人体运动实时捕捉仪器设计与应用new

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1、二〇〇五年·第二期研制与开发═══════════════════════════════════════════════════════════════人体运动实时捕捉仪器设计与应用*高申玉1，2刘金刚1（1.中科院计算所&首都师范大学计算机科学联合研究院北京100037）（2.空军指挥学院空军战术系北京100089）摘要将人体运动实时捕捉下来，实现数字化处理与同步图像显示，将在影视广告制作、体育运动分析、康复效果跟踪等许多方面具有潜在的应用前景。本文系统介绍人体运动实时捕捉仪器的设计原理、数据处理与相关算法

2、，并对该仪器的应用前景进行分析。关键词运动捕捉数据处理虚拟人建模动画制作人体运动分析运行前设定地面坐标系并检测出各个探测支架放置的引言位置与姿态。人体运动是个复杂的连续过程，对此过程实现数其中，探测支架是整个系统的核心部件，下面介绍字化记录和处理，则可为人体运动分析与研究提供极其设计原理（见图1）。大方便。人体运动是由人体上各个关节点来牵引和约束的1，如果能记录到每1帧中各主要关节点的位置数据，再进行人体建模与图像重构，则可实现人体运动数字化。结合国家“863”课题，研究开发这套人体运动实时捕捉设备，它实现对人

3、体在有限空间运动时各主要关节点（Marker点）的探测和数据采集，根据相应计算和处理，得出各点坐标数据，同时进行虚拟人运动图像重构。这样，人体在运动时，PC机上实时动态地显示虚拟人运动及虚拟空间的图像，并保存数据和图像以备进一步处理。由于实现人体运动数据化、同步图像动态显示、数据和图像保存等多项功能，这套设备在影视广告和动画的实时制作、特技动作拍摄、体育、医疗、测量和辅助设计等方面都有很大的应用潜力，而且体现出实时、快速、经济、可重复等优势。本文介绍其设计原理，并对其图1人体运动实时捕捉仪示意图应用前景进行说明

4、。根据线阵CCD光电灵敏度好、角度分辨率高和采样速度快的特点，可用之对点光源进行探测。当空间点光源!系统设计原理经光学镜头照射在线阵CCD像敏元上时（见图1C），由PLD1.1系统硬件设计可编程逻辑器件产生的SH、∅1、∅2和四路时序脉冲信号驱成套设备包括：4～6个探测支架、主控制盒、特制动CCD及相关电路工作并对感光电荷进行移位输出3。紧身衣、同步控制盒、三角检测架及专用导线等。主控CCD像敏元上感光部分输出高电平，经二值化处理和计数制盒内嵌USBHub、电源及工作切换等模块，向设备供器双跳变计数，得到CCD

5、感光段上升沿和下降沿的像敏元电并使主机通过USB口连接各支架，在运行前检测时序列号na和nb（见图1d），此数据表征点光源相对于镜头提供转换功能。特制紧身衣上头部和各关节点粘有高的位置信息，用3个镜头设计成一个探测支架进行交叉探亮红光LED，各LED有线连到同步控制盒。同步控制测（图1a为支架上半部正面照片），左右两个镜头中CCD盒由电路控制各LED发光时序，并与各探测支架通过水平放置，中间的垂直放置，可探测到点光源相对于支架无线收发电路进行同步工作。三角检测架用于在系统的空间位置，即该点的支架坐标。*基金项目

6、：国家863基金资助项目（2001AA114201）。33现代仪器二〇〇五年·第二期═══════════════════════════════════════════════════════════════由于光不具穿透性，系统采用4～6个探测支架D2、D3和L、R这8个与安装有关的参量要通过定点、（见图1b）环形向内探测。人穿上特制紧身衣，启动（手定距实验测算出来。系统运行时，由na1、nb1、na2、nb2、机状）同步控制盒工作，在1帧时间内，它控制各LEDna3、nb3这6个输出量，来计算该点相对坐标

7、。交替闪烁1次，并与各探测支架无线同步，各支架同时1.3位姿检测与坐标融合对闪烁的LED进行探测和信号采集，将1帧中分别对式（1）算出的是各Marker点的支架相对坐标，而人各LED（即Marker点）采集到的数据通过USB通信传输体上各点要统一到地面坐标系中，因而在系统运行开给上位机，进行数据遴选、滤波和计算等处理，即可得始时，要通过检测求得各支架的摆放位置和姿态（即支到各Marker点的位置坐标，按25帧/s进行连续采集，架坐标系与地面坐标系之间的偏移量Δx、Δy、Δz和经上位机图像重构，可实现人体运动→虚

8、拟空间实时旋转角度α、、γ）。用三点间相互距离确定的三点检测β图像的再现。架（见图2）放在中间并设定地面坐标系OXYZ，依次闪1.2数据处理与坐标计算亮ABC三点，各支架对其探测并计算，采用空间向量旋上位机应用程序由定时器控制每帧开始时分别从转计算方法，求得地面坐标系与各支架坐标系的转换各探测支架通过USB传输读取几个数据包，对这些数矩阵。尔后撤去检测架，人体进行活动范围运动。几据包进