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一種混合運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)及方法

文檔序號(hào):8512769閱讀:617來源:國(guó)知局
一種混合運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是關(guān)于運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù),特別是關(guān)于一種混合運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來,運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于體育運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作捕捉與分析。運(yùn)動(dòng)捕捉技 術(shù)可以以數(shù)字的方式記錄對(duì)象的動(dòng)作,當(dāng)前常用的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)主要包括光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉 和基于慣性傳感器的運(yùn)動(dòng)捕捉。
[0003] 光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)包含多個(gè)相機(jī),環(huán)繞待測(cè)物體排列,待測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)范圍處 于相機(jī)的重疊區(qū)域。待測(cè)物體的關(guān)鍵部位貼上一些特質(zhì)的反光點(diǎn)或者發(fā)光點(diǎn)作為視覺識(shí)別 和處理的標(biāo)識(shí)。系統(tǒng)標(biāo)定后,相機(jī)連續(xù)拍攝物體的運(yùn)動(dòng)并把圖像序列保存下來進(jìn)行分析和 處理,計(jì)算每一個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)在某一瞬間的空間位置,并從而得到其準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)軌跡。光學(xué)式運(yùn) 動(dòng)捕捉的優(yōu)點(diǎn)是沒有機(jī)械裝置、有線電纜等的限制,允許物體的運(yùn)動(dòng)范圍較大,并且采樣頻 率較高。但是這種系統(tǒng)只能捕捉相機(jī)重疊區(qū)域的物體運(yùn)動(dòng),而且當(dāng)運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜時(shí),標(biāo)識(shí)容 易混淆和遮擋,從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。
[0004] 傳統(tǒng)的機(jī)械式慣性傳感器長(zhǎng)期應(yīng)用于飛機(jī)、船舶的導(dǎo)航,隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) 技術(shù)的高速發(fā)展,微型慣性傳感器的技術(shù)成熟,近年來,人們開始嘗試基于微型慣性傳感器 的運(yùn)動(dòng)捕捉?;痉椒ㄊ前褢T性測(cè)量單元(IMU)連接到待測(cè)物體上并跟隨待測(cè)物體一起運(yùn) 動(dòng)。慣性測(cè)量單元通常包括微加速度計(jì)(測(cè)量加速度信號(hào))以及微陀螺儀(測(cè)量角速度信 號(hào)),通過對(duì)加速度信號(hào)的二次積分以及陀螺儀信號(hào)的積分,可以得到待測(cè)物體的位置信息 以及方位信息。由于MEMS技術(shù)的應(yīng)用,IMU的尺寸和重量可以做的很小,從而對(duì)待測(cè)物體 的運(yùn)動(dòng)影響很小,并且對(duì)于場(chǎng)地的要求低,不受光線以及遮擋的影響,允許的運(yùn)動(dòng)范圍大。 但是基于慣性的運(yùn)動(dòng)捕捉存在積分漂移導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)捕捉的精度降低。
[0005] 美國(guó)專利US8203487揭示了一種結(jié)合超寬帶(UWB)測(cè)量和MEMS慣性測(cè)量的運(yùn)動(dòng) 捕捉系統(tǒng)與方法。該系統(tǒng)包括:1)傳感器單元,包含一個(gè)或者多個(gè)UWB脈沖發(fā)射器以及一 系列的慣性傳感器;2) -系列UWB接收器單元,遠(yuǎn)程接收UWB發(fā)射器發(fā)送來的脈沖信號(hào),以 獲得每個(gè)傳感器的到達(dá)時(shí)間(TOA),其中UWB發(fā)射器與慣性傳感器在硬件上進(jìn)行了同步;3) 接收處理器,接收到達(dá)時(shí)間信息以及慣性信息,并對(duì)這些信息進(jìn)行整合處理以獲取對(duì)象的 位置和姿態(tài)。
[0006] 上述系統(tǒng)采用UWB來跟慣性傳感器結(jié)合使用進(jìn)行定位,由于UWB的定位精度較差, 雖然通過慣性傳感器的結(jié)合以及一定的算法處理使得捕捉的運(yùn)動(dòng)軌跡比較平滑,但是對(duì)于 提升定位精度幫助有限。同時(shí),UWB定位只能進(jìn)行水平面內(nèi)的定位,對(duì)于豎直方向不能進(jìn)行 定位,上述技術(shù)方案采用壓力計(jì)來克服這個(gè)問題,但是壓力計(jì)本身的定位精度也比較差。此 外,該方案需要架設(shè)多個(gè)接收器,對(duì)于需要變換場(chǎng)景的運(yùn)動(dòng)捕捉,設(shè)備的重新架設(shè)和調(diào)試耗 時(shí)較長(zhǎng)。
