[發明專利]變電仿真VR系統中虛擬手骨骼比例推定方法

在審

• 申請號: 201810839943.1
• 申請日: 2018-07-27
• 公開（公告）號: CN109102572A
• 公開（公告）日: 2018-12-28
• 發明（設計）人: 錢波;蘇慧民;戴黎明;馬劍勛
• 申請（專利權）人: 國網江蘇省電力有限公司常州供電分公司;國網江蘇省電力有限公司;國家電網公司
• 主分類號: G06T19/00
• 分類號: G06T19/00;G06T7/80
• 代理公司: 常州市江海陽光知識產權代理有限公司 32214
• 代理人: 張兢

本發明提供一種變電仿真VR系統中虛擬手骨骼比例推定方法，其通過運動學進行手部骨骼結構分析，簡化人體手部骨骼模型，基于慣性傳感器實時姿態角數據，結合解剖學中手部骨骼長度統計值作為虛擬手的骨骼長度，對兩種特定姿態分別進行標定，推算人體手部骨骼比例，根據使用者的手部結構不同，自適應地改變虛擬手的骨骼比例，實現虛擬手對使用者手部動作的精細重現，驅動虛擬手實現變電仿真培訓，并驅動變電仿真虛擬環境中的虛擬手完成相應的動作。本方法實現了傳感器數據初始偏差校正，同時減小了由于使用者個體手部比例差異的影響而造成手部精細動作追蹤過程中的誤差。

技術領域

本發明涉及變電仿真技術領域，具體涉及一種變電仿真VR系統中虛擬手骨骼比例推定方法。

背景技術

變電站是電力系統的重要組成部分，隨著其自動化程度的提高，對運行維護人員也提出了更高的要求。虛擬現實技術作為一種信息傳遞與交流的手段可以直觀、逼真地為用戶提供設備的結構、操作規程、異常表現等可視化信息，虛擬現實軟件和硬件技術的迅速發展為其在培訓方面的應用提供了基本條件和有力保障。采用虛擬現實技術和計算機仿真技術構建合適的可視化虛擬環境，代替物理樣機進行訓練，可有效克服利用實際設備進行培訓所帶來的時間、場地和安全性上的限制，避免訓練成本高和樣機易損壞等弊端。隨著虛擬現實(VR)技術的發展，采用VR技術為變電站仿真系統構造虛擬環境，將大大提高變電站場景的真實感和沉浸感，為變電站仿真培訓工作帶來飛躍。通過虛擬現實技術構建出逼真的變電站三維場景及生產施工環境，通過虛擬化身在虛擬環境下完成動作進行任務訓練，由沉浸感環境充分體現變電站工作的難度和危險性，以此提高受訓人員在復雜現場正確操控的能力，強化受訓人員操控技能，提升受訓人員的專業水平和心理適應能力，提高應對復雜危險工作時的效率，縮短上崗適應期。

沉浸式虛擬現實系統中，人體動作的識別和跟蹤是人機交互的核心問題。運動捕捉系統是一種用于準確測量運動物體在三維空間運動狀況的高技術設備。運動捕捉(motion capture) 在國內也稱動作捕捉，是一個通過在時域上跟蹤一些關鍵點的運動來記錄生物運動，然后將其轉換成可用的數學表達并合成一個單獨的3D 運動的過程。天津大學的劉欣基于數據手套提出一種動態校準算法，基于關節約束和正向運動學進行研究，令動作捕捉能更好的反映真實的運動；上海交通大學的王偉棟利用微慣性傳感器測量整個手掌的歐拉角，用MAGR算法進行解算初始姿態；北京理工大學的劉博基于MEMS傳感器對人體中手臂骨骼、大腿骨骼以及頭部骨骼進行姿態標定，實現人體運動數據到人體骨骼模型的準確姿態定位；Tannous Halim等人實現了基于Kalman濾波方法提高人體運動姿態測量精度的方法；Eric Foxlin等人利用由陀螺儀和加速度計構成的傳感器作為姿態跟蹤采集單元，介紹了一種對人體頭部、頸部運動跟蹤測量的方法。

在虛擬手運動捕捉方面，目前大多數的虛擬手標定算法都采用基于解剖學的標準骨骼模型對骨骼比例進行處理，導致所呈現的動作捕捉結果中的手是一個“標準手”，而非使用者的“真實手”。手部模型的尺寸失真則會導致虛擬手在還原手部精細動作時出現誤差。目前基于MEMS傳感器的手部動作捕捉系統中，傳感器獲取關節姿態角后，采用解剖學中手部骨骼長度統計值作為虛擬手的骨骼長度來推算指關節位置。由于使用者個體手部比例差異的影響，造成手部精細動作還原過程中的誤差。如果針對使用者個體的每個指掌關節定義長度，實際使用過程中又比較繁瑣。

發明內容

本發明的目的是：提供一種變電仿真VR系統中虛擬手骨骼比例推定方法，解決現有技術中由于使用者個體手部比例差異而導致手部精細動作產生誤差的問題。

本發明的技術方案是：本發明的變電仿真VR系統中虛擬手骨骼比例推定方法，基于MEMS慣性傳感器手部運動跟蹤系統實施，上述MEMS慣性傳感器手部運動跟蹤系統包括MEMS慣性傳感器、數據采集模塊、DSP處理板和計算機；MEMS慣性傳感器包括磁力計、加速度計和9軸運動傳感器，方法包括以下步驟：

①利用MEMS慣性傳感器手部運動跟蹤系統獲得人體手部骨骼關節點的位置信息和加速度信息，具體包括以下步驟：