[發(fā)明專利]一種基于慣性傳感器的人體動(dòng)作描述方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910011119.1
• 申請日: 2019-01-07
• 公開（公告）號: CN109741371B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李軍懷;姬文超;徒鵬佳;王懷軍;于蕾
• 申請（專利權(quán)）人: 西安理工大學(xué)
• 主分類號: G06T7/246
• 分類號: G06T7/246;G06V40/20
• 代理公司: 北京國昊天誠知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11315
• 代理人: 楊洲

1.一種基于慣性傳感器的人體動(dòng)作描述方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，動(dòng)作數(shù)據(jù)采集，通過慣性傳感器采集舞蹈動(dòng)作數(shù)據(jù)，定義骨骼層次結(jié)構(gòu)，采集舞蹈動(dòng)作數(shù)據(jù)并以運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)BVH格式保存；

步驟2，空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，由于運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)BVH是按照肢體關(guān)節(jié)分別保存各自運(yùn)動(dòng)歐拉角數(shù)據(jù)，空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，以世界坐標(biāo)的形式表征各個(gè)肢體的每一幀動(dòng)作，便于后續(xù)進(jìn)行坐標(biāo)的人體空間方位方位分析；

步驟3，關(guān)鍵幀提取，步驟1中采集的運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)BVH中包含人體姿勢幀序列幀，采用關(guān)鍵幀提取技術(shù)提取姿勢關(guān)鍵幀，記錄以肢體坐標(biāo)表示的當(dāng)前姿勢；

步驟4，動(dòng)作語言描述MDL，計(jì)算動(dòng)作關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)并進(jìn)行坐標(biāo)的人體空間方位分析，建立肢體坐標(biāo)與空間環(huán)境方位之間的映射，通過空間方位、時(shí)間劃分和手臂、腿部彎曲角度，人體朝向運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)確定描述語言，實(shí)現(xiàn)對人體動(dòng)作信息的準(zhǔn)確表達(dá)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于慣性傳感器的人體動(dòng)作描述方法，其特征在于，步驟1所述的動(dòng)作數(shù)據(jù)采集，具體包括：使用慣性傳感器綁定人體全身11個(gè)主要骨骼關(guān)節(jié)，11個(gè)主要骨骼關(guān)節(jié)包括頭、胸、左臂、左前臂、右臂、右前臂、髖關(guān)節(jié)、左大腿、左小腿、右大腿、右小腿，并以具有骨骼結(jié)構(gòu)的動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)BVH存儲(chǔ)，動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)BVH中的骨骼層次結(jié)構(gòu)，定義26個(gè)骨骼節(jié)點(diǎn)的人體骨骼層次，動(dòng)作采集初始為立正姿勢，運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)BVH每一幀數(shù)據(jù)記錄骨骼節(jié)點(diǎn)的歐拉角數(shù)據(jù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于慣性傳感器的人體動(dòng)作描述方法，其特征在于，步驟2所述的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換具體包括：矩陣轉(zhuǎn)換，歐拉角數(shù)據(jù)的形式是旋轉(zhuǎn)角度序列，旋轉(zhuǎn)角度繞世界坐標(biāo)的Z軸、X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)矩陣后計(jì)算慣性坐標(biāo)；轉(zhuǎn)換世界坐標(biāo)：獲得所有骨骼節(jié)點(diǎn)的慣性坐標(biāo)后，去掉其到根節(jié)點(diǎn)的所有前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)偏移量，依次求得骨骼節(jié)點(diǎn)的世界坐標(biāo)；轉(zhuǎn)換相對坐標(biāo)：世界坐標(biāo)由于坐標(biāo)原點(diǎn)是動(dòng)作采集初始位置，因此無法進(jìn)行空間方位分析，所以在求得世界坐標(biāo)后需要計(jì)算各坐標(biāo)以根節(jié)點(diǎn)為參考點(diǎn)的相對坐標(biāo)，最終得到運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)BVH的每一幀數(shù)據(jù)中，每個(gè)骨骼節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于慣性傳感器的人體動(dòng)作描述方法，其特征在于，步驟2所述的矩陣轉(zhuǎn)換，歐拉角數(shù)據(jù)的形式是旋轉(zhuǎn)角度序列，BVH文件中一般為zyx軸順序，歐拉角分別繞世界坐標(biāo)的Z軸、X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為矩陣，得到的旋轉(zhuǎn)矩陣為：

式中：R、P、Y分別是roll、pitch、yaw的旋轉(zhuǎn)矩陣，繞ZXY軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角為r、p、y，依據(jù)正交矩陣的性質(zhì)，可得到如下的旋轉(zhuǎn)矩陣N；

世界坐標(biāo)：在動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)BVH中，數(shù)據(jù)的組織方式是按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織的，在步驟1中定義的骨骼層次結(jié)構(gòu)中，髖關(guān)節(jié)是層次結(jié)構(gòu)的根節(jié)點(diǎn)，髖關(guān)節(jié)的子節(jié)點(diǎn)有脊椎一節(jié)點(diǎn)、左右髖節(jié)點(diǎn)，其中脊椎一節(jié)點(diǎn)又可以作為父節(jié)點(diǎn)，其子節(jié)點(diǎn)有脊椎二、脊椎三節(jié)點(diǎn)；脊椎三節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)，其子節(jié)點(diǎn)包含左右肩、頸部節(jié)點(diǎn)；左、右肩節(jié)點(diǎn)各自作為父節(jié)點(diǎn)有包含子節(jié)點(diǎn)左上臂、右上臂，而上臂節(jié)點(diǎn)又包含前臂節(jié)點(diǎn)，前臂節(jié)點(diǎn)又包含手節(jié)點(diǎn)；頸部作為父節(jié)點(diǎn)，包含頭部節(jié)點(diǎn)；左、右髖作為父節(jié)點(diǎn)，其子節(jié)點(diǎn)為左、右大腿節(jié)點(diǎn)，大腿節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)為小腿節(jié)點(diǎn)，小腿節(jié)點(diǎn)又包含子節(jié)點(diǎn)腳掌和后跟，在進(jìn)行世界坐標(biāo)計(jì)算中，任一節(jié)點(diǎn)的世界坐標(biāo)需要節(jié)點(diǎn)之間的層次關(guān)系；

相對坐標(biāo)變換，世界坐標(biāo)由于坐標(biāo)原點(diǎn)是動(dòng)作采集初始位置，無法進(jìn)行空間方位分析，所以在求得世界坐標(biāo)后需要根據(jù)公式(6)計(jì)算各坐標(biāo)以根節(jié)點(diǎn)為參考點(diǎn)的相對坐標(biāo)：

P＝p₀(x₀,y₀,z₀)-Root(x_r,y_r,z_r) (6)；

式中的P表示相對坐標(biāo)，P₀世界坐標(biāo)，Root表示根節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。