基于wsn網(wǎng)絡(luò)和聲學(xué)定位的低成本實(shí)時(shí)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明為基于WSN網(wǎng)絡(luò)和聲學(xué)定位的低成本實(shí)時(shí)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，該動(dòng)作捕捉系統(tǒng)包括中心節(jié)點(diǎn)、多個(gè)聲學(xué)發(fā)射節(jié)點(diǎn)、多個(gè)被測(cè)節(jié)點(diǎn)；在每個(gè)動(dòng)作捕捉周期內(nèi)，多個(gè)聲學(xué)發(fā)射節(jié)點(diǎn)通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)，同步向多個(gè)被測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送聲學(xué)信號(hào)；多個(gè)被測(cè)節(jié)點(diǎn)同步接收聲學(xué)信號(hào)，測(cè)量聲學(xué)信號(hào)到達(dá)時(shí)間，計(jì)算各自的不同定位數(shù)據(jù)發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)；中心節(jié)點(diǎn)根據(jù)各被測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)形成動(dòng)作數(shù)據(jù)。將WSN網(wǎng)絡(luò)與聲學(xué)定位技術(shù)結(jié)合，利用WSN網(wǎng)絡(luò)提高聲學(xué)定位的速度，相對(duì)于目前市面的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，而且WSN網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算量小，能量消耗小，使得被測(cè)節(jié)點(diǎn)體積小，不影響被測(cè)人的著裝，不需被測(cè)人穿上用于固定被測(cè)節(jié)點(diǎn)的專用服裝。
【專利說(shuō)明】基于WSN網(wǎng)絡(luò)和聲學(xué)定位的低成本實(shí)時(shí)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及動(dòng)作捕捉領(lǐng)域，尤其涉及一種基于WSN網(wǎng)絡(luò)和聲學(xué)定位的低成本實(shí)時(shí) 動(dòng)作捕捉系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 動(dòng)作捕捉是指記錄并處理人或其他物體動(dòng)作的技術(shù)，它廣泛應(yīng)用于軍事、娛樂(lè)、體 育、醫(yī)療應(yīng)用、計(jì)算機(jī)視覺(jué)以及機(jī)器人技術(shù)等諸多領(lǐng)域。在電影制作和電子游戲開(kāi)發(fā)領(lǐng)域， 它通常是記錄人類演員的動(dòng)作，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字模型的動(dòng)作，并生成二維或三維的計(jì)算 機(jī)動(dòng)畫(huà)。
[0003] 目前動(dòng)作捕捉根據(jù)研究方法分為三類，第一種是利用圖像處理的方法，以光為媒 介，使用攝像頭捕捉圖像，將人體動(dòng)作轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)據(jù)，為了達(dá)到一定的精確 度往往需要多臺(tái)攝像頭，系統(tǒng)較為復(fù)雜，成本高昂。第二種不使用光作為介質(zhì)，直接將測(cè)量 點(diǎn)固定在被測(cè)的人或物上，通過(guò)測(cè)量點(diǎn)的絕對(duì)或相對(duì)位置，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合獲得動(dòng)作數(shù)據(jù)。相 對(duì)于圖像處理的方法系統(tǒng)較簡(jiǎn)單并有較高的精度。在這方面技術(shù)領(lǐng)先的公司是V. M. SENS 公司，他們的Vmsens MoX Suit(MoCap)產(chǎn)品，利用地心引力和地磁場(chǎng)指向進(jìn)行慣性人體動(dòng) 作捕獲（Motion Capture)通過(guò)2. 4G專用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)做數(shù)據(jù)融合，捕捉動(dòng)作。較好的解決了動(dòng) 作捕捉的問(wèn)題，可以滿足游戲，電影制作的要求。美中不足的是節(jié)點(diǎn)體積稍大--火柴盒大 小，需要固定在專用的服裝中。相對(duì)于第一種方法，成本已降低，但每個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)仍比較貴。 第三種將這兩種方法結(jié)合起來(lái)，代表為索尼公司的DualMotion游戲手柄。由于這種手柄僅 限于捕捉游戲玩家操作遙控器的動(dòng)作，對(duì)于一般意義上的動(dòng)作捕捉借鑒意義不大，但這種 混合不同技術(shù)以實(shí)現(xiàn)更好用戶體驗(yàn)的思路很值得學(xué)習(xí)。動(dòng)作捕捉都需要使用數(shù)據(jù)融合，基 本原理就是按一定的采樣時(shí)間同時(shí)測(cè)量多個(gè)被測(cè)點(diǎn)的位置，生成類似于三維圖像幀的動(dòng)作 數(shù)據(jù)。對(duì)于第一種方法的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，由于光的傳播速度很快，一般不存在在捕捉速度的 問(wèn)題，可以認(rèn)為是實(shí)時(shí)的。對(duì)于第二，第三種方法實(shí)時(shí)性就與采用的測(cè)量技術(shù)相關(guān)了?？?能是為了獲得更好的捕捉速度，Vmsens MoX Suit(MoCap)產(chǎn)品使用地磁傳感器和慣性傳感 器，地磁信號(hào)傳播速率等同于光速，也沒(méi)有實(shí)時(shí)性問(wèn)題，但獲得良好性能的同時(shí)也帶來(lái)節(jié)點(diǎn) 構(gòu)成復(fù)雜，能量消耗較大，計(jì)算量大等問(wèn)題，解決這些問(wèn)題自然需要更大的電池，導(dǎo)致被測(cè) 節(jié)點(diǎn)體積大，成本高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于WSN網(wǎng)絡(luò)和聲學(xué)定位的低成本實(shí)時(shí)動(dòng)作捕捉系 統(tǒng)，以解決上述問(wèn)題。