人體運動捕捉儀的設計與實現

段世梅 孫 倩 陳彥明

人體運動捕捉儀的設計與實現

段世梅 孫 倩 陳彥明

人體運動捕捉儀是一種用于準確測量運動物體在三維空間運動狀況的設備。它通過排布在空間中的數個慣性傳感器，將運動物體的運動數據實時上傳至計算機并對該數據進行處理，得到驅動三維人體模型的數據，用該數據驅動建好的人體骨架模型，從而實現人體運動的再現。本系統選用慣性傳感器為采集工具，以嵌入式操作系統為開發平臺，實現了對人體運動的捕捉和再現。

慣性傳感器；人體骨架；實時數據采集；運動捕捉

引言

隨著計算機技術以及三維圖像技術的迅速發展，精確捕捉人體動作并且進行重現，已經成為研究熱點。獲取訓練中的人體動作，從不同的視角觀察和監控人體動作，通過實時的運動捕捉技術對訓練中出現的問題進行技術診斷與分析，并以視頻和圖像以及量化的數據等方式反饋出來，使得訓練的糾正更加有的放矢，從而大大提高訓練效率和效果，使駕駛訓練、體育訓練等擺脫純粹的依靠經驗的狀態，進入科學化、數字化的時代。因此，人體運動捕捉在駕駛訓練等方面有廣泛的應用前景。目前，常用的運動捕捉技術從原理上說可分為機械式、聲學式、電磁式和光學式。聲學式傳感器成本較低，但對運動的捕捉有較大延遲和滯后，實時性較差，精度一般不很高。光學式運動捕捉通過對目標上特定光點的監視和跟蹤來完成運動捕捉的任務，缺點是系統價格昂貴，雖然它可以實時捕捉運動，但后處理的工作量較大。電磁式傳感器裝置的定標比較簡單，技術較成熟，成本相對低廉。它的缺點在于對環境要求嚴格，在表演場地附近不能有金屬物品，否則會造成電磁場畸變，影響精度。慣性傳感器成本較低，解算方便，故在本系統中選用。

1 模型的建立

由于人體關節點之間的部分在任何時刻都不會形變，可以用剛體來代表它們。同時我們假設各個線段（即人體骨架）之間的長短比例關系并不因人而異，這一比例可以從解剖學中獲得。因此，人體可以看成一個由關節點連接的剛體的集合。如上肢是由肘關節連接的上下臂兩個剛體組成的，上臂與軀干是由肩關節連接的。以一條線段來表示一個剛體，將人體運動簡化為人體骨架的運動，這樣就得到了一個由16個人體關節點組成的三維人體骨架模型，如圖1所示。根據簡化出的三維人體骨架模型，將11個慣性傳感器分別布置在左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、左大腿、左小腿、右大腿、右小腿、頭、背部和腰部等11個身體的部位。

2 系統工作原理及硬件組成

人體運動捕捉儀是一種用于準確測量人體在三維空間運動狀況的設備。它的工作原理為，將數個慣性傳感器捆綁在人體上，傳感器實時捕捉人體骨骼的運動數據，數據采集軟件（運行于嵌入式操作平臺上）對11個傳感器的運動數據進行實時采集，并將采集到數據打包后通過以太網實時發送到人體運動PC機上。人體運動顯示軟件（運行于人體運動PC機上）通過以太網接收人體運動數據，通過處理，驅動三維人體模型，從而實現人體運動的再現。

人體運動捕捉儀由肢體運動傳感器、嵌入式開發平臺、人體運動PC機等部分組成，結構框圖如圖2所示。

圖2 人體運動捕捉儀硬件結構框圖

圖3 人體運動捕捉儀軟件結構框圖

圖1 人體三維骨架模型

3 軟件設計及實現

人體運動捕捉儀的軟件部分主要包括數據采集軟件和人體運動顯示軟件，結構框圖如圖3所示。

a)數據采集軟件

數據采集軟件是采用嵌入式操作系統的實時多任務軟件，實現各通道數據的采集、整理和發送，軟件具有快速啟動、靈活配置等功能。主要由嵌入式操作系統、I/O設備驅動程序、配置模塊、初始化模塊、系統狀態處理任務、串口通道采集任務、數據發送任務等任務和功能模塊組成。數據采集軟件工作流程見圖4。

圖4 數據采集軟件工作流程

b)人體運動顯示軟件

人體運動顯示軟件通過以太網，實時接收數據采集軟件發送的數據包，進行實時存儲，并對前端傳感器的運行狀態進行監控，用實時接收來的數據，驅動人體三維模型，完成人體動作的再現，也可以根據存儲的數據，進行回放分析。

圖5 人體運動顯示軟件運行流程圖

4 實驗及結論

在人體運動捕捉實驗中，慣性傳感器安裝在人體骨骼的關鍵點上，如圖6所示。對日常生活中人的站立、行走等基本動作進行了實驗。圖7為實驗中人體傳感器的安裝效果圖。在該實驗中，慣性傳感器捆綁在人體上，實時采集人體的運動數據，經嵌入式操作平臺打包發送給人體運動PC機，PC機對數據進行剔除野點等處理，用處理過的數據驅動三維人體模型，取得了良好的復現效果。圖8為人站立動作的再現視圖，圖9為人行走的基本動作在三維視圖中的再現。

5 結束語

本文通過選用慣性傳感器為工具，以嵌入式操作系統為開發平臺，對日常生活中人的常見動作進行精確捕捉，并在PC機上進行動作再現。實驗表明，這種方法成本較低，解算方便，實時性好，已經應用到飛行員的駕駛訓練當中。在進行飛行員的駕駛訓練時，傳統方法是依靠經驗糾正飛行員的動作。通過人體運動捕捉儀，能對訓練中出現的問題及時進行診斷與分析，使得訓練動作的糾正更加有的放矢，從而大大提高訓練效率和效果。

圖6 模型傳感器安裝效果圖

圖7 人體傳感器安裝效果圖

圖8 站立視圖

圖9 行走視圖

[1]朱登明，王兆其，石敏，黃河.一種基于逆運動學的三維虛擬人體運動生成方法.2008

[2]肖 俊, 莊越挺, 吳 飛.三維人體運動特征可視化與交互式運動分割.軟件學報.2008

[3]莊越挺，劉小明，潘云鶴，楊駿.運動圖像序列的人體三維運動骨架重建.2007

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.06.010

段世梅（1984），女，碩士，軟件工程師，主要從事飛行仿真技術研究。