惯性运动捕捉姿态瞬时校准方法及其系统技术方案

本发明专利技术公布一种惯性运动捕捉姿态瞬时校准方法及其系统，惯性运动捕捉系统包括数据通信模块、一个或多个姿态捕捉模块和数据终端；姿态捕捉模块包括九轴传感器(和微处理器)，其中有一个姿态捕捉模块为基准模块；通过建立系统中的世界坐标系V(w)、捕捉物体坐标系、安装坐标系之间的关系进行姿态瞬时校准。通过本发明专利技术，使用者只需采用一个姿势即能瞬间快速完成系统校准，还可在校准过程中进行姿势纠偏和自动快速调整虚拟模型骨骼比例，提高动作节点匹配度，有效解决虚拟模型和实际物体骨骼比例不一致，高度还原被捕捉物体的动作，提高运动捕捉的精准程度。本发明专利技术操作简单，极大地节省了捕捉动作的时间。

Method and system for instantaneous calibration of inertial motion capture posture

The invention discloses a calibration method of inertial motion capture system and its instantaneous attitude, inertial motion capture system includes the data communication module, one or more of a gesture capture module and data terminal; attitude capture module includes nine axis sensor (and microprocessor), which has an attitude capture module for reference module; through the world coordinate system V the establishment of the system (W), attitude calibration object coordinates, capture the instantaneous relationship between the coordinates of the installation. According to the invention, the user only needs to adopt a posture that is able to quickly complete the calibration of the system, but also pose correction and automatic rapid adjustment of virtual model skeleton in the calibration process, improve the matching degree of node action, effectively solve the virtual model and the actual object skeleton is not consistent, highly reduced captured object moves, improve the level of precision motion capture. The operation of the invention is simple, and the catching action time is greatly saved.

【技术实现步骤摘要】
惯性运动捕捉姿态瞬时校准方法及其系统
本专利技术涉及运动捕捉技术，尤其涉及惯性运动捕捉姿态瞬时校准方法及其系统。
技术介绍
