一種融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統的製作方法
2023-06-10 01:31:01
專利名稱：一種融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及圖像採集及處理技術領域，具體地，涉及一種融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統。
背景技術：
運動捕捉技術是發展動漫產業的核心技術，為文化產業發展提供技術保障。三維動畫的製作中，在建立了角色的數字模型之後，我們需要根據腳本的要求為模型定義運動，這是一項工作量巨大的工作，也是動畫片生產中影響效率提高的瓶頸。運動捕捉技術的應用對動畫片製作效率和質量的提高具有重要的意義，本來需要數月來完成的工作應用運動捕捉系統之後只需要短短數日即可完成。應該說運動捕捉技術的應用是動畫片製作技術的重大突破，也是今後動畫製作技術發展的趨勢。甘肅省十二五規劃指出:培養和發展文化產業，重點發展現代傳媒、出版發行、文娛演藝、文化旅遊等優勢產業，加快數字內容及影視動漫、廣告會展、文化創意、體育健身等新業態發展。可見，需要以2011年國家文化部科技創新項目:基於微機械室人體動作信息捕捉技術開發及系統研製(編號:201109)為基礎，並進一步拓展研究擬實現多人實時運動捕捉技術的研發，因此，基於微機械室人體動作信息捕捉技術開發及系統的研製，是動漫產業發展的核心技術之一，運動控制是制約動漫產業發展的瓶頸問題，尤其是多角色不同運動軌跡的運動控制情形。運動捕捉系統作為動漫產業的核心裝備，關係到甘肅「推進文化繁榮發展，建設文化大省」的戰略目標的實現。超寬帶(Ultra-Wideband,簡稱UWB)技術代表了一種新的共享使用頻譜方式，可用於任何一類通信系統，其優點是:傳輸速率高、系統容量大、低功耗、低成本、抗多徑幹擾能力和穿透能力強，其功率譜密度極低，能與現有通信系統共存，並且能獲得比現有無線定位技術更高的測距定位精度。上世紀90年代，SCH0LTZR.A.首次提出採用衝激脈衝進行跳時調製用於多址通信系統，這篇具有裡程碑式意義的論文開啟了對UWB理論進行系統研究的先河，此後，UffB技術日漸成為當前無線通信研究中的熱點，空間位置信息的獲取是通信及信息科學領域的前沿課題之一。對於脈衝無線電超寬帶(Impulse Radio Ultra-Wideband,簡稱IR-UWB)技術，其脈衝寬度僅為納秒(ns)或亞納秒級，因此，UWB定位技術引起了學術界和業界的極大關注IEEE802.15.4a標準將UWB作為定位應用的首選技術。最新的FCC報告為UWB雷達與傳感器應用開放了更寬的頻帶:5.925 7.250GHz, 16.2 17.7GHz，23.12 29.0GHz.UffB定位研究的著名學者FONTANA總結了近年來UWB測距應用，從不同精度需求和應用場合，可分為精確測距系統、防衝撞系統和入侵檢測系統，可見UWB在精確定位測距領域的重要之處。精密資產定位系統(Precision Asset Location System,簡稱PALS),是以測距為基礎的精確定位系統，2003年美國海軍研究機構開發了符合FCC民用規範的PALS650工作頻段範圍包括在3.1 10.6GHz之間。定位方式採用無線定位技術(Time Difference ofArrival,簡稱TDOA),在同步丟失(Lost of synchronous,簡稱LOS)環境下定位範圍可達200m,接收信噪比(signal-to-noise ratio,簡稱SNR)較高時採用平均處理後的定位精度接近0.08m。基於UWB定位技術的成熟度和精確度，在短距離範圍內提供高速無限數據傳輸也將是UWB的重要應用領域，如果擬研發的多人動作實時捕捉技術將應用超寬帶定位技術對多人動作捕捉系統中的表演者進打精確定位，則能提聞多人實時運動捕捉系統中眾多表演者之間相互位置的精確性。