[发明专利]一种基于惯性与光学测量融合的运动捕捉方法

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术与计算机视觉领域，特别涉及一种基于多传感器融合的高精度动作捕捉方法。

背景技术

运动捕捉技术指的是采用特定技术手段真实地还原出运动对象的姿态、位置和轨迹。该技术广泛地应用于军事仿真、医疗康复、虚拟现实、人机工程、影视动画、游戏等领域，例如：

[1]Bruderlin et al.,Motion signal processing,Proceedings of SIGGRAPH 95,pp.105-108,1995；

[2]Gleicher,Retargetting motion to new characters,Proceedings of SIGGRAPH 98,PP.33-42,1998；

[3]Kovar et al.,Motion graphs,ACM Transactions on Graphics 21,3,pp.4763-482,2002,Arkan et al.,Motion synthesis from annotations,pp.402-408,2003.

经过几十年的发展，动作捕捉技术日臻成熟，已经从基于单一的视觉图像捕捉发展为可以基于机械、声学、电磁、惯性等多种手段进行测量获取，例如：

[4]Meyer et al.,A survey of position-trackers,presence 1,2,pp.173-200,1992；

[5]Hightower et a.,Location systems for ubiquitous computing,IEEE Computer 34,8,pp.57-66,2001；

[6]Welch et al.,Motion tracking:No silver bullet,but a respectable arsenal,IEEE Computer Graphics and Applications,special issue on Tracking 22,6,pp.24-38,2002.

目前，主流的动作捕捉手段使用视觉图像、机械关节角度测量、惯性传感等技术来实现对人体肢体在三维空间中的定位、运动轨迹测量和跟踪。基于视觉图像的位姿测量技术，如VICON光学运动捕捉系统和微软的Kinect系统，通过一定数量的摄像机来捕捉人体的动作，精度较高，不过它的缺点是使用者的运动空间被限制在摄像机的视觉范围内，同时容易受到外界光照干扰，更重要的是当发生遮挡时，将无法完成捕捉。基于关节角度测量的技术一般将编码器穿戴在人的各个关节处，通过码盘获得人体各个关节的角度，然后构建出人体姿势，它结构简单、不受环境影响，但由于信息量少，只有关节角度信息，无法重建出人体动态信息。基于惯性传感器的人体运动捕捉技术主要是采集人体各肢体的加速度和角加速度信息，通过捷联惯导原理来解算人体姿态。相对于视觉捕捉和关节角度测量技术，惯性测量技术没有使用空间的限制，但是惯性测量对高动态响应较差，数据采集精度随时间推移下降，易受外界环境磁场影响，最致命的缺陷是误差累积和数据漂移(drift)，无法长时间使用。目前还没有一种能够实时在线进行高精度自标定与校准的运动捕捉方法与系统，少数对运动捕捉误差修正的方法都仅仅是基于理论或者通过存储运动数据后进行离线修正，例如：

[7]Damgrave et al.,2009:The Drift of the Xsens Moven Motion Capturing Suit during Common Movement in a Working Environment,Proceeding of the 19^th CIRP Design Conference Competitive Desgin,30-31March,pp 338；

[8]Sun et al.,2010:Adaptive Sensor Data Fusion in Motion Capture,Proceedings of the 13^th International Conference on Information Fusion,26-29July；