运动/动作捕捉技术是一种利用各种传感器设备和科学技术方法把物体的运动信息转换成电脑能识别的信息的一种技术。运动捕捉技术被广泛的应用在影视动画，虚拟游戏，体育，医疗等各个领域。根据使用的硬件方法的不同，运动捕捉技术包括机械式运动捕捉、声学式运动捕捉、电磁式运动捕捉、光学式运动捕捉和惯性运动捕捉等几种方法。各种运动捕捉方法在使用环境、捕捉精度、易于使用性和价格等几个维度上都各有不同。综合来说，惯性运动捕捉技术在这几个维度上都有不错的性能，所以在运动捕捉的应用领域得到越来越多的应用。采用惯性动捕技术，在使用时需要在被捕捉的物体上绑定姿态捕捉模块。在运动捕捉之前安装姿态捕捉模块时，由于不能保证每次安装在被捕捉物体上姿态捕捉模块的位置都是一样的，尤其是设备安装在个体差异比较大的人体时，所以，需要在物体上固定好姿态捕捉模块之后，再去完成姿态捕捉模块计算的物体初始姿态和设备终端的物体模型的初始姿态的对应关系，这就是惯性动捕技术里所说的校准。任何惯性动捕技术只有在完成校准这个过程后，才能进行下一步的动作捕捉。现有的惯性动捕技术的校准比较复杂，一般地，需要使用者摆多个不同的姿势，并且要求每个姿势都保持十几秒到几十秒的时间。因为在摆姿势的时候，多少都会和标准姿势存在偏差，而且要求姿势保持的时间越长，偏差会有增大的趋势。而校准需要摆的姿势越多的话，偏差就更有增大的趋势，不利于惯性动作捕捉系统的精度，影响惯性动作捕捉系统的使用和应用。另一方面，在现有的动作捕捉技术中，为了高度还原被捕捉物体的动作，需要把虚拟的物体结构比例按照实际物体的结构比例去建模，由此实现姿态的精准校准。当被捕捉的物体的各部分骨骼比例差别较大时，需要手动修改虚拟物体模型的骨骼比例。当被捕捉的物体的骨骼数量较多时(以人体为例，如果捕捉人体全身包括手指的动作，总共需要捕捉大概47个主要的骨骼)，现有通过手动修改虚拟物体模型的骨骼比例进行参数调整实现校准的方法，给动作捕捉系统的使用带来很大的不方便，不利于动作捕捉技术的应用和推广。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种惯性运动捕捉姿态瞬时校准方法，使用本专利技术的技术方案，不需要使用者摆多个不同的姿势，只需采用一个姿势，即能瞬间快速完成系统校准，还可在校准过程中进行姿势纠偏和自动快速调整虚拟模型骨骼比例，进一步提高使用者姿态与虚拟模型的初始姿态的匹配度，有效解决虚拟模型和实际模型骨骼比例不一致的问题。本专利技术的原理是：在动作捕捉系统中，存在几个坐标系。一个是世界坐标系V(w)，是姿态捕捉模块直接能捕捉并输出的坐标系，表示的是物体三维世界里的物体姿态；由于传感器的硬件不同，用传感器的输出来表示的世界坐标系V(w)可以是不一样的；可用Vi(w)(i＝1,2,…n)来表示每个传感器所确定的世界坐标系。另一个是被捕捉的物体所处的坐标系，各个物体所处的坐标系可能不一样，可以简单化地把各个被捕捉的物体所处的坐标系定义成一个统一的坐标系，即坐标系V(o)。此外，姿态捕捉模块需要安装在被捕捉的物体上才能捕捉到物体的动作，由于安装姿态捕捉模块时并不能保证每个姿态捕捉模块安装的倾斜角和朝向都一样，因此，被捕捉的物体和安装的姿态捕捉模块之间存在一个安装坐标系V(a)。每个被捕捉的物体的安装坐标系都不一样，可用Vi(a)(i＝1,2,…n)来表示第i个物体的安装坐标系。当用惯性传感器来捕捉物体(特别是捕捉人体)的动作时，一个首要解决的问题是要找出各个姿态捕捉模块表示的世界坐标系之间的关系。在实际实验中，影响传感器精度的因素主要是磁场的因素，当用欧拉角来表示传感器的输出姿态时，磁场主要影响的是水平角度的值，即yaw值。本专利技术采用四元数表示各个姿态捕捉模块的世界坐标系的关系，将各个姿态捕捉模块之间的世界坐标系进行统一，再定义物体的初始姿态和坐标系，并找出物体坐标系和世界坐标系的关系，由此实现运动捕捉的瞬时校准。在此基础上，能够进一步实现捕捉物体的运动姿态。