而傳統的基於接收信號的強度指標(Received Signal Strength Indicator,簡稱RSSI)信號強弱判斷的射頻識別即(Radio Frequency Identification,簡稱RFID,又稱電子標籤、無線射頻識別)、Zigbee(是基於IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議，是一種低速短距離傳輸的無線網絡協議)、WIFI是一種可以將個人電腦、手持設備(如PDA、手機)等終端以無線方式互相連接的技術等射頻技術，只能實現區域判斷和位置感知的功能，並且受現場環境和天氣環境影響比較大，系統的穩定性和可靠性十分不理想。能定位的，定位精度也在3-5米以上，不能做精確控制應用。在三維動畫創作中，三維動畫模型的運動控制是一項工作量巨大的工作，也是動畫片創作中影響效率提高的關鍵，而工作量更複雜的是動畫製作中多角色不同運動控制的情形，虛擬角色數量較多且不同角色的運動軌跡不同。為解決這一動畫創作中的瓶頸問題，近年來，國內外業界開始了應用於動畫製作的運動捕捉技術的研究，其方法是應用運動捕捉所獲的多人或單人的人體運動數據控制動畫中虛擬角色的運動，以減輕角色運動控制與設定的工作量，提高創作效率及角色運動的逼真程度。UffB定位技術主要基於時間和脈衝定位，具有較好的抗幹擾性和抗多路徑效應能力，具有良好的定位精度和實時性能夠很好地滿足本多人實時運動捕捉系統的精度標準。如何可以研發多人實時動作捕捉系統，基於機械式運動捕捉技術實現對人體運動姿態的實時測量，運用機械式人體運動捕捉技術，即通過綁定在人體上的數個慣性傳感器獲取人體各特徵點的運動數據，之後在PC機上利用相應的軟體對該運動數據進行分析解算，軟體內部主要採用反向運動學算法求解人體各關節點的相對位移量(即數據解算過程)，從而完成人體運動姿態的實時捕捉 ，因此，需要融合超寬帶定位技術和機械式人體運動捕捉技術完美實現多人實時運動捕捉技術的研發及系統研製。在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術中至少存在可靠性差、定位精度低、定位與捕捉的同步性差、以及多角色運動定義及控制難度大等缺陷。
發明內容
本發明的目的在於，針對機械式動捕系統無法進行多人動作捕捉問題，提出一種融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，可以由慣性動捕技術獲取各目標的動作信息(關節點上的相對的位置數據)，由超寬帶定位技術獲取各目標的位置信息(各目標的絕對位置數據)，通過融合計算，實時得到各捕捉目標的完整的信息實現多目標動作的實時捕捉。為實現上述目的，本發明採用的技術方案是:一種融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，包括由慣性動捕技術獲取各目標的動作信息的慣性動捕系統，由超寬帶定位技術獲取各目標的位置信息用於在三維空間中對多人UWB定位數據進行實時採集和處理的UWB定位系統，以及連接在所述UWB定位系統和慣性動捕系統之間、且用於對所述UWB定位系統和慣性動捕系統進行統一管控的主控制器系統。這樣，由慣性動捕技術獲取各目標的動作信息(關節點上的相對的位置數據)，和由超寬帶定位技術獲取各目標的位置信息(各目標的絕對位置數據)，通過融合計算，實時得到各捕捉目標的完整的信息。進一步地，以上所述的融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，還包括連接在所述主控制器系統與UWB定位系統之間的無線通信模塊。進一步地，所述無線通信模塊，包括設在所述UWB定位系統側、且依次與UWB定位系統連接的第一天線和藍牙接收模塊；
還包括設在所述主控制器系統側、且依次與所述主控制器系統連接的第二天線和藍牙傳輸模塊。進一步地，所述UWB定位系統，包括設在主監測站的主傳感器，設在從監測站、且與所述主傳感器時間同步設置的從傳感器，分別與所述主傳感器和從傳感器連接、且用於向主傳感器和從傳感器發送UWB脈衝信號序列的UWB標籤，以及連接在所述主傳感器與主控制器系統或無線通信模塊之間、且用於獲取UWB定位數據並進行處理的工作站；
