專利名稱：基于骨架模型的姿態測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種虛擬現實行業中使用的姿態采集輸入設備，更具體地來說屬于一種基于骨架模型的姿態測量裝置。
背景技術：
姿態采集特別是人體的姿態采集已經有越來越廣泛的應用，姿態采集設備有廣泛的使用需求。已有的姿態采集設備，多采用以下幾種方法或裝置1，使用有機械連接的角度傳感器測量作為被測目標的目標物的位置。如機械式的虛擬現實輸入手套。利用該手套的五個手指均連接有多個角度傳感器，將人手的動作狀態輸入到計算機。這種輸入多用于遠程機械手控制、虛擬顯示仿真、人手仿生學研究，還有三維動畫制作過程中的人手姿態測量。也可在人體軀干、四肢和頭部安裝類似的角度傳感器，以輸入整個人體的姿態。其缺點是由于有機械連接，無法使被測姿態的人或物自由運動，測量角度和精度均受限制，且被測目標的人感覺非常不舒服。
2，光球攝像法姿態采集。這種方法是將作為被測目標的人體身著全黑色緊身服裝，身體的各個關節和關鍵點綁定若干對特定波長光線有強烈反射作用的光球，以采集人體狀態。使用時人體在黑色不反光的幕布前做出各種需要測量的動作，并用前述的特定波長的燈光照射被測人體，有若干臺帶有該特定波長濾色片的攝像機從多個角度對目標進行攝像。由多個攝像機攝到的圖像經過高速計算機進行三維重構，得出被測目標的運動姿態。這種方法廣為使用，特別是電影特技拍攝、人體運動姿態采集、互動娛樂角色建模等方面運用最為廣泛。其好處是對于快速的運動相應較好，但是設備昂貴，因為要進行大量三維圖像處理。如果要實時采集姿態，那對于處理設備的計算能力要求則更高，多采用大型圖形工作站等進行處理。
3，三維激光線掃描攝影建模。利用兩只或多只激光線立體掃描器，通過測距的方法得到被測目標的輪廓模型，進而將多個方向的輪廓模型用計算機進行組合，成為一個靜態三維模型，而以隨時間的多個三維模型經過插值，得到被測目標的姿態變化。其缺點是不能測量高速運動的目標。
以上設備皆限于復雜、費用高，或使用不方便，難以普及推廣。
發明內容
本實用新型的目的是提供一種實時、便捷、廉價的將被測目標的姿態輸入至計算機中的姿態測量裝置及其方法——基于骨架模型的姿態測量裝置，以彌補已有技術的不足。
為了便于理解和實施，下面介紹一下本實用新型包括關鍵部件在內的原理。專門采用的傳感器組由固定在基板上的加速度傳感器和磁阻傳感器組成。近幾年發展起來傳感器技術為姿態采集提供了所需的加速度傳感器，這種傳感器多用于震動監測和角度測量。該傳感器可以測量自身的加速度，在靜態時測量的是自身的重力加速度與測量軸的角度余弦值。可以使用三只單軸加速度傳感器組成三軸加速度傳感器。本實用新型采用的另一種傳感器是微型磁阻測量傳感器，這種傳感器芯片采用多軸磁玻莫合金電橋，通過測量電橋偏差來確定磁場的方向和強度，以測量以地磁為基準的方位角。市售的一種以該傳感器為主體組成三維磁阻混合電路模塊內還包括溫度、磁偏差補償和基準電壓，使用其測量地磁方向非常方便。其中加速度傳感器輸出的電壓值是與加速度成正比的，如果傳感器靜止時，其輸出就是傳感器測量方向與重力加速度的夾角余弦值乘以施加在傳感器上的電源電壓的1/2。傳感器組中的加速度傳感器使用至少三個傳感器，其空間位置為三個軸互為正交，以便在任何姿態都可以得到仰角數據；磁阻傳感器的輸出值是傳感器與正磁北方向的夾角余弦值乘以施加在傳感器上的電源電壓的1/2。磁阻傳感器也使用至少三個傳感器，其空間位置為三個軸也互為正交，以便在任何姿態都可以得到方位角數據。確定仰角和方位角后，即確定了傳感器組的姿態，即可反映出與其剛性連接的被測目標的姿態。這些傳感器的各x、y、z軸的輸出信號皆被A/D轉換電路轉換為數字量，并通過現場總線傳輸至計算機。將傳感器組固定于被測目標的各可活動單元上，就可測得被測目標的姿態數據，最后由含有軟件程序的計算機進行處理，即得到被測目標的姿態，并顯示和存儲。在某些特殊情況下，如被測目標的姿態變化只有兩個自由度，則上述的傳感器組中的加速度傳感器和磁阻傳感器可由少于三個的傳感器所構成。