本专利技术的技术方案是：一种惯性运动捕捉姿态瞬时校准方法及其系统，只需通过采用一个姿势，即能瞬间快速完成惯性运动捕捉系统的姿态校准；所述惯性运动捕捉系统包括数据通信模块、多个姿态捕捉模块和数据终端；姿态捕捉模块包括九轴传感器和微处理器或仅包括九轴传感器，以其中一个姿态捕捉模块为基准模块；所述姿态瞬时校准方法包括如下步骤：1)姿态捕捉模块直接捕捉并输出的坐标系为世界坐标系，设定世界坐标系为V(w)；各个被捕捉的物体所处的坐标系定义物体统一坐标系，设定物体统一坐标系为V(o)；被捕捉的物体和安装的姿态捕捉模块之间的坐标系为安装坐标系，设定安装坐标系为V(a)；设定Vi(a)(i＝1,2,…n)表示第i个物体的安装坐标系；2)采用四元数(x,y,z,w)表示各个姿态捕捉模块的世界坐标系V(w)，其中，x,y,z,w分别表示四元数的四个参数；通过测量各个传感器的欧拉角水平角度的偏移值YAWi(i＝1,2,…n)，统一各个姿态捕捉模块之间的世界坐标系；通过式1统一各个姿态捕捉模块之间的世界坐标系：Quati(x,y,z,w)＝Etoq(YAWi，0，0)(i＝1,2,…n)(式1)式1中，Quati(x,y,z,w)为第i个模块的四元数，本专利技术采用四元数表示各个姿态捕捉模块之间统一的世界坐标系；YAWi为欧拉角的水平旋转角度，其取值通过测量得到；当姿态捕捉模块为基准模块时，YAWi＝0；Etoq(yaw,pitch,roll)是欧拉角转换四元数的方法，用式2表示：其中，Quat(x,y,z,w)表示一个四元数；yaw、pitch和roll分别为欧拉角水平旋转角度、俯仰选转角度、倾斜旋转角度。3)设定系统虚拟模型和系统标准Tpose，在被捕捉物体上安装好惯性运动捕捉系统并摆好初始校准姿态；定义被捕捉物体的初始姿态Tpose和坐标系；本专利技术实施例中，以捕捉人体的运动为例，Tpose表示人处于两手伸开保持水平，两腿垂直地面站立，脚面互相平行的姿态，一般以Tpose作为人体的初始姿态。定义物体的X轴正方向为左手方向，Y轴正方向为垂直水平面向上方向，Z轴正方向为人正前方方向为物体坐标系的X轴、Y轴、Z轴的朝向。此步骤还可进一步进行人体摆出的姿势和标准Tpose的纠偏处理，可通过骨骼比例进行模型配准；当人体摆出的初始校准姿势Tpose不符合标准Tpose时，给出做反方向调整姿势的提示，被捕捉物体根据提示进行姿势纠偏，直到摆出的初始校准姿势Tpose姿势符合标准姿势，再执行瞬时校准操作；此外，在校准过程中还可通过自动快速调整虚拟模型骨骼比例的方法，快速地把虚拟模型的骨骼比例调整得和实际人体的骨骼比例一致；4)设姿态捕捉模块i安装时的姿态为初始校准姿态Eulor(yawi0,pitchi0,rolli0)，传感器i的姿态输出为Qi，通过计算得到物体i的姿态四元数为Qrlti，由此找出物体坐标系和世界坐标系的关系，从而实现运动捕捉的瞬时校准；此步骤输入的参数是基准模块的局部坐标系的X轴和被捕捉物体局部坐标系的X轴的相对偏移角度baseangle、被捕捉物体保持初始姿态时各个姿态捕本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种惯性运动捕捉姿态瞬时校准方法，只需通过采用一个姿势，即能瞬间快速完成惯性运动捕捉系统的姿态校准；所述惯性运动捕捉系统包括数据通信模块、一个或多个姿态捕捉模块和数据终端；姿态捕捉模块包括九轴传感器和微处理器或仅包含九轴传感器，选择其中一个姿态捕捉模块作为基准模块；所述姿态瞬时校准方法包括如下步骤：1)姿态捕捉模块直接捕捉并输出的坐标系为世界坐标系，设定世界坐标系为V(w)；根据各个被捕捉的物体所处的坐标系定义物体统一坐标系，设定物体统一坐标系为V(o)；被捕捉的物体和安装的姿态捕捉模块之间的坐标系为安装坐标系，设定安装坐标系为V(a)；设定Vi(a)(i＝1,2,…n)表示第i个物体的安装坐标系；2)采用四元数(x,y,z,w)表示各个姿态捕捉模块的世界坐标系V(w)，其中，x,y,z,w分别表示世界坐标系的其中一个坐标；通过式1将欧拉角转换成四元数，统一各个姿态捕捉模块之间的世界坐标系：Quati(x,y,z,w)＝Etoq(YAWi，0，0)(i＝1,2,…n)          (式1)式1中，Quati(x,y,z,w)为第i个模块的四元数；YAWi为欧拉角绕y轴的旋转角度，其取值通过测量得到；当姿态捕捉模块为基准模块时，设定YAWi＝0；Etoq(yaw,pitch,roll)是欧拉角转换四元数的方法，用式2表示：...