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0006] -種基于WSN網(wǎng)絡(luò)和聲學(xué)定位的低成本實(shí)時(shí)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，包括中心節(jié)點(diǎn)、多個(gè) 位置固定的聲學(xué)發(fā)射節(jié)點(diǎn)、多個(gè)固定在被測(cè)物體上的被測(cè)節(jié)點(diǎn)；在每一個(gè)動(dòng)作捕捉周期內(nèi)， 多個(gè)所述聲學(xué)發(fā)射節(jié)點(diǎn)同步向多個(gè)所述被測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送聲學(xué)信號(hào)；多個(gè)所述被測(cè)節(jié)點(diǎn)同步測(cè) 量所述聲學(xué)信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，計(jì)算各被測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，并將位置數(shù)據(jù)發(fā)送給所述中心 節(jié)點(diǎn)；或多個(gè)所述被測(cè)節(jié)點(diǎn)同步測(cè)量所述聲學(xué)信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，并將各到達(dá)時(shí)間發(fā)送給所 述中心節(jié)點(diǎn)得到各被測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)；所述中心節(jié)點(diǎn)根據(jù)各被測(cè)節(jié)點(diǎn)在不同動(dòng)作捕捉周 期內(nèi)的位置數(shù)據(jù)形成各被測(cè)節(jié)點(diǎn)動(dòng)作數(shù)據(jù)。
[0007] 優(yōu)選地，該動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采用超聲波定位技術(shù)；聲學(xué)發(fā)射節(jié)點(diǎn)為超聲波發(fā)射節(jié) 點(diǎn)·
[0008] 優(yōu)選地，該動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采用聲波定位技術(shù)；聲學(xué)發(fā)射節(jié)點(diǎn)為聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)。
[0009] 優(yōu)選地，中心節(jié)點(diǎn)還用于根據(jù)各被測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，得到多個(gè)聲學(xué)發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā) 射信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)。
[0010] 優(yōu)選地，多個(gè)聲學(xué)發(fā)射節(jié)點(diǎn)通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)，同步向多個(gè)被測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送聲學(xué)信 號(hào)。
[0011] 優(yōu)選地，聲學(xué)發(fā)射節(jié)點(diǎn)的數(shù)量最少為四個(gè)，四個(gè)聲學(xué)發(fā)射節(jié)點(diǎn)不位于同一平面內(nèi)。
[0012] 優(yōu)選地，所述被測(cè)節(jié)點(diǎn)采用聲敏感器件檢測(cè)聲學(xué)信號(hào)的傳輸時(shí)間，并采用WSN網(wǎng) 絡(luò)傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)例的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0014] 1、技術(shù)新穎：該基于WSN網(wǎng)絡(luò)和聲學(xué)定位的低成本實(shí)時(shí)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采用聲學(xué)定 位技術(shù)，將新技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)深度融合，利用WSN網(wǎng)絡(luò)提高聲學(xué)定位的速度，同步獲取多點(diǎn) 的位置坐標(biāo)，從而獲得動(dòng)作數(shù)據(jù)。
[0015] 2、成本低：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，WSN組網(wǎng)的成本非常低，例如ZigBee網(wǎng)絡(luò)核心 芯片CC2530的價(jià)格已低至到人民幣20元以下，被測(cè)節(jié)點(diǎn)成本可以控制在100元人民幣以 內(nèi)。對(duì)于典型動(dòng)作捕捉系統(tǒng)35個(gè)被測(cè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算，整套捕捉系統(tǒng)可以控制在5000元人民幣 以內(nèi)。而目前的動(dòng)作捕捉設(shè)備在30多萬(wàn)元人民幣左右，因此，本發(fā)明實(shí)施例將WSN網(wǎng)絡(luò)與 聲學(xué)定位技術(shù)結(jié)合的實(shí)時(shí)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的成本遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)。在減少捕捉被 測(cè)節(jié)點(diǎn)的情況下，還可以大幅降低成本，作為體感游戲的輸入設(shè)備，具有極佳的市場(chǎng)前景。
[0016] 3、易于使用：被測(cè)節(jié)點(diǎn)的體積非常小--一枚一元硬幣大小，這樣就不需要專門(mén) 的固定被測(cè)節(jié)點(diǎn)的服裝，只需將被測(cè)節(jié)點(diǎn)嵌入服裝中，或做成戒指、手表、腕帶等飾物，使之 成為可穿戴系統(tǒng)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于WSN網(wǎng)絡(luò)和聲學(xué)定位的低成本實(shí)時(shí)動(dòng)作捕捉系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中發(fā)射節(jié)點(diǎn)與被測(cè)節(jié)點(diǎn)的布置示意圖。