姿態測量的第一步工作是按照被測目標的骨骼運動特點，在計算機中建立被測目標的骨架模型。骨架模型的建立方法在人體醫學和人類仿生學方面已經有長期的應用。以人的姿態測量為例，可以建立以軀干為基準活動單元的人體骨架模型。其它直接連于軀干的肢體作為基準的子模塊，同時也作為更下一級肢體的父模塊。父子模塊之間只能以關節為零點的極坐標方式運動而不能脫離關節。測量時將上述傳感器組剛性固定于被測目標的可活動單元上進行測量。也只有運用骨架模型才可將測量姿態需要確定的9個自由度縮減為3個自由度，以降低姿態測量的復雜程度。
因此，本實用新型包括固定在被測目標的可活動單元上的至少一個傳感器組，各傳感器組的輸出信號由電纜分別連接到含有A/D轉換電路的轉換傳輸電路并被轉換為數字信號，再經過有線或無線的數據傳輸總線傳輸至運行有軟件程序的計算機而顯示和存儲，并由電源供電。
基于骨架模型的本實用新型的姿態測量方法為首先在計算機中建立以被測目標的各活動單元為特征的骨架模型，再將傳感器組固定于被測目標的各活動單元上，然后將計算機測量的各傳感器組的輸出值，轉化為可活動單元的姿態矢量和運動矢量，最后將其運用至已建好的骨架模型上，并顯示、存儲。
上述傳感器組由固定在基板上的至少兩個呈正交排列的加速度傳感器和至少兩個呈正交排列的磁阻傳感器組成，兩種傳感器可以并排或疊加固定在基板上。
基于骨架模型的本實用新型可以實時的將采集的被測目標的姿態數據輸入至計算機中，用于虛擬現實、運動員姿態研究、電影替身動作采集、互動娛樂程序主角的動作采集，也可用于動物以及非磁性物體的狀態采集。由于本實用新型直接測量被測目標的姿態向量，而不是原有技術使用實時視頻處理，所以本實用新型中不需要昂貴的高性能計算機，只要普通PC計算機即可。本實用新型運用被測目標的骨架模型，使傳感器的數量和復雜程度有較大降低，更適合本裝置的普及。
以下結合附圖對本實用新型做進一步說明。
圖1，本實用新型的總體結構示意圖圖2，本實用新型的軟件流程圖圖3，本實用新型的姿態測量的立體示意圖圖4，本實用新型的仰角測量示意圖圖5，本實用新型的方位角測量示意圖圖6，本實用新型的模塊化的電路原理圖圖7，本實用新型的另一種轉換傳輸電路的模塊化的原理圖圖8，本實用新型的傳感器組結構示意圖其中，1，被測目標 2，傳感器組 3，電纜 4，A/D轉換電路 5，電源 6，數據傳輸總線 7，接口卡 8，計算機 9，顯示器 10，基板 11，加速度傳感器 12，磁阻傳感器 13，模型左上臂 14，多路模擬開關 15，轉換傳輸電路 16，手持物具體實施方式
本實用新型包括固定在被測目標1的可活動單元上的至少一個傳感器組2，各傳感器組2的輸出信號由電纜3分別連接到含有A/D轉換電路4的轉換傳輸電路15并被轉換為數字信號，再經過有線或無線的數據傳輸總線6傳輸至運行有軟件程序的計算機8而顯示和存儲，并由電源5供電。
基于骨架模型的本實用新型的姿態測量方法為首先在計算機8中建立以被測目標1的各活動單元為特征的骨架模型，再將傳感器組2固定于被測目標1的各活動單元上，然后將計算機8測量的各傳感器組2的輸出值，轉化為可活動單元的姿態矢量和運動矢量，最后將其運用至已建好的骨架模型上，并顯示、存儲。
上述傳感器組2由固定在基板10上的三個呈正交排列的加速度傳感器11和三個呈正交排列的磁阻傳感器12組成，兩種傳感器可以并排或疊加固定在基板10上。