所述工作站，包括具有PC軟體和BVH文件的PC機。進一步地，所述UWB定位系統，還包括當所述主傳感器和/或從傳感器的數量為多個時使用的POE交換機，以及與所述POE交換機匹配設置的標準的超五類網線和超五類帶屏蔽的網線。進一步地，所述慣性動捕系統，包括由多個傳感器節點構成、且用於獲取人體各特徵點處的運動姿態數據的傳感器網絡，以及分別與所述傳感器網絡中的相應傳感器節點匹配連接、且均與主控制器系統連接的多個節點控制器；所述多個節點控制器與主控制器系統之間採用主從式星形網絡拓撲結構設置。進一步地，所述多個傳感器節點，包括設置在人體各關鍵關節點處、並用於獲取人體各關鍵關節點處的運動數據並發送至相應節點控制器的多個微機械傳感器，相應節點控制器將處理得到的歐拉角或四元數發送至所述主控制器系統。進一步地，每個微機械傳感器，包括分別用於採集人體相應關節點在三個坐標軸上的加速度分量、角速度分量和地磁傾角分量的三軸加速度傳感器、三軸角速度傳感器和三軸地磁場傳感器。進一步地，所述主控制器系統，包括處理器，以及與所述處理器連接的供電電源。進一步地，所述處理器，包括單片機或MCU ;和/或，
所述供電電源，包括多個串聯的蓄電池，以及分別與所述串聯的多個蓄電池連接、且用於對多個蓄電池進行電源管理的電源管理晶片。本發明各實施例的融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，由於包括由慣性動捕技術獲取各目標的動作信息的慣性動捕系統，由超寬帶定位技術獲取各目標的位置信息用於在三維空間中對多人UWB定位數據進行實時採集和處理的UWB定位系統，以及連接在UWB定位系統和慣性動捕系統之間、且用於對所述UWB定位系統和慣性動捕系統進行統一管控的主控制器系統；可以融合慣性動捕與超寬帶定位技術，獲取各目標的動作信息和位置信息，通過融合計算，實時得到各捕捉目標的完整的信息並應用於動漫、遊戲角色的控制，高效地解決三維動畫創作中多角色運動定義及控制的瓶頸問題；從而可以克服現有技術中可靠性差、定位精度低、定位與捕捉的同步性差、以及多角色運動定義及控制難度大的缺陷，以實現可靠性好、定位精度高、定位與捕捉的同步性好、以及多角色運動定義及控制難度小的優點。本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
附圖用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。在附圖中:
圖1為本發明融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統的工作原理示意
圖2為本發明中人體運動姿態數據採集原理示意 圖3為本發明中基於分層骨架結構模型的人體關節層次結構示意 圖4為本發明中基於圖3的傳感器網絡節點分布示意 圖5為本發明中人體運動姿態圖形重建的數據流向及處理流程示意 圖6為本發明中UWB定位系統的工作原理示意 圖7為本發明中距離差的原理示意 圖8為本發明中TDOA定位的原理示意 圖9為本發明中UWB定位系統中主傳感器和/或從傳感器的數量為多個時使用POE交換機時的原理及連接方式示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。根據本發明實施例，提供了一種融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統。如圖1-圖9所示，本實施例的融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，包括用於在三維空間中對多人UWB定位數據進行實時採集和處理的UWB定位系統，用於在三維空間中對人體運動姿態數據進行採集和處理的慣性動捕系統，連接在UWB定位系統和慣性動捕系統之間、且用於對UWB定位系統和慣性動捕系統進行統一管控的主控制器系統，以及連接在主控制器系統與UWB定位系統之間的無線通信模塊。這裡，無線通信模塊，包括設在UWB定位系統側、且依次與UWB定位系統連接的第一天線和藍牙接收模塊；還包括設在主控制器系統側、且依次與主控制器系統連接的第二天線和藍牙傳輸模塊。主控制器系統，包括處理器，以及與處理器連接的供電電源；處理器，包括單片機或MCU ;和/或，供電電源，包括多個串聯的蓄電池，以及分別與串聯的多個蓄電池連接、且用於對多個蓄電池進行電源管理的電源管理晶片。上述UWB定位系統，包括設在主監測站的主傳感器，設在從監測站、且與主傳感器時間同步設置的從傳感器，分別與主傳感器和從傳感器連接、且用於向主傳感器和從傳感器發送UWB脈衝信號序列的UWB標籤，以及連接在主傳感器與主控制器系統或無線通信模塊之間、且用於獲取UWB定位數據並進行處理的工作站；工作站，包括具有PC軟體和BVH文件的PC機。