一種基于慣性傳感器網絡的動作捕捉系統的實現

摘要：動作捕捉（Motion capture）是一種記錄或描繪人體以及其他物體動作的技術，廣泛運用于體育、娛樂、影視、醫療、軍事等領域。本文簡要介紹一種基于慣性傳感器與Zigbee網絡實現的動作捕捉系統。該系統通過安裝在人體不同部位的慣性傳感器獲得動作信息，并通過Zigbee無線傳感器網絡協議將數據上傳給上位機。

關鍵詞：慣性傳感器;動作捕捉;Zigbee;無線傳感器網絡

Abstract： Motion capture is the technology of recording or depicting the movement of people or other objects. It is widely used in sportsHYPERLINK"https：//en.wikipedia.org/wiki/Sports"＼o"Sports"， entertainmentHYPERLINK"https：//en.wikipedia.org/wiki/Entertainment"＼o"Entertainment"，filmmakingHYPERLINK"https：//en.wikipedia.org/wiki/Filmmaking"＼o"Filmmaking"， medical applications and militaryHYPERLINK"https：//en.wikipedia.org/wiki/Military_science"＼o"Militaryscience".This article introduces a motion capture system based on inertial sensor and Zigbee network. The system obtains the action information by the inertial sensors in different parts of human body， and uploads the data to the upper monitor through the Zigbee wireless sensor network protocol.

Key words： Inertial sensor; motion capture; Zigbee; wireless sensor network

一、緒論

動作捕捉的起源一般被認為是動畫師費舍爾（Fleischer）在1914年發明的“動態影像描摹（Rotoscoping）”。20世紀70年代，人體動作捕捉系統開始應用在動畫制作領域。80年代，美國一些高校就開始進行動作捕捉的研究。目前，動作捕捉系統已經廣泛應用于電影制作，《指環王》、《猩球崛起》、《阿凡達》等都采用了動作捕捉技術。除此之外，動作捕捉技術也已經成功用在虛擬現實、游戲、人體工程學研究、模擬訓練、生物力學研究等許多方面。

從技術的角度來說，運動捕捉的實質就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間HYPERLINK"http：//www.baike.com/sowiki/%E4%B8%89%E7%BB%B4%E7%A9%BA%E9%97%B4？prd=content_doc_search"＼t"_blank"＼o"三維空間"中的運動軌跡HYPERLINK"http：//www.baike.com/sowiki/%E8%BF%90%E5%8A%A8%E8%BD%A8%E8%BF%B9？prd=content_doc_search"＼t"_blank"＼o"運動軌跡"。典型的運動捕捉設備一般由傳感器、信號捕捉設備、數據傳輸設備及數據處理設備組成。 根據其中傳感設備的不同，可以分為機械式、光學式、聲學式、電磁式以及慣性式。慣性式方案主要是基于慣性式傳感器實現人體動作捕捉的，利用慣性傳感器采集到的運行信息，完成人體運動目標的姿態角度測量。相對于其他動作捕捉實現方案，采用慣性傳感器實現的動作捕捉系統靈敏度高，動態性能好，價格也更為低廉。

二、基于慣性傳感器網絡的動作捕捉系統簡介

基于慣性傳感器及Zigbee網絡的動作捕捉系統示意圖如圖1所示。可以看出，系統主要由4部分組成：（1）固定在捕捉對象身體不同部位上的傳感器節點。（2）傳輸人體姿態信息的Zigbee網絡。（3）管理節點對傳感器網絡進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據。（4）上位機。系統初始化后，管理節點和傳感器節點會利用Zigbee技術自動構建一個無線網絡，傳感器節點上的慣性傳感器采集人體姿態角數據，并通過Zigbee無線網絡協議將數據先傳送給管理節點，然后通過串口將人體的姿態信息上傳給上位機。

