基于運(yùn)動(dòng)傳感的人體姿態(tài)實(shí)時(shí)捕獲系統(tǒng)研究.pdf

1、動(dòng)作捕捉是近年來發(fā)展起來的一個(gè)多學(xué)科和技術(shù)相互交叉結(jié)合的應(yīng)用領(lǐng)域，涉及電子，通訊，控制，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，人體工效學(xué)，導(dǎo)航學(xué)等多門學(xué)科。在影視制作，互動(dòng)游戲，體育訓(xùn)練，醫(yī)療康復(fù)等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。在交互沉浸式游戲領(lǐng)域，許多的大型運(yùn)動(dòng)類游戲已將人體運(yùn)動(dòng)捕獲和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，使構(gòu)建的對(duì)象更加逼真、形象，如目前的《3D籃球》、《NBA》等；在影視創(chuàng)作領(lǐng)域，電影《阿凡達(dá)》、《丁丁歷險(xiǎn)記》等都廣泛的使用了人體運(yùn)動(dòng)捕獲和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，從而賦予

2、了角色鮮活的生命力；而在醫(yī)療科學(xué)領(lǐng)域，該技術(shù)廣泛用于骨科，外科手術(shù)，理療等領(lǐng)域，通過檢測(cè)病人康復(fù)前后的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)并進(jìn)行對(duì)比，判斷康復(fù)的情況，幫助醫(yī)生更好的掌握病人的狀態(tài)。
　　本文在基于微型慣性傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航和數(shù)據(jù)融合原理，設(shè)計(jì)了一種不受光照約束，抗干擾能力強(qiáng)的全姿態(tài)人體姿態(tài)捕捉系統(tǒng)。該系統(tǒng)由多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)和一個(gè)匯聚控制節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，傳感器節(jié)點(diǎn)主要包含三軸加速度計(jì)，三軸陀螺儀，三軸地磁儀，負(fù)責(zé)采集各肢體部位運(yùn)動(dòng)過程

3、中的原始數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理?？刂乒?jié)點(diǎn)匯聚各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，最后通過無線傳輸方式把解算的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)送給上位機(jī)，在上位機(jī)中通過對(duì)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步解析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬人體模型關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，從而完成對(duì)真實(shí)人體運(yùn)動(dòng)的捕捉和顯示。
　　本文針對(duì)人體在空間三維空間中的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了相關(guān)研究，從而選擇合適的傳感器，并對(duì)傳感器的工作原理和性能參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比研究，且對(duì)各個(gè)傳感器可能存在的誤差進(jìn)行了分析，例如加速度傳感器的數(shù)據(jù)抖動(dòng)和

4、偏移，陀螺儀的累積誤差，地磁儀易受磁場干擾的因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了有效的解決方案。在基于人體傳感網(wǎng)絡(luò)的總體框架下，對(duì)部署在肢體部位的傳感節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和算法模型設(shè)計(jì)。并在慣性導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)異構(gòu)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合處理，輸出了以四元數(shù)表示的姿態(tài)信息。另外通過生物解剖學(xué)原理，在VS2012開發(fā)環(huán)境下結(jié)合OpenGL圖形庫和3DS MAX軟件構(gòu)建了基于三維視角的虛擬人體運(yùn)動(dòng)骨骼模型，通過解算的姿態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)虛擬模型進(jìn)行初始化