該UWB定位系統，還包括當主傳感器和/或從傳感器的數量為多個時使用的POE交換機，以及與POE交換機匹配設置的標準的超五類網線和超五類帶屏蔽的網線。這裡，多個傳感器的定位數據通過超五類網線傳送至POE交換機，工作站(PC機)與POE交換機相連並不斷地從POE交換機中讀取定位數據，此時的POE交換機與UWB定位系統中多個主傳感器和/或從傳感器的連接方式及原理，可參見圖9。上述慣性動捕系統，包括由多個傳感器節點構成、且用於獲取人體各特徵點處的運動姿態數據的傳感器網絡，以及分別與傳感器網絡中的相應傳感器節點匹配連接、且均與主控制器系統連接的多個節點控制器；多個節點控制器與主控制器系統之間採用主從式星形網絡拓撲結構設置。多個傳感器節點，包括設置在人體各關鍵關節點處、並用於獲取人體各關鍵關節點處的運動數據並發送至相應節點控制器的多個微機械傳感器，相應節點控制器將處理得到的歐拉角或四元數發送至主控制器系統。每個微機械傳感器，包括分別用於採集人體相應關節點在三個坐標軸上的加速度分量、角速度分量和地磁傾角分量的三軸加速度傳感器、三軸角速度傳感器和三軸地磁場傳感器。本實施例的融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，主要融合UWB定位技術和機械式人體運動捕捉技術，實現多人實時動作捕捉技術的研發，主要涉及UWB定位技術、微機械傳感器技術、藍牙技術、多人運動模型實時圖形重建軟體的設計，目標是形成具有自主智慧財產權的國產機械式多人實時運動捕捉系統。該融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統的研發，在國內將是首創並處於絕對的領先水平。本實施例的融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，可以解決以下技術問題:
⑴人體UWB定位數據與人體運動捕捉數據之間的同步性問題多人運動捕捉技術的關鍵問題之一，就是多表演者在三維空間的實時定位坐標數據與表演者身體運動姿態數據的一致性和同步性；若兩者不能做到很好的實時同步，則多人在三維空間的運動姿態及位置就會混亂，此問題可以通過該融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統軟體算法的優化編程來解決；
⑵降低動漫創作中多角色運動定義及控制的複雜度問題；
⑶三維空間中多人運動模型的實時圖形重建軟體的設計問題。本實施例的融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，主要涉及機械式人體運動姿態捕捉和基於超寬帶定位技術的人體三維空間位置的精確定位兩個方面。其中:
⑴機械式人體運動捕捉技術，主要涉及微機械傳感器技術、藍牙技術、傳感器網絡節點設計和圖形化人體運動模型重建軟體設計。慣性動捕系統利用傳感器網絡獲取人體各關鍵關節點處的運動數據(即四元數)，並通過藍牙無線傳送至工作站(PC端)，PC端有圖形化人體運動模型重建軟體，該軟體內部採用解析的反向運動學算法對各關節點處的運動數據進行解算，最後得到控制三維動畫角色運動的數據(即節點位移量)，從而實現對人體運動姿態的實時測量捕捉。
⑵多人動作捕捉系統的另一個關鍵問題，就是實時獲取每個人在三維空間中的精確位置，因此，該融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統進一步融合了 UWB定位技術對多人動作捕捉系統中的多個虛擬角色進行精確定位，多人運動捕捉系統中每位表演者頭部均佩戴一個UWB標籤，UffB標籤不斷地發出UWB脈衝信號序列，相應的脈衝UWB信號被主傳感器和從傳感器接收，主、從傳感器間用一根超五類帶屏蔽的網線實現互聯和時間信號同步，傳感器利用信號到達時間差(TDOA)和信號到達的角度(AOA)兩種方式來計算UWB標籤的精確位置。這樣，可以將人體運動捕捉數據和人體UWB定位數據傳送至工作站(PC端)，工作站內部利用相應的圖形化多人運動模型重建軟體對採集到的運動姿態數據和人體定位數據進行同步和解算，從而融合超寬帶定位技術和機械式人體運動捕捉技術實現多人實時運動捕捉系統研製。這裡涉及的關鍵技術主要是人體運動姿態的實時捕捉和多人三維空間位置的實時定位，具體實現原理可參見圖1。本實施例的融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統的數據流操作過程，包括三維空間中多人UWB定位數據的實時採集和處理、以及人體運動姿態數據的採集和處理,並分別採用UWB定位技術和機械式運動捕捉技術來實現。其中:
⑴人體運動姿態數據的實時採集和處理
人體運動姿態數據的採集由傳感器網絡來實現，傳感器網絡中的每個傳感器都有獨立的控制器，多個傳感器節點(即多個傳感器單元)就組成傳感器網絡。將傳感器網絡的各節點布置在人體待測的特徵點上，在運動過程中，主控制器系統命令各節點控制器通過傳感器採集運動過程中人體各節點在三個坐標軸上的加速度分量、角速度分量和地磁傾角分量。各節點控制器與主控制器系統之間採取主從式星形網絡拓撲結構，利用總線形式進行通信。主控制器集中各傳感器節點上傳的信息，對信息進行分析並作相應數據處理後，輸出有效數據通過藍牙接收模塊傳送到PC端(例如，設在工作站的PC機)對數據進行處理計算，最後得到人體運動姿態數據。人體運動姿態數據採集過程及原理，可參見圖2。①傳感器網絡節點設計
傳感器網絡的作用主要是獲取人體各特徵點處的運動姿態數據，人體各特徵點運動姿態的融合可用於模擬整個人體的運動姿態，系統可將人體骨骼模型的運動抽象成人體關節模型的運動，人體骨架是一種關節鏈結構，關節鏈是由一系列依次相連的剛體(一般假設物體無論受到多大外力或轉動得多快都不變形，稱這樣的物體為剛體，它是力學中關於研究對象的一個理想模型)連接而成的，兩個剛體的連接處稱之為關節點。例如，可以將人體骨架模型繼續抽象出17個關鍵關節點，相應的關節分別是臀腹關節、左胸肩關節、右胸肩關節、左肩關節、右肩關節、左肘關節、右肘關節、左腕關節、右腕關節、胸頸關節、頭頸關節、左腿根關節、右腿根關節、左膝關節、右膝關節、左躁關節和右躁關節，因此整個運動的人體可被看作是由17個關鍵關節點連接而成的人體骨架模型，同時將人體臀腹關節作為人體模型根關節，來確定人體的世界空間位置和朝向。這裡採用常規的分層骨架結構模型(即樹形結構)進行圖形描述，具體可參見圖3。人體關節模型中各關節的劃分是對人體關鍵關節點的提取過程，人體各關鍵關節點處的運動信息經處理後可以有效地反應整個人體的運動姿態，為獲取運動人體的17個關鍵關節點處的運動信息，將在每個關鍵關節點處均放置一個微機械傳感器即傳感器節點，所以共將17個微機械傳感器放置在運動人體的17個關鍵關節點處，由此構成具有17個節點的傳感器網絡。每個傳感器分別獲取運動人體的特定關節點處的運動姿態，之後在PC端圖形化軟體中對運動姿態數據進行解算，獲得每個關節點的相對位移量，從而由各特徵點的運動姿態構建出整個人體的運動姿態模型。由以上人體關節層次模型擬確定傳感器網絡節點的分布可參見圖4，圖4中每個黑色圓點代表一個傳感器網絡節點，整個傳感器網絡由17個網絡節點構成，每個節點處放置一個微機械傳感器。②主控制器系統設計
通過編程實現主控制器CPU不斷的獲取各傳感器網絡節點處的運動數據，同時傳感器網絡節點與主控制器系統之間採用RS-485總線連接，RS-485總線具有較高的數據傳輸速率(IOMbps)，且總線接口具有良好的抗噪聲幹擾性及較長傳輸距離的特點。通過RS-485總線主控制器系統實時獲取傳感器網絡各節點的運動姿態數據，主控制器系統集成藍牙傳輸模塊，藍牙傳輸模塊用於無線發送人體各關鍵關節點處的運動數據至PC端，主控制器系統可以保證實時獲取人體各關節點處的運動數據，並實時傳送至PC端人體運動模型圖形重建軟體中。③電源電路設計
運動捕捉系統中每個主控制器系統都需要一個供電電源，電源可採用4節1.2V、3000mAh鎳氫充電電池串聯構成，並採用電源管理晶片LP2951進行電源管理，為系統提供穩定的5V工作電壓，同時具有電量檢測的功能。④單片機軟體設計
單片機軟體部分包括傳感器網絡節點控制器的數據採集部分程序和主控制器的數據處理部分程序兩部分，數據採集部分主要用於單片機實時採集網絡節點感器輸出的三軸加速度模擬量及角速度模擬量及磁場強度模擬量，將9路A/D轉換的結果存儲到單片機內部的SRAM (英文Static RAM的縮寫，它是一種具有靜止存取功能的內存，不需要刷新電路即能保存它內部存儲的數據)中。當單片機接到主控制器發出的中斷請求後，將SRAM中存儲的數據通過總線發送給主控制器，並將SRAM中所存數據清空。包括系統外圍各部分接口器件GUI函數、用戶參數設定、獲取各節點轉換數據、數據處理等功能，這些功能由主控制器完成。⑤PC端圖形化數據處理及運動分析重建軟體設計
