[发明专利]一种应用于虚拟现实系统中的运动人体质心位移计算方法

说明书

本发明请求保护一种应用于虚拟现实系统中的运动人体质心位移计算方法，包括以下步骤：采用动作捕捉感应器分别感应用户身体上多个部位的动作，并对所述动作进行质心判断，若判断是质心部位的动作时，则进行人体质心位移的计算步骤；通过采用EMS陀螺仪和加速度计在内的惯性器件，获得人体支撑腿运动情况，判断是否是支撑腿，并在支撑腿确定的情况下，求取人体质心的运动情况，根据固定在人体身上的惯性设备，求取人体运动时的关节角，并根据人体XOY矢量运动图以及人体运动学模型、几何运动学，求取质心的位置，实现跑步时期人体质心位置的解算。本发明可以提高虚拟现实系统的人体运动的测量准确性。

技术领域

本发明属于虚拟现实技术领域，特别涉及一种应用于虚拟现实系统中的运动人体质心位移计算方法。

背景技术

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术。虚拟现实技术利用计算机技术生成一种模拟环境，通过多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该模拟环境中。虚拟现实技术逐渐走进大众的视野，在娱乐、生活、技术和工作等多个领域开始崭露头角。。

虚拟现实领域的飞速发展推动了3D头戴显示器、手势识别技术、动作捕捉技术、室内定位技术等相关技术的迅猛发展。而以上相关技术的实现方式也呈现出多种多样的形态。随着不同部分的实现技术方案、组合方式不同，用户体验及效果也差异很大。市面上大部分产品都是基于某一种技术或针对虚拟现实相关某一部分的产品。例如单独的头戴显示器、只利用光识别技术的动作捕捉设备、只基于惯性传感器的动作捕捉设备、基于激光的室内定位系统等等。这种分散化的虚拟现实设备一方面比较占用空间，另一方面又限制了用户体验时的活动范围。动作捕获技术已掀起国内外的研究热潮，其中人体腰部(质心)被作为可以反映人体运动的关键部位，对动作捕获、虚拟现实等的实现起着至关重要的作用。经过及检索，仅有关于拖拉机质心的相关测量方法，并没有关于虚拟现实中运动人体的检测方法，而传统的做法是根据人体运动学模型计算人体质心的位置，但是仅适用用于正常行走以计上下楼，但人的姿态大多复杂，难以实现较复杂动作的捕捉。另一个较为普遍的做法是，利用光学检测装置，来估计质心的位移，但光学测量系统易被外界遮挡。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种准确估计人体在虚拟现实中运动质心变化的应用于虚拟现实系统中的运动人体质心位移计算方法。

本发明的技术方案如下：

一种应用于虚拟现实系统中的运动人体质心位移计算方法，所述虚拟现实系统包括：可穿戴虚拟现实设备，设备包括头戴式设备、动作捕捉设备以及一体化背包，头戴式设备包括头戴式显示器，用于显示虚拟场景，动作捕捉设备包括多个适于布置在用户身体上多个部位动作捕捉感应器及质心位移计算模块，其特征在于，所述计算方法包括以下步骤：采用动作捕捉感应器分别感应用户身体上多个部位的动作，并对所述动作进行质心判断，若判断是质心部位的动作时，则进行人体质心位移的计算步骤；通过采用MEMS陀螺仪和加速度计在内的惯性器件，获得人体支撑腿运动情况，具体包括：根据加速度计测得的数据，判断被测对象处于支撑期还是摆动期；若被测对象处于支撑期时，判断是否是支撑腿，并在支撑腿确定的情况下，求取人体质心的运动情况，包括：首先求取加速度计数据的欧几里得范数和，接着获取单次测定的欧几里得范数和重力加速度相对误差的算术平方根，并进行滤波处理，最后进行绝对值运算，获得两腿运动的值，将两腿值相乘，判断行人跑步时所处的时期；根据固定在人体身上的惯性设备，求取人体运动时的关节角，并根据人体XOY矢量运动图以及人体运动学模型、几何运动学，求取质心的位置，实现跑步时期人体质心位置的解算；具体包括以下公式：先采集固定于人腿部的三轴加速度计的输出值，并求出其欧几里得范数Acc，如公式(1)所示；

在公式(1)中，acc_x、acc_y、acc_z分别为加速度计x轴、y轴、z轴的输出；