[发明专利]一种基于运动捕捉的浸入式虚拟现实系统

说明书

技术领域

本发明是关于运动捕捉技术及虚拟现实技术，特别是关于一种基于运动捕捉的浸入式虚拟现实系统。

背景技术

运动捕捉技术可以以数字的方式记录对象的动作，当前的运动捕捉技术主要包括以下几种：

机械式运动捕捉：依靠机械装置来测量运动，该机械装置由多个关节和刚性连杆组成，在关节处装有角度传感器以测量关节角度变化，刚性连杆也可以换成长度可变的伸缩杆，并安装位移传感器以测量长度的变化。运动捕捉通过将待捕捉的物体与机械装置相连，运动物体带动机械装置运动，从而通过机械装置上的传感器记录下待测物体运动。机械式运动捕捉成本低、标定简单、精度较高并且容易实现实时数据捕捉而不受场地限制。但是机械式运动捕捉方式难以实现对于多自由度的关节运动捕捉，同时由于自身尺寸和重量，对待测物体的运动（特别是剧烈运动）造成比较严重的阻碍和干涉。

电磁式运动捕捉：一般由发射源、接收器和数据处理单元组成。发射场产生按一定时空分布的电磁场；接收器安装在待测物体的关键位置，接收器跟随待测物体而运动，并将接收到的信号通过有线方式传递给数据处理单元。这种运动捕捉方式不仅能够得到空间位置信息，还能得到方位信息，并且实时性好。但是这种运动捕捉方式对于环境要求严格，附近不能有金属物品，并且有线电缆对物体的运动限制比较大，而且采样频率较低。

声学式运动捕捉：与电磁式运动捕捉比较类似，由超声发射器、接收器和处理单元组成。它将多个发射器固定在待测物体的各个部位，发射器持续发出超声波，每个接收器通过计算声波从发射器到接收器的时间得出发射器与接收器之间的距离，3个构成三角形的接收器就可以确定发射器的空间位置。声学式运动捕捉成本较低，但是精度差并且要求发射器与接收器之间无遮挡。

光学式运动捕捉：通常包含10～20个相机，环绕待测物体排列，待测物体的运动范围处于相机的重叠区域。待测物体的关键部位贴上一些特质的反光点或者发光点作为视觉识别和处理的标志。系统标定后，相机连续拍摄物体的运动并把图像序列保存下来进行分析和处理，计算每一个标志点在某一瞬间的空间位置，并从而得到其准确的运动轨迹。光学式运动捕捉的优点是没有机械装置、有线电缆等的限制，允许物体的运动范围较大，并且采样频率较高，能够满足多数体育运动测量的需要，但是这种系统价格昂贵，系统的标定比较繁琐，只能捕捉相机重叠区域的物体运动，而且当运动比较复杂时，标志容易混淆和遮挡，从而产生错误的结果。

基于惯性传感器的运动捕捉：传统的机械式惯性传感器长期应用于飞机、船舶的导航，随着微机电系统（MEMS）技术的高速发展，微型惯性传感器的技术成熟，近年来，人们开始尝试基于微型惯性传感器的运动捕捉。基本方法是把惯性测量单元（IMU）连接到待测物体上并跟随待测物体一起运动。惯性测量单元通常包括微加速度计（测量加速度信号）以及微陀螺仪（测量角速度信号），通过对加速度信号的二次积分以及陀螺仪信号的积分，可以得到待测物体的位置信息以及方位信息。由于MEMS技术的应用，IMU的尺寸和重量可以做的很小，从而对待测物体的运动影响很小，并且对于场地的要求低，允许的运动范围大，同时系统的成本比较低。该技术的缺点是传感器的积分容易产生漂移，并且传感器本身容易受到干扰，因而对系统设计的要求比较高。

虚拟现实技术：涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、触觉、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。浸入度是虚拟现实系统的一个重要特征，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，如同在现实世界中的感觉一样。交互性是虚拟现实系统的另一个重要特征，指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。