本實用新型的被測目標1可以是人或動物以及非磁性的物體。圖1中的被測目標1以人體為例進行說明。被測目標1是由若干塊可活動單元組成的人體模型，以其中心如軀干部分作為基準活動單元，其他均作為其子模塊按照一定的連接方式連接到基準單元上。例如，頭部在頸椎位置連接到軀干上，頭部只能以頸椎部分的連接點按極坐標運動，或以連接點為軸旋轉運動，以便唯一地確定頭部相對于軀干的相對空間關系。被測目標建立模型后的每一個活動單元均固定至少一個傳感器組2，傳感器組2內包含有固定于基板10上的一個互為正交排列的三軸加速度傳感器和一個互為正交排列的三軸磁阻傳感器，特殊情況下，傳感器組2中所含的傳感器也可以少于三軸。傳感器組2的輸出端經過電纜3連接到內含有A/D轉換電路轉換傳輸電路15上，將模擬信號轉換為數字信號。所有的傳感器組2都有電纜3連接(圖1中只畫出五條)，通常狀況下，每條電纜3都有六條數據傳輸通路(如圖6、圖7)。數據經過轉換傳輸電路15傳輸至計算機8。數據傳輸至計算機8后，最終通過在計算機中的測量軟件計算、顯示、儲存被測目標的姿態和運動。整個采集設備由電源5供電。作為有線的數據傳輸方式可以使用RS-232串行接口，可以使用RS-485串行接口，也可以使用DeviceNet等現場工業現場總線，或者是以太網總線，作為無線的傳輸方式可以是無線RS-232串行接口、藍牙接口、紅外接口，甚至可以使用無線網絡接口。這些接口均有成熟的工業模塊可以直接應用。
如圖8，傳感器組2是在基板10上固定有加速度傳感器11和磁阻傳感器12，該加速度傳感器11是正交的三軸加速度傳感器，磁阻傳感器12是正交的三軸磁阻傳感器，其三個軸分別是x1、y1、z1和x2、y2z2。此傳感器組2使用綁扎帶等方法固定在被測目標上。
圖3圖4圖5是以一個活動單元為例，來說明姿態的測量原理。圖中以人體骨架模型左上臂13為例來說明。圖3中的骨架模型左上臂13的放大圖的圖4表示加速度傳感器的測量原理。靜態或勻速直線運動時，三個軸x1、y1、z1的矢量和即是重力加速度G。骨架模型左上臂13的放大圖的圖5表示磁阻傳感器的測量原理，x2、y2、z2三個軸的矢量和即是北方的方向N。這兩個方向應用于骨架模型左上臂13，通過極坐標確定了其仰角與方位角。為清楚起見，在此分為圖4、圖5兩個圖表述，實際上這兩種傳感器被成對的固定在同一個傳感器組2中。
本實用新型的模塊化的電路原理實施例如圖6和圖7所示。測量電路由三大部分組成，即傳感器組2及與其電路連接的轉換傳輸電路15和相連接的計算機8。傳感器組2的輸出信號被連接到轉換傳輸電路15，其作用是將傳感器的信號轉換、采集、傳送，最終傳入到計算機中，可以有多種的電路結構形式，圖6所示的轉換傳輸電路15有與傳感器組2相應的多個A/D轉換電路4，各A/D轉換電路4均連接至數據傳輸總線6上而與接口卡7相連，接口卡7將數據輸出至計算機8中，如圖6中虛線框所示。
數據傳輸信號的流向是圖6中的轉換傳輸電路15將傳感器組2的加速度傳感器11和磁阻傳感器12的輸出信號輸入至各A/D轉換電路4轉換為數字信號，并通過數據傳輸總線6傳輸至計算機8。數據傳輸總線6可以是有線連接的總線，例如RS485、CAN總線、以太網總線，也可以是無連線的總線，例如藍牙接口、紅外接口，甚至可以使用無線網絡。其中每個A/D轉換電路4都有特定的地址，以不至于混淆。數據傳輸總線6的另一端連接于計算機8，A/D轉換電路的測量結果被傳輸至計算機8。
轉換傳輸電路15還可包含有一個多路模擬開關14和一個與其相連的A/D轉換電路4，經由A/D轉換電路4將數據輸出至計算機8中。這種電路更簡單，即將所有傳感器組的輸出信號連接到多路模擬開關14中，該多路模擬開關14由多個單刀多擲模擬開關組成，這些開關的片選信號和選擇輸入的地址線由時鐘信號分頻并協同計數器和譯碼器組合邏輯得到。隨著時鐘信號將所有的傳感器輸出輪流被連接到A/D轉換電路4的輸入端。這樣，所有的狀態信息被輸入到計算機進行處理。上述的單刀多擲模擬開關、計數器和譯碼器均可采用市售標準型號。