系統的人體運動姿態圖形重建軟體，應具備智能的運動數據處理及實時重現人體運動姿態的功能，同時還可以編輯修改之前記錄的動作信息。該人體運動模型實時重建軟體的開發基於Visual C++ 6.0集成開發環境，利用C++程式語言，涉及MSComm通信控制項、MFC類庫(微軟基礎類庫)、C0M組件的調用和圖形化程序設計的編程思想。在Visual C++ 6.0集成開發環境中通過添加MSComm控制項來實現與藍牙設備的通信功能，並以事件驅動的方式處理串行埠通信，MSComm控制項提供OnComm事件和CommEvent屬性捕捉並檢查通訊事件的值，Input和Output可用於向相應緩衝區中讀取和寫入字符數據。最後再將從藍牙埠獲取的人體各關節點的運動數據，以及UWB定位系統測得的多人在三維空間中精確位置數據，共同提交給軟體的運動姿態顯示模塊，用於人體運動模型的實時重建和顯示，其數據流向及處理流程參見圖5。⑵多人UWB定位數據的實時採集和處理UWB定位技術是基於時間和脈衝定位，具有較好的抗幹擾性和抗多路徑效應能力，定位精度高和實時性好。UWB定位系統由UWB標籤、傳感器、POE交換機(多傳感器系統中用到)、標準的超五類網線、超五類帶屏蔽的網線構成。UWB定位系統中的UWB標籤不斷地發出UffB脈衝信號序列,UffB信號是一個6-8GHz的脈衝序列,該脈衝信號將被主傳感器和從傳感器接收，主、從傳感器間用一根超五類帶屏蔽的網線實現互聯和時間信號同步，傳感器利用UffB標籤的UWB信號到達時間差(TDOA)來計算UWB標籤的精確位置，最後UWB定位系統將三維空間中的人體精確位置信息傳送至工作站(PC機)，供工作站軟體實時確定三維空間中虛擬角色的精確位置，UffB定位系統的工作原理參見圖6。UffB信號到達時間差(TDOA)定位原理，具體如下:
信號到達時間差(TDOA)通過測量無線電信號到達不同檢測地點的天線單元時間差，來對發射無線電信號的發射源進行定位。UWB信號到達時間差(TDOA)就是指UWB標籤T發出的UWB脈衝信號分別到達主傳感器A和從傳感器B的時間差值，由信號到達主傳感器A和從傳感器B的時間差值，便可以計算出A與B的距離差，即TA-TB的差值。距離差=時間差X電磁波速度，具體參見圖7，T代表一個UWB標籤，A代表主傳感器，B代表從傳感器。參見圖8，到達時間差(TDOA)的定位流程如下:
①從監測站(從傳感器)將同一時間測量同一信號得到的數據發送至主監測站(主傳感器)；
②主監測站(主傳感器)分別計算出無線電信號到達兩個監測站天線的時間差(利用相關算法)；
③根據兩站之間時間差轉換為距離差，可以得到一條雙曲線；
④通過三個或多個無線電監 測站測得的時間差可以得到兩條或多條雙曲線相交來實現對發射源的定位，雙曲線的交點處就是發射源的精確位置，具體參見圖8。本實施例的融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，具有以下特
佔-
^ \\\.⑴融合了 UWB定位技術和機械式人體運動捕捉技術，這兩項技術在多人實時運動捕捉系統研製中的應用在國內屬於首創；
⑵將高效地解決三維動畫創作中多角色運動定義及控制的瓶頸問題，將填補動漫創作領域的一項新的空白，在國內將處於絕對的領先水平；
⑶作為融合超寬帶定位技術和機械式運動捕捉技術的多人動作實時捕捉產品，成本低、易於推廣應用，具有較大的市場空間。最後應說明的是:以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對於本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，其特徵在於，包括由慣性動捕技術獲取各目標的動作信息的慣性動捕系統，由超寬帶定位技術獲取各目標的位置信息用於在三維空間中對多人UWB定位數據進行實時採集和處理的UWB定位系統，以及連接在所述UWB定位系統和慣性動捕系統之間、且用於對所述UWB定位系統和慣性動捕系統進行統一管控的主控制器系統。
2.根據權利要求1所述的融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，其特徵在於，還包括連接在所述主控制器系統與UWB定位系統之間的無線通信模塊。
