基于光学的人体运动捕捉系统_陈为昊.pdf

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1、福建电脑FUJIANCOMPUTER基于光学的人体运动捕捉系统陈为昊（福建师范大学协和学院，福建福州350002）【摘要】：VICON光学运动捕捉系统是目前应用最为广泛、发展最为成熟的一类捕捉技术。目标的运动轨迹通过摄像机高速连续拍摄的图像序列中得到，光学式运动捕捉便是利用这一点通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。本系统主要是研究光学运动捕捉的相关技术，通过捕捉ROM动作进行数据恢复，实现了人体的运动捕捉。【关键词】：运动捕捉；光学；计算机视觉1引言的直线距离公式求得。运动捕捉已经

2、成为目前广泛使用的能够真实再（1）现人体运动细节的方法，该方法在电影制作、虚拟现（2）实、运动医学、机器人控制、游戏制作等方面有着广泛的应用前景。人体运动捕捉可以分为：电磁式运动捕在前述相同条件下，相邻两帧之间反光球的平均[1][2]捉、机电式运动捕捉和光学运动捕捉。现在运动捕速度的大小就可以用两帧之间的直线距离除以这相捉技术已经广泛运用与医学，工程，勘测，体育还有影邻两帧之间的时间得到，并将这相邻两帧之间的速度视娱乐，伴随着CG产业的飞速发展，运动捕捉技术，变化看成是匀变速的。这样任意相邻的两帧之

3、间的运日趋成熟。与此同时也带动系统制造商朝着提升稳定动速度和加速度就可以得到。这里进行了两个简化，性、追求操作效率、拓展系统应用弹性以及降低系统即反光球在相邻两帧之间的运动是直线运动和匀变成本等方向全面发展。速运动，这样可以得到该时刻该点的运动速度和加速2人体反光球相关技术度：人体的骨架模型主要是由肢体和关节构成，所以进行人体结构描述的关键是进行人体的肢体选取和（3）人体的关节选取。基于本运动捕捉系统的具体实际情况共选取16个肢体段(不包括手足的细节)，分别是2.2刚体运动分析腰臀部，上躯干部(胸腹

4、部，左胸肩部，右胸肩部三者合在运动学中，描述刚体平动至少要知道刚体上在为一体)，左大臂、右大臂、左小臂、右小臂、左手、右手、刚体运动平面上投影不重合的任意两点的运动状态，颈部、头部、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左足、右[3]而作空间运动的刚体则要知道三个点的运动状态。足。各肢体段共由15个关节相连，分别是臀腹关节，由于运动捕捉过程中各种原因（主要是遮挡）可能存(左胸肩关节、右胸肩关节合一)，左肩关节，右肩关节、在某个反光球的运动轨迹不连续，为了减少这种不连左肘关节、右肘关节、左腕关节、右腕关节、

5、胸颈关节、续造成的误差或使捕捉数据报废，对于在运动中包含头颈关节、左腿根关节、右腿根关节、左膝关节、右膝易被遮挡的反光球的刚体一般用4个反光球来定义。关节、左蹂关节、右跺关节。同时设定了理论上的人体组成肢体的各刚体运动包括平动和绕关节的转根关节(Rootloini)，包括了3个平移自由度和3个旋转动，由于前面已经求出了组成刚体的各点的瞬时运动自由度，来确定人的世界空间位置和朝向。学参数，将它们按照研究目的不同求出刚体平动的速2.1单个反光球运动方程度和加速度或转动的角速度ω和角加速度β。根据由于人体

6、运动的速度和加速度有限，在运动捕捉运动学的相关知识可以求得。系统采样频率f较高时，反光球在任意两帧之间的运3坐标系及三维重建动轨迹可以看成是直线，其距离可以用任意两点之间（1）立体视觉摄像机定标·120·福建电脑2013年第7期福建电脑FUJIANCOMPUTER在立体系统中，一般需要用两个摄像机，因此，与假设两个摄像机的焦距相同，并且内部参数也相同。单个摄像机定标的差别是。需要通过定标，测量双摄而且两个摄像机的光轴互相平行，x轴重合，y轴互相像机之间的相对位置.平行。因此，将第一个摄像机沿其x轴平

7、移一段距离[4]（2）三维重建后与第二个摄像机完全重合。两个摄像机坐标系分别对于空间任意一点P，如图1所示。如果用摄像机为O1，X1，Y1，Z1和O2，X2，Y2，Z2两个摄像机坐标系只C(C是摄像机光心)观察，它在C的像平面上的像点为差x轴方向上的一个平移，将平移距离记为b，也称为p，但仅此还无法从p得知P的三维位置。事实上，在基线长度。对于任意的空间一点P在C1和C2坐标系CP连线上任意一点的像点都是p。如果我们同时用下的坐标为（x1，y1，z1）和（x1-b，y1，z1）。P1，P2分别是PC

8、1和C2两个摄像机观察P点，并且能够确定，在C在左右摄像机像平面上的像点。由投影比例关系可的像平面上的p1点和C2的像平面上的p2点是空间得：同一点P的像点(这个问题就是对应点的匹配)，那么我们就可以知道，P点既在Cp上，又在C2p2上，因此它是这两条直线的交点，即它的三维位置是可以唯一确定的。这就是计算机视觉三维重建的基本原理。（4）其中，u0，v0，ax，ay是摄像机的内部参数；(u1，v1)是左像素点在图像坐标系下的像素坐标；(u2，v2)是右像点在图像坐标系下