三、系統硬件實現

本系統的硬件主要由傳感器節點和管理節點組成。

（一）傳感器節點的實現

傳感器節點負責實現信息的采集、數據的處理以及無線通信，一般包含四個基本單元：傳感單元、處理單元、通信單元、以及電源部分，如圖2（a）所示。

在本系統中，傳感單元采用JY901模塊，它是基于MEMSHYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/MEMS"＼t"_blank"技術的高性能三維運動姿態傳感器，采用高性能的微處理器和先進的動力學解算與卡爾曼動態濾波算法，能夠快速求解出模塊當前的實時運動姿態，測量精度達到0.01 度，穩定性極高。需要注意的是在使用前，需要進行校準。處理單元及通信單元采用CC2530F256模塊，CC2530 是用于2.4GHz IEEE 802154HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/IEEE%20802.15.4"＼t"_blank"、ZigBee 應用的一個真正的片上系統HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E7%89%87%E4%B8%8A%E7%B3%BB%E7%BB%9F"＼t"_blank"，結合業界領先的ZigBee 協議棧HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E5%8D%8F%E8%AE%AE%E6%A0%88"＼t"_blank"（ZStackTM），CC2530能夠以非常低的成本建立強大的網絡節點HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E7%BD%91%E7%BB%9C%E8%8A%82%E7%82%B9"＼t"_blank"，能夠提供了一個完整的ZigBee 解決方案。電源模塊采用的是650mA的7號鋰電池，電壓為3.7v。傳感器節點結構框圖如圖2（b）所示。

傳感器節點實物圖如圖2（c）所示，慣性傳感器JY901采集人體的姿態角數據信息，而CC2530模塊通過I2C讀取姿態角數據，然后再經由天線發送出去。

（二）管理節點的實現

本系統中的管理節點主要工作有（1）動態地管理整個無線傳感器網絡，包括網絡組建、維護、控制傳感器節點的加入等。（2）通過Zigbee協議與各個傳感器節點通信，收集每個傳感器節點采集的姿態角信息。（3）獲取姿態角數據后，通過串口將捕捉對象的相關姿態角信息傳輸到上位機上。管理節點的結構框圖如圖3（a）所示（實線部分），實物圖如圖3（b）所示。

四、系統軟件實現

為了實現數據的無線傳輸，必須選擇一種無線網絡數據傳輸標準。目前常見的無線網絡數據傳輸協議有WiFi，、Wireless USB、Bluetooth、Zigbee等。不同的協議適合不同的應用領域，一般而言，Zigbee協議可以理解為一種短距離無線傳感器網絡與控制協議，主要用于傳輸控制信息，數據量相對來說比較小，特別使用于電池供電的系統，此外，相對于其他標準，Zigbee協議實現成本較低。因此，本系統中，采用Zigbee無線網絡數據傳輸協議，網絡的拓撲結構如圖4所示。

由于慣性傳感器能直接輸出姿態角信息，數據處理量不大，因此傳感器節點和管理節點上的處理器采用的都是CC2530，但是由于傳感器節點和管理節點的功能不同，因此軟件設計思路也不同。對于管理節點而言，系統上電后，首先建立網絡，然后以廣播形式向網絡內的傳感器節點發送數據，收到傳感器節點返回的姿態角數據后，將數據通過串口發送到上位機，程序流程圖如圖6所示。對于傳感器節點，首先要加入傳感器網絡，收到管理節點發送的數據后，讀取JY901的姿態角數據，然后通過無線網絡發送到管理節點，程序流程圖如圖5所示。

五、結語

近年來，隨著虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術的發展，動作捕捉技術有了更廣闊的應用空間。對于一款高質量的VRHYPERLINK"http：//www.vrzy.com/"游戲來說，動作捕捉技術能夠令角色的動作更加自然，同時減少人工設計所耗費的精力和時間。目前基于慣性傳感器的動作捕捉系統代表性產品有諾亦騰開發的Perception Neuron和國承萬通開發的StepVR，已經成功應用于虛擬現實以及機器人等領域。隨著VR產品的進一步商用以及對體感交互的應用需求，相信會有更多的普通大眾將會享受到這一技術帶給大家的新體驗。

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作者簡介：劉莉琛（1980），女，碩士，主要研究方向：無線傳感器網絡。