[发明专利]一种基于惯性传感器和织物电子的动作捕获方法及装置

说明书

本申请公开了一种基于惯性传感器和织物电子的动作捕获方法，采用惯性传感器与织物电子相结合的方式进行数据采集，避免了惯性传感器不贴合带来的误差问题，提升了佩戴舒适度；此外，该方法根据身体运动特点提出简化的4自由度肢体模型，利用四元数描述第一人体部位相对于人体的旋转角度或第二人体部位相对于第一人体部位的旋转角度，融合惯性传感器捕获3维姿态的优势，对肢体空间姿态进行捕获；最后，该方法能够通过逆向运动学姿态拟合对下肢姿态进行修正，有效抑制惯性传感器漂移造成的不正常扭曲动作的发生。此外，本申请还提供了一种基于惯性传感器和织物电子的动作捕获装置、设备及可读存储介质，其技术效果与上述方法的技术效果相对应。

技术领域

本申请涉及计算机技术领域，特别涉及一种基于惯性传感器和织物电子的动作捕获方法、装置、设备及可读存储介质。

背景技术

动作捕获(motion capture)是指利用传感器测量、跟踪和记录人体各部分在三维空间的运动轨迹并以数字的形式表示和存储的一项技术。随着动作捕获技术发展，已应用到影视、虚拟现实、人机交互、游戏和医疗康复等多个领域。

简单的动作捕获先驱一般认为是美籍动画师马克思费舍尔(Max Fleischer)，1915年，在第一次世界大战期间，开发的一种名为转描(Rotoscoping)的技术，该技术将实际拍摄到的动作影像作为动画描绘底样，动画师以此为基础逐帧描绘出所需要的动作。1939年上映的《白雪公主和七个小矮人》是首次采用rotoscope技术的电影。发展到现在的人体动作捕获技术包括：(1)机械式捕获设备：机械式动捕系统包含多个刚性连杆和关节，通过装在关节中的角度传感器测量关节的角度可以计算出杆件末端点在空间中的位置和运动轨迹，该系统不受外界环境干扰、成本低且精度高，但是阻碍用户活动。(2)电磁式：电磁式动作捕获系统由发射源、接收器和数据处理单元构成。发射源能产生具有时间规律的电磁场，接收器设置在人体不同位置。优点是使用简单、鲁棒性和实时性高，但是受地板、墙壁和天花板中的黑色金属以及捕捉区域中的噪声源的影响，并且操作空间内的金属物体和杂散磁场都会降低性能。(3)声波式：原理是根据超声波的延迟以及相位偏差计算人体位置姿态，常用于短距离测量。该系统由发射器、接收器以及处理器三个部分组成。优点是成本低，但实时性低、精度差、易受接收器和发射器间障碍物影响，大噪声和多次反射也会干扰其性能，且在空气中的传播速度受空气压力、湿度和温度影响。(4)光学式作为目前被使用最广泛的一项动捕技术，同时也是技术最成熟、精度最高和价格昂贵的动捕系统。通过对特定光点的跟踪来捕捉运动轨迹。该系统优点是延迟低和精度高，但对场地光线有要求，并且标记可能由于阴影效应被隐藏。(5)惯性传感器式：惯性动作捕获系统是基于低成本MEMS传感器的动作捕获系统。根据加速度二重积分获得物体空间位置，所以有很强的自主性，不易受外界环境干扰，但是受时间的推移，惯性传感器会产生较大的累计漂移误差，而传统的辅助算法只能尽可能减小漂移误差。

一种现有动作捕获方案为基于光学的动作捕获系统。VR虚拟现实动作捕捉系统包括多个光学式动作捕捉相机，其用于根据标记点来捕捉身体各部分在三维方向上的位移。光学摄像机价格昂贵，由光学摄像头捕获动作，因无法实时确认后期的三维场景的效果以及其他后期分别合成的三维人物或道具等，所以需要在空白空间的动作捕捉室内进行表演，另外肢体对标记的遮挡，使相机不能准确捕捉到标记的位置。因此光学的动作捕获系统不适用于日常普遍使用。

另一种现有动作捕获方案为基于惯性传感器的动作捕获系统。采用的数据传感器数量不低于31个，节点过多造成同时传输容易延迟，且各个传感器采用有线连接。首先惯性节点太多增加了穿戴的复杂性，且重量增加了用户的负担。其次，传感器坐标系到人体坐标系的精确转换要求传感器在运动中紧紧地固定在人体上，使用刚性节点佩戴在人体，这看起来是合理的，但是，人体非刚性部分会使传感器相对人体运动，为了减少传感器松动带来的坐标转换误差，使用绷带令传感器牢牢固定在人体各部分会对皮肤造成不适感，不适合对动作长时间捕获的要求。