人體運動數據捕捉主線人體運動運動捕捉技術應用幾種捕捉方式分類機械式電磁式光學式慣性式運動監測儀系統前景與總結人體運動

人體是由200多個旋轉關節組成的復雜形體,不僅可完成高度復雜的動作,而且由于人類具有高度智能性,其運動具有特別好的協調性,因此對人體運動的研究一直是機器人設計、智能控制、人機工程、仿真等領域研究的熱點。

運動是以骨為杠桿,關節為樞紐,肌肉的收縮作為動力而構成的。因此運動系統包括骨、關節及肌肉3個部分。骨、關節與肌肉還構成了人體的支架與基本形狀。

人體運動人體結構的24個關節點表示與七類運動特征定義人體運動太極瑜伽體操人體運動 長期堅持運動鍛煉,可使肌肉中的毛細血管形態結構發生變化,出現囊泡狀,從而增加肌肉的血液供應量,有利于肌肉持續長時間緊張的活動。此外,運動也能夠使人體其她系統在形態與結構上發生改變,并有助于人體健康。

人體運動捕捉具有廣泛的實際應用價值,可應用于工業、農業、交通、文教衛生與體育等許多行業,特別是在醫學、體育科學研究、運動訓練指導、現代影視動畫與游戲制作等領域的應用。目前,國內差不多建設的運動捕捉平臺有中國科學院計算機技術研究所、北京大學、浙江大學、中國傳媒大學等多家科研機構,中央電視臺、國家體育總局、上海市第六人民醫院以及全國各大城市動漫基地分別建設捕捉平臺以滿足實際應用需求。運動捕捉技術應用1、影視制作近年,3D技術與計算機仿真技術越來越成熟,極大改變了影視制作的工作方式。許多電影、動漫與電視劇的制作過程都采納了運動捕捉與三維重構技術。猩球黎明阿凡達電影制作動漫制作影視制作場景視頻1、運動捕捉技術2、影視制作--阿凡達 目前許多大型游戲的開發都差不多開始利用動作捕捉與三維重構技術來使計算機虛擬世界中的人物模型與動作更加逼真,使虛擬世界與現實世界更加接近。