如圖2，本實用新型的軟件流程如下首先按照被測目標的骨骼運動特點，在計算機中建立被測目標的骨架模型，軟件程序通過硬件的驅動程序接口讀取加速度傳感器和磁阻傳感器的測量值，并將此值轉換為加速度矢量和方位角矢量。然后將加速度矢量和重力加速度矢量相減，可得被測目標的運動加速度。顯然其時間積分值即為被測目標的運動速度，所得的速度值疊加父模塊的姿態矢量和運動矢量，即可以計算出被測目標各單元的姿態和運動狀態。最后，軟件將所有被測目標的姿態應用到已經建立好的以被測目標的各活動單元為特征的骨架模型上，即可實時顯示姿態并保存目標的姿態和運動速度。整套軟件進行運算時可以采用矩陣運算來簡化骨架運動模型，并且可以利用矩陣矢量存儲位置信息。存儲的數據可以被軟件轉換為3D MAX等應用軟件可以識別的骨架動作信息文件。骨架模型的建立以及矩陣運算均可采用現有技術。
具體測量具體步驟如下首先將傳感器組固定于被測目標的頭部、胳膊、腿、腳等可活動單元上，軀干和髖骨部分采用有彈性的馬甲和短褲固定傳感器組。另外，對于被測目標手中所拿的各種手持物如刀劍、棍棒、球拍等作為骨架模型的延伸也固定一只傳感器組，甚至在服飾上也可固定傳感器組，以便將作為骨架模型延伸的其他物件的姿態和動作也做記錄。然后使用計算機通過轉換傳輸電路連續采集各傳感器組的輸出值，軟件將這些值換算為被側目標的各活動單元的仰角和方位角，并且傳感器測量的加速度值的矢量和與重力加速度矢量之差以及方位角的變化率可以換算出被測目標各單元的運動速度。最后計算機將這些角度和速度運用到在計算機軟件種預先設置好的骨架模型，并顯示和儲存被測目標的姿態和運動狀態。
權利要求1.基于骨架模型的姿態測量裝置，其特征在于由含有軟件程序的計算機(8)和相應的測量電路組成，其中測量電路包括固定在被測目標(1)的可活動單元上的至少一個傳感器組(2)，各傳感器組(2)的輸出信號由電纜(3)分別連接到含有A/D轉換電路(4)的轉換傳輸電路(15)并被轉換為數字信號，再經過有線或無線的數據傳輸總線(6)傳輸至運行有軟件程序的計算機(8)而顯示和存儲，并由電源(5)供電。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述傳感器組(2)由固定在基板(10)上的至少兩個加速度傳感器(11)和至少兩個磁阻傳感器(12)組成，兩種傳感器并排或疊加固定在基板(10)上。
3.如權利要求1或2所述的裝置，其特征在于所述的傳感器組(2)中的加速度傳感器(11)在空間上呈正交排列，磁阻傳感器(12)在空間上也呈正交排列。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述的轉換傳輸電路(15)有與傳感器組(2)相應的多個A/D轉換電路(4)，各A/D轉換電路(4)均連接至數據傳輸總線(6)上而與接口卡(7)相連，接口卡(7)將數據輸出至計算機(8)中。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述的轉換傳輸電路(15)含有一個多路模擬開關(14)和一個與其相連的A/D轉換電路(4)，經由A/D轉換電路(4)將數據輸出至計算機(8)中。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述的計算機(8)是PC計算機。
專利摘要本實用新型涉及一種基于骨架模型的姿態測量裝置和姿態測量方法。包括固定在被測目標的可活動單元上的至少一個傳感器組，各傳感器組的輸出信號由電纜分別連接到含有A/D轉換電路的轉換傳輸電路并被轉換為數字信號，再經過有線或無線的數據傳輸總線傳輸至運行有軟件程序的PC計算機而顯示和存儲。上述的傳感器組由呈正交排列的至少兩個加速度傳感器和至少兩個磁阻傳感器組成。可用于虛擬現實、運動員姿態研究、電影替身動作采集、互動娛樂程序主角的動作采集，以及動物以及非磁性物體的狀態采集。本實用新型巧妙地運用被測目標的骨架模型，實時、便捷、廉價的將被測目標的姿態輸入至計算機中，使傳感器的數量和費用較低，更適合本裝置的普及。
文檔編號G01B21/00GK2844845SQ200520110770
公開日2006年12月6日 申請日期2005年6月28日 優先權日2005年6月28日
發明者張凱臨, 陳戈 申請人:中國海洋大學