[0019] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中心節(jié)點(diǎn)同步安排聲波信號(hào)發(fā)送降低定位時(shí)間，提高動(dòng)作捕 捉速度的原理示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明各實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，基于本發(fā) 明中的實(shí)施例得到的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明所保護(hù)的范圍。
[0021] 實(shí)施例1
[0022] 如圖1所示，基于WSN網(wǎng)絡(luò)和聲學(xué)定位的低成本實(shí)時(shí)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)由三類節(jié)點(diǎn)組 成，即中心節(jié)點(diǎn)1個(gè)，超聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)至少4個(gè)，被測(cè)節(jié)點(diǎn)若干。
[0023] 其中中心節(jié)點(diǎn)是WSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，擔(dān)負(fù)著同步三類節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，確定每一動(dòng)作捕 捉周期中各超聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)，從被測(cè)節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)，并生成動(dòng)作數(shù)據(jù)，傳 送給系統(tǒng)接口的任務(wù)。
[0024] 超聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)根據(jù)中心節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)，按中心節(jié)點(diǎn)的要求發(fā)送超聲波信號(hào)。
[0025] 每個(gè)被測(cè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)中心節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)，同步測(cè)量超聲波信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，計(jì)算并將 相關(guān)位置數(shù)據(jù)按動(dòng)作捕捉周期傳送給中心節(jié)點(diǎn)。
[0026] 超聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)與被測(cè)節(jié)點(diǎn)的布置如圖2所示，其中多個(gè)動(dòng)作檢測(cè)節(jié)點(diǎn)不一定在 立體坐標(biāo)系的某個(gè)象限。
[0027] 這種組合使得WSN網(wǎng)絡(luò)與聲學(xué)定位技術(shù)相融合，功能上彼此支持，所得到的技術(shù) 效果相比單個(gè)技術(shù)的效果更優(yōu)越。
[0028] 為了進(jìn)一步體現(xiàn)該基于WSN網(wǎng)絡(luò)和聲學(xué)定位的低成本實(shí)時(shí)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的其它 特點(diǎn)，下面將在實(shí)施例2中對(duì)實(shí)施例1中的作進(jìn)一步的描述。
[0029] 實(shí)施例2
[0030] 在實(shí)施例的基礎(chǔ)上，優(yōu)選地，多個(gè)超聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)，同步向多個(gè) 被測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送超聲波信號(hào)。具體地，多個(gè)超聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)同步向多個(gè)被測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送超聲波 信號(hào)時(shí)，多個(gè)超聲波信號(hào)之間可能會(huì)互相干擾，影響被測(cè)節(jié)點(diǎn)接收超聲波信號(hào)，為了避免超 聲波信號(hào)的相互干擾，多個(gè)超聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)采用中心節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)，如圖3所示，使得在不同時(shí) 刻發(fā)出的超聲波信號(hào)同步在同一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)，提高聲學(xué)定位速度，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)作捕 捉。
[0031] 具體地，假設(shè)超聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)為四個(gè)，分別為A、B、C、D，四個(gè)超聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)的位 置固定。被測(cè)節(jié)點(diǎn)為N個(gè)，分別為X⑴、X⑵、X⑶......X(N)，N個(gè)被測(cè)節(jié)點(diǎn)分別固定被測(cè) 物體的多個(gè)位置。中心節(jié)點(diǎn)為E，中心節(jié)點(diǎn)與多個(gè)被測(cè)節(jié)點(diǎn)及四個(gè)超聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)構(gòu)成WSN 網(wǎng)絡(luò)。
[0032] 首先，A節(jié)點(diǎn)發(fā)送超聲波信號(hào)，X(l)接收并計(jì)算A節(jié)點(diǎn)與X(l)之間的距離為 La(l)，B節(jié)點(diǎn)發(fā)送超聲波信號(hào)，得到B節(jié)點(diǎn)與X(l)之間的距離為L(zhǎng)b(l)，依次計(jì)算得到 Lc(l)和Ld(l)，然后根據(jù)上述距離計(jì)算出X(l)的初始位置P(l)，并將P(l)傳送給中心節(jié) 點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)記錄X(l)的初始位置P(l)，然后其余被測(cè)節(jié)點(diǎn)順序執(zhí)行同樣的步驟。中心節(jié) 點(diǎn)根據(jù)測(cè)定的多個(gè)位置P(1 :N)設(shè)定下一個(gè)測(cè)量周期的四個(gè)超聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)送超聲波信 號(hào)的時(shí)間，并廣播到網(wǎng)絡(luò)上。如此循環(huán)網(wǎng)絡(luò)，中心節(jié)點(diǎn)得到一系列被測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置，形成被 測(cè)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作數(shù)據(jù)。