2、游戲設計3、醫療健康 人體運動與人體健康醫療是息息相關的,隨著社會的發展與科技的進步,人們對生活質量的期望與對身體健康的重視程度也越來越高。運動捕捉技術能夠應用于理療與健康監護等諸多醫療領域,通過采集病人的病前運動與康復后運動數據,依據正常人的運動數值對比分析能夠得出康復效果。幫助醫生更好的掌握治療效果。 體育訓練運動捕捉技術能夠捕捉運動員的動作,便于進行量化分析,結合人體生理學、物理學原理,研究改進的方法,使體育訓練擺脫純粹的依靠經驗的狀態,進入理論化、數字化的時代。還能夠把成績差的運動員的動作捕捉下來,將其與優秀運動員的動作進行對比分析,從而幫助其訓練。4、體育5、運動數據庫a、非物質文化遺產,是人類文明的象征與寶貴財富。然而一些依靠口傳心授的文化遺產正在不斷消失,許多傳統技藝瀕臨消亡。因此能夠依靠運動捕捉技術將其錄取保存。b、機器人的發展是下一個時代特征,機器人是通過模仿人類的行為動作來運動的,能夠將人類運動采集存儲,然后機器通過運動數據庫來處理應用幾種捕捉方式分類第一類:接觸式與非接觸式第二類:圖像與數據第三類:第一類第二類1、對包羅人體運動的圖像序列進行提取處理,從而得到人體的運動信息2、利用傳感器對人體的運動數據采集,進行人體的分析與研究第三類:機械式、電磁式、光學式、慣性式機械式:運動捕捉依靠機械裝置來跟蹤與測量人體的運動軌跡。電磁式:運動捕捉由發射源、接收傳感器與數據處理單元組成。光學式:運動捕捉由在表演者關鍵部位粘貼上一些主動或者被動 反光的標識點,在捕捉過程中利用多個高頻攝像機對標 記點進行檢測與跟蹤,并通過電腦獲得三維人體運動數 據。慣性式:運動捕捉系統主要依賴地球重力與磁場。運動捕捉進化史-----電影界機械式 機械式典型的系統由多個關節與剛性連桿組成,在可轉動的關節中裝有角度傳感器,能夠測得關節轉動角度的變化情況。裝置運動時,依照角度傳感器所測得的角度變化與連桿的長度,能夠得出桿件末端點在空間中的位置與運動軌跡。實際上,裝置上任何一點的運動軌跡都能夠求出,剛性連桿也能夠換成長度可變的伸縮桿,用位移傳感器測量其長度的變化。早期出現過火柴人,魂斗羅特點: 機械式運動捕捉的一種應用形式是將欲捕捉的運動物體與機械結構相連,物體運動帶動機械裝置,從而被傳感器實時記錄下來。X-Ist的FullBodyTracker是一種頗具代表性的機械式運動捕捉產品。優缺點: 這種方法的優點是成本低,精度也較高,能夠做到實時測量,還可容許多個角色同時表演。但其缺點也特別明顯,主要是使用起來特別不方便,機械結構對表演者的動作阻礙與限制特別大。電磁式表演者在電磁場內表演時,接收傳感器將接收到的信號通過電纜傳送給處理單元,依照這些信號能夠解算出每個傳感器的空間位置與方向優點: 首先在于它記錄的是六維信息,即不僅能得到空間位置,還能得到方向信息,這一點對某些特別的應用場合特別有價值。其次是速度快,實時性好,表演者表演時,動畫系統中的角色模型能夠同時反應,便于排演、調整與修改。裝置的定標比較簡單,技術較成熟,成本相對低廉。缺點: 在于對環境要求嚴格,在表演場地附近不能有金屬物品,否則會造成電磁場畸變,影響精度。系統的允許表演范圍比光學式要小,特別是電纜對表演者的活動限制比較大,關于比較劇烈的運動與表演則不適用。光學式目前常見的光學式運動捕捉大多基于計算機視覺原理。從理論上說,關于空間中的一個點,只要它能同時為兩部相機所見,則依照同一時刻兩部相機所拍攝的圖像與相機參數,能夠確定這一時刻該點在空間中的位置。當相機以足夠高的速率連續拍攝時,從圖像序列中就能夠得到該點的運動軌跡。指環王---咕嚕基于LED燈的光學式動作捕捉技術光學設備拍攝設備被動標記點 MotionAnalysis公司是該領域的佼佼者。典型的光學式運動捕捉系統通常使用6～8個相機環繞表演場地排列,這些相機的視野重疊區域就是表演者的動作范圍。為了便于處理,通常要求表演者穿上單色的服裝,在身體的關鍵部位,如關節、髖部、肘、腕等位置貼上一些特制的標志或發光點,稱為"Marker",視覺系統將識別與處理這些標志。系統定標后,相機連續拍攝表演者的動作,并將圖像序列保存下來,然后再進行分析與處理,識別其中的標志點,并計算其在每一瞬間的空間位置,進而得到其運動軌跡。優點: 表演者活動范圍大,無電纜、機械裝置的限制,表演者能夠自由地表演,使用特別方便。其采樣速率較高,能夠滿足多數高速運動測量的需要。Marker數量可依照實際應用購置添加,便于系統擴充。缺點: 系統價格昂貴,它能夠捕捉實時運動,但后處理(包括Marker的識別、跟蹤、空間坐標的計算)的工作量較大,適合科研類應用、電影動漫大型游戲的制作。慣性式通過慣性傳感器、IMU(慣性測量單元)捕捉表演者運動加速度、方位、傾斜角等特性。不受環境干擾影響,不怕遮擋。捕捉精確度高,采樣速度高,達到每秒1000次或更高。慣導傳感器佩戴在表演者頭上,或通過17個傳感器組成數據服穿戴,通過USB線、藍牙、2、4GzhDSSS無線等與主機相聯,分別能夠跟蹤頭部、全身動作,實時顯示完整的動作。慣性動作捕捉全身式Perceptionlegacy慣性式--動作捕捉頭盔常用的慣性式動作捕捉系統演示圖慣性式問:MEMS是什么意思微機電系統,是指可批量制作的,集微型機構、微型傳感器、微型執行器以及信號處理與控制電路、直至接口、通信與電源等于一體的微型器件或系統。MENS慣性傳感器第一類:三軸加速度計(ax、ay、az)第二類:三軸加速度計與三軸角速率陀螺儀 (ax、ay、az與gx、gy、gz)兩類傳感器應用,測量圍繞三個正交坐標軸的靜態與動態的角速度與加速度ADI公司主要產品:放大器與線性產品、數據轉換器、音頻與視頻產品、寬帶產品、時鐘與定時IC、光纖與光通信產品、接口與隔離、MEMS與傳感器、電源與散熱管理、處理器與DSP、RF與IFICs、開關與多路復用器等等。ADXL345ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計,分辨率高(13位),測量范圍達±16g。數字輸出數據位16位二進制補碼格式,可通過SPI或I2C數字接口訪問ADIS16405內置一個三軸陀螺儀與一個三軸加速度計(還有一個三軸磁強計),體積小,便于安裝與攜帶。三軸數字加速度計測量范圍:±18g;三軸數字陀螺儀,數字范圍調整設置:±75°/秒、±150°/秒、±300°/秒ax、ay、az與gx、gy、gz功能框圖SPI與I2CSPI(SerialPeripheralInterface)串行外設接口,是一種高速的,全雙工,同步的通信總線。它以主從方式工作,這種模式通常有一個主設備與一個或多個從設備,需要至少4根線,事實上3根也能夠(單向傳輸時)。也是所有基于SPI的設備共有的,它們是SDI(數據輸入)、SDO(數據輸出)、SCLK(時鐘)、CS(片選)。I2C(Inter－IntegratedCircuit)是由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線,用于連接微控制器及其外圍設備。是微電子通信控制領域廣泛采納的一種總線標準。通過串行數據(SDA)線與串行時鐘(SCL)線在連接到總線的器件間傳遞信息。ADXL345模塊實物特點: 不受外界影響,不存在象聲學傳感器、光學傳感器受遮擋或環境噪音影響,或象電磁傳感器受金屬影響,精度高,如±1o動態條件下所有方向,采樣速率快達數每秒幾百至1000次,適合高動態運動,因為是高度集成芯片模塊,尺寸特別小、重量特別輕,數據傳輸方便、簡單。 可廣泛應用于:機器人、動作捕捉、定位與穩定、人員導航與跟蹤、醫療監測、無人機/陸地/水下車輛導航、教育與表演藝術、游戲及運動控制、虛擬現實技術與人體仿真。