[0007] 美國(guó)專利US20130028469 (公開號(hào))將光學(xué)標(biāo)識(shí)點(diǎn)與慣性傳感器結(jié)合進(jìn)行對(duì)象位 置和姿態(tài)的捕捉,通過一個(gè)標(biāo)識(shí)確定單元確定光學(xué)標(biāo)識(shí)點(diǎn)在2D圖像里面的位置,通過一個(gè) 深度確定單元確定光學(xué)標(biāo)識(shí)點(diǎn)在深度圖像中的深度,然后由基于光學(xué)標(biāo)識(shí)的估算器將光學(xué) 標(biāo)識(shí)點(diǎn)在2D圖像中的位置和深度圖中的深度結(jié)合起來獲得標(biāo)識(shí)點(diǎn)的3D位置。同時(shí)通過一 個(gè)慣性傳感器單元獲得基于慣性的姿態(tài)和位置。最后整合估算器根據(jù)對(duì)象的速度、位置以 及標(biāo)識(shí)點(diǎn)信號(hào)情況給與基于標(biāo)識(shí)點(diǎn)的位置和基于慣性的位置不同的權(quán)重來獲取最后的整 合位置和姿態(tài)。
[0008] 由于上述方案采用單節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)捕捉方式,不能對(duì)多關(guān)節(jié)對(duì)象的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)進(jìn)行捕 捉。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明提供一種混合運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)及方法,以將基于光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉和基于慣性的 運(yùn)動(dòng)捕捉的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合,同時(shí)能夠避開兩種運(yùn)動(dòng)捕捉方式各自的缺點(diǎn)。
[0010] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明實(shí)施例提供一種混合運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng),所述的混合運(yùn)動(dòng) 捕捉系統(tǒng)包括:至少一慣性傳感器模塊,至少一光學(xué)標(biāo)識(shí),至少兩個(gè)光學(xué)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(xué)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(xué)標(biāo)識(shí)安裝在待測(cè)量對(duì)象上;其中, [0011] 所述的慣性傳感器模塊,用于測(cè)量自身的慣性信息及空間姿態(tài)信息;
[0012] 所述的光學(xué)攝像頭,用于獲取所述光學(xué)標(biāo)識(shí)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(tài)信息及圖像信息,根據(jù)所述的 慣性信息及空間姿態(tài)信息生成基于慣性的位置信息;根據(jù)所述的圖像信息生成基于光學(xué)標(biāo) 識(shí)點(diǎn)的位置信息,并將所述基于慣性的位置信息及基于光學(xué)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的位置信息進(jìn)行整合, 生成所述待測(cè)對(duì)象的位置信息。
[0014] 在一實(shí)施例中,所述的慣性傳感器模塊包括:
[0015] 三軸MEMS加速度計(jì),用于測(cè)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(cè)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(jì),用于測(cè)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(jì)、三軸MEMS陀螺儀及三軸MEMS磁力計(jì),用于 對(duì)所述的角速度信息進(jìn)行積分,生成動(dòng)態(tài)空間方位,根據(jù)所述的加速度信息及地磁向量生 成靜態(tài)絕對(duì)空間方位,并利用所述靜態(tài)絕對(duì)空間方位對(duì)所述動(dòng)態(tài)空間方位進(jìn)行修正,生成 所述的空間姿態(tài)信息;
[0019] RF收發(fā)器,連接所述的CPU,用于將所述的空間姿態(tài)信息及慣性信息發(fā)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(shí)施例中,部分所述慣性傳感器模塊與所述部分光學(xué)標(biāo)識(shí)兩兩集成在一起, 形成至少一慣性標(biāo)識(shí)點(diǎn)。
[0021] 在一實(shí)施例中,所述的接收處理器具體用于:對(duì)所述的加速度進(jìn)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(xué)約束以及外界約束對(duì)所述基于慣性的位置信 息進(jìn)行修正,生成修正后的基于慣性的位置信息。
[0022] 在一實(shí)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(xué)標(biāo)識(shí)點(diǎn) 的位置信息進(jìn)行整合時(shí),具體用于:當(dāng)光學(xué)標(biāo)識(shí)發(fā)生遮擋或者重疊時(shí),以所述修正后的基于 慣性的位置信息生成所述待測(cè)對(duì)象的位置信息;當(dāng)重新獲得所述基于光學(xué)標(biāo)識(shí)的位置時(shí), 計(jì)算基于光學(xué)標(biāo)識(shí)的測(cè)量誤差a及基于慣性的測(cè)量誤差b,根據(jù)測(cè)量誤差a及測(cè)量誤差b
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