[发明专利]惯性动作捕捉硬件系统

说明书

技术领域

本发明涉及传感器和图像技术，特别是涉及一种惯性动作捕捉硬件系统。

背景技术

三维工艺培训短片是面向特定行业企业，尤其是生产制造领域的三维动画，其主要内容是以高精度环境、设备三维模型为基础，结合人物操作的计算机三维动画。

主流影视制作一般需要制作假想的场景，因而采用手绘原画加手工建模的方案制作三维场景。影视制作公司目前采用“脚本->分镜头->原画->模型->动画->特效->渲染->剪辑->配音”的顺序制作三维影视内容，细粒度的流水线作业需要较长的动画时长才可降低边际成本，否则无法启动一个项目。

相对于这种以娱乐目的为主的三维影视动画，企业三维工艺培训短片并不需要写实的渲染、精致的特效，其主要需求为准确反映生产工艺所涉及的环境、设备及操作动作。同时，企业对培训短片有快速制作、反复修改的需求，现有的影视制作方法并不满足制作三维工艺培训短片的要求。而且，由于传统影视制作为人力密集型方案，成本很高，也不适于用作制作三维工艺培训短片。

当前的运动捕捉技术主要包括以下几种：

机械式运动捕捉：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。机械式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，因而这种运动捕捉方式并不适合运动训练的运动捕捉。

电磁式运动捕捉：电磁式运动捕捉的系统一般由发射源、接收器和数据处理单元组成。发射源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，成本相对较低。但是这种运动捕捉方式对于环境要求严格，比如附近不能有金属物品，有线电缆对物体的运动限制比较大，而且采样频率较低，因而同样不适合运动较剧烈的运动训练的动作捕捉。

声学式运动捕捉：声学式运动捕捉的装置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，但是精度较差并且要求发射器与接收器之间无遮挡，因而同样不太适合运动训练。

光学式运动捕捉：光学式运动捕捉的系统通常包含环绕待测物体排列的6～8个相机，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。

由于传统三维影视制作流程不适用于企业三维工艺培训短片的制作，因此需要设计一种新的流程及配套的设备，实现场景模型、设 备模型的快速建模、实现人物动画快速捕捉，并能够灵活结合两者，最终合成出模型精确、动作准确的三维短片。