種運動捕捉方式不僅能夠得到空間位置信息，還能得到方位信息，并且實時性好。但是這種運動捕捉方式對于環境要求嚴格，附近不能有金屬物品，并且有線電纜對物體的運動限制比較大，而且采樣頻率較低。

聲學式運動捕捉：與電磁式運動捕捉比較類似，由超聲發射器、接收器和處理單元組成。它將多個發射器固定在待測物體的各個部位，發射器持續發出超聲波，每個接收器通過計算聲波從發射器到接收器的時間得出發射器與接收器之間的距離，3個構成三角形的接收器就可以確定發射器的空間位置。聲學式運動捕捉成本較低，但是精度差并且要求發射器與接收器之間無遮擋。

光學式運動捕捉：通常包含10～20個相機，環繞待測物體排列，待測物體的運動范圍處于相機的重疊區域。待測物體的關鍵部位貼上一些特質的反光點或者發光點作為視覺識別和處理的標志。系統標定后，相機連續拍攝物體的運動并把圖像序列保存下來進行分析和處理，計算每一個標志點在某一瞬間的空間位置，并從而得到其準確的運動軌跡。光學式運動捕捉的優點是沒有機械裝置、有線電纜等的限制，允許物體的運動范圍較大，并且采樣頻率較高，能夠滿足多數體育運動測量的需要，但是這種系統價格昂貴，系統的標定比較繁瑣，只能捕捉相機重疊區域的物體運動，而且當運動比較復雜時，標志容易混淆和遮擋，從而產生錯誤的結果。

基于慣性傳感器的運動捕捉：傳統的機械式慣性傳感器長期應用于飛機、船舶的導航，隨著微機電系統（MEMS）技術的高速發展，微型慣性傳感器的技術成熟，近年來，人們開始嘗試基于微型慣性傳感器的運動捕捉。基本方法是把慣性測量單元（IMU）連接到待測物體上并跟隨待測物體一起運動。慣性測量單元通常包括微加速度計（測量加速度信號）以及微陀螺儀（測量角速度信號），通過對加速度信號的二次積分以及陀螺儀信號的積分，可以得到待測物體的位置信息以及方位信息。由于MEMS技術的應用，IMU的尺寸和重量可以做的很小，從而對待測物體的運動影響很小，并且對于場地的要求低，允許的運動范圍大，同時系統的成本比較低。該技術的缺點是傳感器的積分容易產生漂移，并且傳感器本身容易受到干擾，因而對系統設計的要求比較高。

虛擬現實技術：涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等領域，它用計算機生成逼真的三維視、聽、觸覺、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。使用者進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的3D世界影像傳回產生臨場感。該技術集成了計算機圖形技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統。浸入度是虛擬現實系統的一個重要特征，指用戶感到作為主角存在于模擬環境中的真實程度。理想的模擬環境應該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計算機創建的三維虛擬環境中，該環境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動起來是真的，如同在現實世界中的感覺一樣。交互性是虛擬現實系統的另一個重要特征，指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環境得到反饋的自然程度（包括實時性）。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環境中虛擬的物體，這時手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動而移動。