一種混合運動捕捉系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明是關于運動捕捉技術，特別是關于一種混合運動捕捉系統及方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，運動捕捉技術開始廣泛應用于體育運動的動作捕捉與分析。運動捕捉技 術可以以數字的方式記錄對象的動作，當前常用的運動捕捉技術主要包括光學式運動捕捉 和基于慣性傳感器的運動捕捉。
[0003] 光學式運動捕捉系統包含多個相機，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 和處理的標識。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，計算每一個標識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。但是這種系統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，標識容 易混淆和遮擋，從而產生錯誤的結果。
[0004] 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，不受光線以及遮擋的影響，允許的運動范圍大。 但是基于慣性的運動捕捉存在積分漂移導致運動捕捉的精度降低。
[0005] 美國專利US8203487揭示了一種結合超寬帶（UWB)測量和MEMS慣性測量的運動 捕捉系統與方法。該系統包括：1)傳感器單元，包含一個或者多個UWB脈沖發射器以及一 系列的慣性傳感器；2) -系列UWB接收器單元，遠程接收UWB發射器發送來的脈沖信號，以 獲得每個傳感器的到達時間（TOA)，其中UWB發射器與慣性傳感器在硬件上進行了同步；3) 接收處理器，接收到達時間信息以及慣性信息，并對這些信息進行整合處理以獲取對象的 位置和姿態。
[0006] 上述系統采用UWB來跟慣性傳感器結合使用進行定位，由于UWB的定位精度較差， 雖然通過慣性傳感器的結合以及一定的算法處理使得捕捉的運動軌跡比較平滑，但是對于 提升定位精度幫助有限。同時，UWB定位只能進行水平面內的定位，對于豎直方向不能進行 定位，上述技術方案采用壓力計來克服這個問題，但是壓力計本身的定位精度也比較差。此 外，該方案需要架設多個接收器，對于需要變換場景的運動捕捉，設備的重新架設和調試耗 時較長。
[0007] 美國專利US20130028469 (公開號）將光學標識點與慣性傳感器結合進行對象位 置和姿態的捕捉，通過一個標識確定單元確定光學標識點在2D圖像里面的位置，通過一個 深度確定單元確定光學標識點在深度圖像中的深度，然后由基于光學標識的估算器將光學 標識點在2D圖像中的位置和深度圖中的深度結合起來獲得標識點的3D位置。同時通過一 個慣性傳感器單元獲得基于慣性的姿態和位置。最后整合估算器根據對象的速度、位置以 及標識點信號情況給與基于標識點的位置和基于慣性的位置不同的權重來獲取最后的整 合位置和姿態。
[0008] 由于上述方案采用單節點的運動捕捉方式，不能對多關節對象的復雜運動進行捕 捉。
【發明內容】
[0009] 本發明提供一種混合運動捕捉系統及方法，以將基于光學運動捕捉和基于慣性的 運動捕捉的優點結合，同時能夠避開兩種運動捕捉方式各自的缺點。
[0010] 為了實現上述目的，本發明實施例提供一種混合運動捕捉系統，所述的混合運動 捕捉系統包括：至少一慣性傳感器模塊，至少一光學標識，至少兩個光學攝像頭及一接收處 理器，所述的慣性傳感器模塊與所述的接收處理器無線連接，所述的光學攝像頭與所述的 接收處理器有線或無線連接，所述慣性傳感器模塊及光學標識安裝在待測量對象上；其中， [0011] 所述的慣性傳感器模塊，用于測量自身的慣性信息及空間姿態信息；
[0012] 所述的光學攝像頭，用于獲取所述光學標識的圖像信息；
[0013] 所述的接收處理器，接收所述的慣性信息、空間姿態信息及圖像信息，根據所述的 慣性信息及空間姿態信息生成基于慣性的位置信息；根據所述的圖像信息生成基于光學標 識點的位置信息，并將所述基于慣性的位置信息及基于光學標識點的位置信息進行整合， 生成所述待測對象的位置信息。
[0014] 在一實施例中，所述的慣性傳感器模塊包括：
[0015] 三軸MEMS加速度計，用于測量所述慣性傳感器模塊自身的加速度信息；
[0016] 三軸MEMS陀螺儀，用于測量所述慣性傳感器模塊自身的角速度信息；
[0017] 三軸MEMS磁力計，用于測量所述慣性傳感器模塊自身的地磁向量；
[0018] CPU，連接所述的三軸MEMS加速度計、三軸MEMS陀螺儀及三軸MEMS磁力計，用于 對所述的角速度信息進行積分，生成動態空間方位，根據所述的加速度信息及地磁向量生 成靜態絕對空間方位，并利用所述靜態絕對空間方位對所述動態空間方位進行修正，生成 所述的空間姿態信息；
[0019] RF收發器，連接所述的CPU，用于將所述的空間姿態信息及慣性信息發送給所述 的接收處理器，所述慣性信息包括所述的加速度信息及角速度信息。
[0020] 在一實施例中，部分所述慣性傳感器模塊與所述部分光學標識兩兩集成在一起， 形成至少一慣性標識點。
[0021] 在一實施例中，所述的接收處理器具體用于：對所述的加速度進行二次積分生成 所述基于慣性的位置信息，然后基于生物力學約束以及外界約束對所述基于慣性的位置信 息進行修正，生成修正后的基于慣性的位置信息。
[0022] 在一實施例中，所述的接收處理器將所述基于慣性的位置信息及基于光學標識點 的位置信息進行整合時，具體用于：當光學標識發生遮擋或者重疊時，以所述修正后的基于 慣性的位置信息生成所述待測對象的位置信息；當重新獲得所述基于光學標識的位置時， 計算基于光學標識的測量誤差a及基于慣性的測量誤差b，根據測量誤差a及測量誤差b