一種被動式光學動作捕捉設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于數字圖像處理、機器視覺技術領域，涉及一種光學動作捕捉設備。
【背景技術】
[0002]機器視覺簡單說就是運用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺通常通過圖像攝取裝置將被攝取目標轉換成圖像信號，再進行圖像處理，得到被攝目標的形態信息的數字化信號。目前，機器視覺正在越來越廣泛地應用于關乎人們生活和生產的各個行業，可以說，只要是人工視覺無法完成的任務，大抵可以通過機器視覺完成。人和物體在運動狀態下的運動數據采集分析成為了近年來運用機器視覺的重要課題。通過解決這類課題，使得機器視覺在體育運動技術分析、教學實驗研究、理療康復工程、廣電動畫制作、虛擬現實、人機工效、機械仿生、工業機器人等等諸多領域發揮著越來越重要的作用。
[0003]光學動作捕捉是近些年來機器視覺應用的典型代表。動作捕捉是實時地準確測量、記錄物體在真實三維空間中的運動軌跡或姿態，并在虛擬三維空間中重建運動物體每一時刻運動狀態的技術。光學動作捕捉是基于計算機視覺原理，由多個高速相機從不同角度對目標物體特征點的監視和跟蹤，由此來進行動作捕捉的技術。理論上講，對于空間中的任意一個點，只要它能同時為兩部相機所見，就可以確定這一時刻該點在空間中的位置。當相機以足夠高的速率連續拍攝時，從圖像序列中就可以得到該點的運動軌跡。
[0004]現有的光學動作捕捉主要米用標記點式光學動作捕捉系統，該系統一般由光學標識點(Markers)、動作捕捉相機、信號傳輸設備以及數據處理平臺組成。捕捉過程需要在運動物體關鍵部位(如人體的關節處等)粘貼Marker點，多個動作捕捉相機從不同角度實時探測Marker點，探測到的數據實時傳輸至處理平臺，平臺根據三角測量原理精確計算Marker點的空間坐標，進而獲得運動物體的運動軌跡。標記點式光學動作捕捉大體上又可分為主動式和被動式兩種，其中被動式的光學動作捕捉方式以其較高的捕捉精度而被更加廣泛的使用。被動式光學動作捕捉系統也稱反射式光學動作捕捉系統，其Marker點通常是一種高亮回歸式反光球，粘貼于運動物體各關鍵部位，由動作捕捉相機的鏡頭上發出LED照射光，照射光經反光球反射回到動作捕捉相機鏡頭，動作捕捉相機以此檢測Maker的空間定位。
[0005]現有的動作捕捉相機已經在多功能、智能化等方面有了不小的進步，但是仍然存在捕捉速度不夠快、設備功耗大、線纜數目眾多等不足之處，造成設備應用效果差、使用壽命低、結構復雜錯亂、使用難度加大、故障率上升、維護成本高等諸多問題。
【實用新型內容】
[0006]基于上述技術背景，本實用新型的目的在于:提供一種具有更快的捕捉速度和更低能耗的被動式光學動作捕捉設備。
[0007]本實用新型的上述目的通過以下技術方案實現:
[0008]提供一種被動式光學動作捕捉設備，它大體上包括照射光源組件、光學鏡頭、控制艙;所述的照射光源組件包括光源和光源的控制電路板，所述的光源設置在所述的光學鏡頭周圍；所述的控制艙內設有控制成像的成像電路板和控制數據處理、數據同步和供電的主控制板;所述的成像電路板上設置圖像傳感器，成像電路板與主控制板之間通過FMC接口電聯接;所述的控制艙表面有開孔，所述的光學鏡頭后部固定安裝在控制艙外表面所述開孔處，光學鏡頭通過所述的開孔與控制艙內成像電路板上的圖像傳感器相對;所述的光源的控制電路板與所述的主控制板電聯接;所述的主控制板設置FPGA模塊，參與所述光源的供電控制，同時負責數據信號的接收和發送以及圖像的處理，還負責同步信號的發生、接收和發送。
[0009]本實用新型優選的一種方案中，所述的光學鏡頭為C口鏡頭，進一步優選工業級C口高精度工業鏡頭。
[0010]本實用新型優選的一種方案中，所述的光源是LED燈，進一步優選5個以上的LED燈珠組成的LED燈。
[0011]本實用新型優選的一種方案中，所述的主控制板上設有電平轉換芯片，所述的光源的控制電路板上設有帶使能端的電流驅動芯片;所述的FPGA模塊、電平轉換芯片和帶使能端的電流驅動芯片順次電聯接，用以傳遞光源發光的控制信號。
[0012]本實用新型優選的一種方案中，所述的主控制板上還設有以太網接口和濾波器，以太網接口與濾波器電聯接。
[0013]本實用新型進一步優選的上述方案中，在所述的主控制板上進一步設有整流主電路和變壓器，所述的濾波器、整流主電路和變壓器順次電聯接構成電源供電電路為主控制板、成像電路板和光源供電。
[0014]本實用新型進一步優選的上述方案中，在所述的主控制板上進一步設有以太網收發器，所述的濾波器、所述的以太網收發器和所述的FPGA模塊順次電聯接構成數據收發電路。