3.根據權利要求2所述的融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，其特徵在於，所述無線通信模塊，包括設在所述UWB定位系統側、且依次與UWB定位系統連接的第一天線和藍牙接收模塊； 還包括設在所述主控制器系統側、且依次與所述主控制器系統連接的第二天線和藍牙傳輸模塊。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，其特徵在於，所述UWB定位系統，包括設在主監測站的主傳感器，設在從監測站、且與所述主傳感器時間同步設置的從傳感器，分別與所述主傳感器和從傳感器連接、且用於向主傳感器和從傳感器發送UWB脈衝信號序列的UWB標籤，以及連接在所述主傳感器與主控制器系統或無線通信模塊之間、且用於獲取UWB定位數據並進行處理的工作站； 所述工作站，包括具有PC軟體和BVH文件的PC機。
5.根據權利要求4所述的融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，其特徵在於，所述UWB定位系統，還包括當所述主傳感器和/或從傳感器的數量為多個時使用的POE交換機，以及與所述POE交換機匹配設置的標準的超五類網線和超五類帶屏蔽的網線。
6.根據權利要求1-3中任一項所述的融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，其特徵在於，所述慣性動捕系統，包括由多個傳感器節點構成、且用於獲取人體各特徵點處的運動姿態數據的傳感器網絡，以及分別與所述傳感器網絡中的相應傳感器節點匹配連接、且均與主控制器系統連接的多個節點控制器；所述多個節點控制器與主控制器系統之間採用主從式星形網絡拓撲結構設置。
7.根據權利要求6所述的融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，其特徵在於，所述多個傳感器節點，包括設置在人體各關鍵關節點處、並用於獲取人體各關鍵關節點處的運動數據並發送至相應節點控制器的多個微機械傳感器，相應節點控制器將處理得到的歐拉角或四元數發送至所述主控制器系統。
8.根據權利要求7所述的融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，其特徵在於，每個微機械傳感器，包括分別用於採集人體相應關節點在三個坐標軸上的加速度分量、角速度分量和地磁傾角分量的三軸加速度傳感器、三軸角速度傳感器和三軸地磁場傳感器。
9.根據權利要求1-3中任一項所述的融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，其特徵在於，所述主控制器系統，包括處理器，以及與所述處理器連接的供電電源。
10.根據權利要求9所述的融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，其特徵在於，所述處理器，包括單片機或MCU ； 所述供電電源，包括多個串聯的蓄電池，以及分別與所述串聯的多個蓄電池連接、且用於對多個蓄電池進行電源管理 的電源管理晶片。
全文摘要
本發明公開了一種融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，包括由慣性動捕技術獲取各目標的動作信息的慣性動捕系統，由超寬帶定位技術獲取各目標的位置信息的UWB定位系統，用於在三維空間中對人體運動姿態數據進行採集和處理的慣性動捕系統，以及連接在所述UWB定位系統和慣性動捕系統之間、且用於對所述UWB定位系統和慣性動捕系統進行統一管控的主控制器系統。該融合超寬帶定位與慣性傳感技術的多人動作捕捉系統，融合慣性動捕與超寬帶定位技術，獲取各目標的動作信息和位置信息，通過融合計算，實時得到各捕捉目標的完整的信息並應用於動漫、遊戲角色的控制，是現有動作捕捉技術的提升與發展。
文檔編號G06F3/01GK103150016SQ201310054858
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月20日 優先權日2013年2月20日
發明者王永生 申請人:蘭州交通大學