[0033] 優(yōu)選地，中心節(jié)點(diǎn)還用于根據(jù)每一個(gè)發(fā)射周期內(nèi)的距離，得到多個(gè)超聲波發(fā)射節(jié) 點(diǎn)的發(fā)射周期。
[0034] 如圖1所示，假設(shè)以一個(gè)被測(cè)節(jié)點(diǎn)作為研究對(duì)象，設(shè)用于發(fā)射超聲波信號(hào)的四個(gè) 固定點(diǎn)的坐標(biāo)為（Xa，Ya，Za)、（Xb，Yb，Zb)、（Xc，Yc，Zc) (Xd，Yd，Zd)，被測(cè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為 (x，y，z)，聲速為V，被測(cè)節(jié)點(diǎn)到四個(gè)超聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)的距離分別為L(zhǎng)a，Lb，Lc，Ld，超聲波信 號(hào)從四個(gè)超聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)到被測(cè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間為T(mén)a，Tb，Tc，Td，則可知 ：
[0035]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于WSN網(wǎng)絡(luò)和聲學(xué)定位的低成本實(shí)時(shí)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其特征在于，包括中心 節(jié)點(diǎn)、多個(gè)位置固定的聲學(xué)發(fā)射節(jié)點(diǎn)、多個(gè)固定在被測(cè)物體上的被測(cè)節(jié)點(diǎn)； 在每一個(gè)動(dòng)作捕捉周期內(nèi)，多個(gè)所述聲學(xué)發(fā)射節(jié)點(diǎn)同步向多個(gè)所述被測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送聲學(xué) 信號(hào)； 多個(gè)所述被測(cè)節(jié)點(diǎn)同步測(cè)量所述聲學(xué)信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，計(jì)算各被測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)， 并將位置數(shù)據(jù)發(fā)送給所述中心節(jié)點(diǎn)；或多個(gè)所述被測(cè)節(jié)點(diǎn)同步測(cè)量所述聲學(xué)信號(hào)的到達(dá)時(shí) 間，并將各到達(dá)時(shí)間發(fā)送給所述中心節(jié)點(diǎn)得到各被測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)； 所述中心節(jié)點(diǎn)根據(jù)各被測(cè)節(jié)點(diǎn)在不同動(dòng)作捕捉周期內(nèi)的位置數(shù)據(jù)形成各被測(cè)節(jié)點(diǎn)動(dòng) 作數(shù)據(jù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其特征在于，所述動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采用超聲波定 位技術(shù)；所述聲學(xué)發(fā)射節(jié)點(diǎn)為超聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)。
3. 如權(quán)利要求1所述的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其特征在于，所述動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采用聲波定位 技術(shù)；所述聲學(xué)發(fā)射節(jié)點(diǎn)為聲波發(fā)射節(jié)點(diǎn)。
4. 如權(quán)利要求1所述的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其特征在于，所述中心節(jié)點(diǎn)還用于根據(jù)各被測(cè) 節(jié)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，得到多個(gè)所述聲學(xué)發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)。
5. 如權(quán)利要求1所述的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其特征在于，多個(gè)所述聲學(xué)發(fā)射節(jié)點(diǎn)通過(guò)中心 節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)，同步向多個(gè)所述被測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送聲學(xué)信號(hào)。
6. 如權(quán)利要求5所述的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其特征在于，所述聲學(xué)發(fā)射節(jié)點(diǎn)的數(shù)量最少為 四個(gè)，四個(gè)聲學(xué)發(fā)射節(jié)點(diǎn)不位于同一平面內(nèi)。
7. 如權(quán)利要求6所述的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其特征在于，所述被測(cè)節(jié)點(diǎn)采用聲敏感器件檢 測(cè)聲學(xué)信號(hào)的傳輸時(shí)間，并采用WSN網(wǎng)絡(luò)傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)。
【文檔編號(hào)】H04W4/02GK104270716SQ201410532032
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】曾毅峰 申請(qǐng)人:曾毅峰