[0015]本實用新型所述的被動式光學動作捕捉設備能夠完成對高速運動下物體動作的精確捕捉，適合用作高速運動物體動作捕捉系統中的基礎設備。
[0016]本實用新型基于所述的被動式光學動作捕捉設備，進一步提出一種被動式光學動作捕捉系統，它大體上由多個所述的被動式光學動作捕捉設備、POE交換機和主控制計算機組成；多個所述的被動式光學動作捕捉設備分別利用所述的以太網接口通過一根網線與POE交換機聯接，POE交換機與主控計算機聯接。
[0017]在對運動物體的動作捕捉過程中，將至少兩臺本實用新型的被動式光學動作捕捉設備分別利用其自身的以太網接口通過一根網線與同一臺POE交換機聯接，然后再將該POE交換機與一臺主控計算機聯接，由此組成一套動作捕捉系統。將該系統中的至少兩臺被動式光學動作捕捉設備置于待捕捉的運動物體四周不同位置，光學鏡頭同時對準運動物體，可任意設置至少兩臺被動式光學動作捕捉設備之間的主從關系，也可不設置主從關系。被捕捉的運動物體表面關鍵位置固定好Marker后開始進入運動狀態，每臺被動式光學動作捕捉設備的光源發出紅外光照射運動物體，運動物體表面的Marker反射紅外光回到捕捉設備的光學鏡頭，光學鏡頭根據成像電路板的控制拍攝運動畫面，由成像電路板上的圖像傳感器采集圖像數據后通過FMC接口傳輸給主控制板的FPGA模塊處理。在所述捕捉過程中，POE交換機通過一根網線給每臺捕捉設備供電并傳輸數據和同步信號，同時每臺捕捉設備也通過同一根網線向POE交換機傳輸數據和同步信號。主控計算機可以通過POE接收各捕捉設備的數據并且設置捕捉設備之間的主從關系。
[0018]上述過程中，捕捉系統的所有設備都需要完成供電、數據傳輸、同步三種類型的工作。現有的每一臺捕捉設備需要三條或更多的線纜才能完成這三種類型的工作。本實用新型通過以下兩方面的結構改進實現了結構和操作的簡單化:一是將成像電路板與主控制板采用FMC接口緊密連接，從而將采集的數據信號統一到主控制板進行集中處理;二是將主控制板電路進行改造后，將同步信號與數據信號一致結合，在主控制板設置以太網接口，僅通過一根網線完成與外界的電力、數據及同步信號的互傳。本實用新型的設備中，數據信號和電力(外設電源供電)，經由以太網接口進入主控制板上的濾波器，濾波器將數據信號和電力進行分離；電力經過整流主電路及變壓器處理后，達到各個元器件的使用標準，供各個元器件使用;數據信號經由以太網收發器，進入FPGA進行數據的操作及處理(此為數據接收過程，數據的發送過程為其逆過程)；同步信號是一種特殊的數據信號，平時與普通數據信號一同傳輸，但同步信號擁有最高優先級，當接受到同步信號后，FPGA觸發中斷，立即執行同步任務。經過上述改造的捕捉設備不但提高了數據準確性，而且有效改善了傳統標識系統的延時問題。尤其值得一提的是，本實用新型的捕捉設備經過改造后可以只用一根標準網線就完成供電、數據傳輸和同步三項工作，在保證數據完整可靠的傳輸的同時，將外接線纜數量降到了最低。這無疑為捕捉設備的實際使用帶來了極大的便利。現有的多數設備由于線纜數目眾多，往往帶來結構復雜錯亂，使用難度加大，故障率上升，維護成本高等等諸多弊病，為動作捕捉實踐造成很大困擾。本實用新型通過不容易想到的巧妙方式解決了這一長期困擾人們的技術問題，并且獲得了良好的技術效果，為動作捕捉設備的實踐應用帶來的很好的使用感受，使用難度和故障率顯著降低。
[0019]此外，動作捕捉設備的主要功耗由照射光源組件消耗，現有捕捉設備基本上都是在光學鏡頭周圍布設大量LED燈珠作為照射光源，在捕捉過程中LED燈會向運動物體發出不間斷的連續照射。該方式實現簡單，但設備功耗大，設備使用壽命低。本實用新型的捕捉設備中，主控制板設置了FPGA模塊及其與電平轉換芯片和帶使能端的電流驅動芯片組成的控制信號輸出設備，FPGA輸出控制信號(，經由電平轉換芯片輸出到燈板的電流驅動芯片使能端，實現對光源控制電路板電路的精準的開閉控制，使LED燈僅僅在成像電路板曝光期間才執行照明工作。這樣一來，由于成像電路板每次的曝光時間極小(0.1個ms)，因此LED燈可以節省大量的無效照明。基于成像電路板10Hz的工作頻率及0.1ms的曝光時間，LED燈采用同步閃爍照明形式，可以將照射光源部分的功耗降低為之前的1%。綜合設備整體，本實用新型捕捉設備的功耗是傳統設備功耗的10%左右。
[0020]再者，本實用新型捕捉設備的圖像處理速度相比現有設備獲得了顯著的提升。現有技術中，捕捉設備捕捉到的圖像數據需要先傳輸至計算機再處理，受圖像傳輸及計算機處理性能的限制，一般設備處理速度為60Hz左右。本實用新型嘗試在控制艙內使成像電路板與主控制板通過FMC接口連接，將成像電路板采集到的視頻信息經由FMC接口直接發送給主控制板