【技术特征摘要】
1.一种惯性运动捕捉姿态瞬时校准方法，只需通过采用一个姿势，即能瞬间快速完成惯性运动捕捉系统的姿态校准；所述惯性运动捕捉系统包括数据通信模块、一个或多个姿态捕捉模块和数据终端；姿态捕捉模块包括九轴传感器和微处理器或仅包含九轴传感器，选择其中一个姿态捕捉模块作为基准模块；所述姿态瞬时校准方法包括如下步骤：1)姿态捕捉模块直接捕捉并输出的坐标系为世界坐标系，设定世界坐标系为V(w)；根据各个被捕捉的物体所处的坐标系定义物体统一坐标系，设定物体统一坐标系为V(o)；被捕捉的物体和安装的姿态捕捉模块之间的坐标系为安装坐标系，设定安装坐标系为V(a)；设定Vi(a)(i＝1,2,…n)表示第i个物体的安装坐标系；2)采用四元数(x,y,z,w)表示各个姿态捕捉模块的世界坐标系V(w)，其中，x,y,z,w分别表示世界坐标系的其中一个坐标；通过式1将欧拉角转换成四元数，统一各个姿态捕捉模块之间的世界坐标系：Quati(x,y,z,w)＝Etoq(YAWi，0，0)(i＝1,2,…n)(式1)式1中，Quati(x,y,z,w)为第i个模块的四元数；YAWi为欧拉角绕y轴的旋转角度，其取值通过测量得到；当姿态捕捉模块为基准模块时，设定YAWi＝0；Etoq(yaw,pitch,roll)是欧拉角转换四元数的方法，用式2表示：其中，Quat(x,y,z,w)表示一个四元数；yaw、pitch和roll分别为欧拉角绕y轴、x轴、z轴的旋转角度；3)设定系统虚拟模型和系统标准Tpose，被捕捉物体穿戴上惯性运动捕捉系统并摆好初始校准姿态；定义被捕捉物体的初始姿态Tpose和坐标系；4)获取基准模块的局部坐标系的X轴和被捕捉物体局部坐标系的X轴的相对偏移角度baseangle，获取被捕捉物体保持初始姿态时各个姿态捕捉模块输出的欧拉角的yaw值YAWi，设姿态捕捉模块i安装时的姿态为初始校准姿态Eulor(yawi0,pitchi0,rolli0)，传感器i的姿态输出为Qi，通过计算得到物体i的姿态四元数为Qrlti，由此找出物体坐标系和世界坐标系的关系，从而实现运动捕捉的瞬时校准；具体包括如下步骤：41)在固定在被捕捉物体上的姿态捕捉模块中，所述基准姿态捕捉模块的安装位置和方向要使得基准模块的局部坐标系的X轴和被捕捉物体局部坐标系的X轴的相对偏移角度是一个固定值，该固定值为基准模块的局部坐标系和被捕捉物体的局部坐标系的X轴夹角α与被捕捉物体保持初始姿态时基准姿态捕捉模块输出的欧拉角的yaw值β之和，记为baseangle；42)采用姿态捕捉模块安装在物体时的初始姿态来表示物体的安装坐标系，记录初始校准姿态下各姿态捕捉模块的安装坐标系(yawi0，pitchi0，rolli0)；43)通过式3计算得到安装坐标系与世界坐标系的关系：Qi0(x,y,z,w)＝Etoq(yawi0,pitchi0,rolli0)-1×Qi(式3)式3中，Qi0(x,y,z,w)为第i个姿态捕捉模块的安装坐标系与世界坐标系的关系四元数；(yawi0，pitchi0，rolli0)为初始校准姿态下各姿态捕捉模块的安装坐标系；Qi为姿态捕捉模块i的姿态输出，是姿态捕捉模块i的输出四元数；44)通过式4～5计算得到姿态捕捉模块局部坐标系与世界坐标系的关系：Qi1(x,y,z,w)＝Etoq(yawi0,0,0)(式4)Qi2(x,y,z,w)＝Qi1×Qi0×Qi1-1(式5)其中，Qi1为第i个姿态捕捉模块水平旋转了角度yawi0后的四元数；Qi2为第i个姿态捕捉模块的局部坐标系与世界坐标系的关系四元数；(yawi0,0,0)为初始校准姿态下基准姿态捕捉模块的安装坐标系；43)通过式6～7计算得到物体局部坐标系与世界坐标系的关系：Qi3(x,y,z,w)＝Etoq(baseangle+YAWi-yawi0,0,0)(式6)Qrlt...

【专利技术属性】
技术研发人员：王礼辉，弭强，
申请(专利权)人：影动北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11