人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)捕捉-

人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)捕捉主線人體運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)應(yīng)用幾種捕捉方式分類機(jī)械式電磁式光學(xué)式慣性式運(yùn)動(dòng)監(jiān)測儀系統(tǒng)前景與總結(jié)人體運(yùn)動(dòng)

人體是由200多個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成的復(fù)雜形體,不僅可完成高度復(fù)雜的動(dòng)作,而且由于人類具有高度智能性,其運(yùn)動(dòng)具有特別好的協(xié)調(diào)性,因此對人體運(yùn)動(dòng)的研究一直是機(jī)器人設(shè)計(jì)、智能控制、人機(jī)工程、仿真等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

運(yùn)動(dòng)是以骨為杠桿,關(guān)節(jié)為樞紐,肌肉的收縮作為動(dòng)力而構(gòu)成的。因此運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括骨、關(guān)節(jié)及肌肉3個(gè)部分。骨、關(guān)節(jié)與肌肉還構(gòu)成了人體的支架與基本形狀。

人體運(yùn)動(dòng)人體結(jié)構(gòu)的24個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)表示與七類運(yùn)動(dòng)特征定義人體運(yùn)動(dòng)太極瑜伽體操人體運(yùn)動(dòng) 長期堅(jiān)持運(yùn)動(dòng)鍛煉,可使肌肉中的毛細(xì)血管形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,出現(xiàn)囊泡狀,從而增加肌肉的血液供應(yīng)量,有利于肌肉持續(xù)長時(shí)間緊張的活動(dòng)。此外,運(yùn)動(dòng)也能夠使人體其她系統(tǒng)在形態(tài)與結(jié)構(gòu)上發(fā)生改變,并有助于人體健康。

人體運(yùn)動(dòng)捕捉具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,可應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、文教衛(wèi)生與體育等許多行業(yè),特別是在醫(yī)學(xué)、體育科學(xué)研究、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練指導(dǎo)、現(xiàn)代影視動(dòng)畫與游戲制作等領(lǐng)域的應(yīng)用。目前,國內(nèi)差不多建設(shè)的運(yùn)動(dòng)捕捉平臺(tái)有中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所、北京大學(xué)、浙江大學(xué)、中國傳媒大學(xué)等多家科研機(jī)構(gòu),中央電視臺(tái)、國家體育總局、上海市第六人民醫(yī)院以及全國各大城市動(dòng)漫基地分別建設(shè)捕捉平臺(tái)以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)應(yīng)用1、影視制作近年,3D技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)越來越成熟,極大改變了影視制作的工作方式。許多電影、動(dòng)漫與電視劇的制作過程都采納了運(yùn)動(dòng)捕捉與三維重構(gòu)技術(shù)。猩球黎明阿凡達(dá)電影制作動(dòng)漫制作影視制作場景視頻1、運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)2、影視制作--阿凡達(dá) 目前許多大型游戲的開發(fā)都差不多開始利用動(dòng)作捕捉與三維重構(gòu)技術(shù)來使計(jì)算機(jī)虛擬世界中的人物模型與動(dòng)作更加逼真,使虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界更加接近。

2、游戲設(shè)計(jì)3、醫(yī)療健康 人體運(yùn)動(dòng)與人體健康醫(yī)療是息息相關(guān)的,隨著社會(huì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步,人們對生活質(zhì)量的期望與對身體健康的重視程度也越來越高。運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)能夠應(yīng)用于理療與健康監(jiān)護(hù)等諸多醫(yī)療領(lǐng)域,通過采集病人的病前運(yùn)動(dòng)與康復(fù)后運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),依據(jù)正常人的運(yùn)動(dòng)數(shù)值對比分析能夠得出康復(fù)效果。幫助醫(yī)生更好的掌握治療效果。 體育訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)能夠捕捉運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作,便于進(jìn)行量化分析,結(jié)合人體生理學(xué)、物理學(xué)原理,研究改進(jìn)的方法,使體育訓(xùn)練擺脫純粹的依靠經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài),進(jìn)入理論化、數(shù)字化的時(shí)代。還能夠把成績差的運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作捕捉下來,將其與優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作進(jìn)行對比分析,從而幫助其訓(xùn)練。4、體育5、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫a、非物質(zhì)文化遺產(chǎn),是人類文明的象征與寶貴財(cái)富。然而一些依靠口傳心授的文化遺產(chǎn)正在不斷消失,許多傳統(tǒng)技藝瀕臨消亡。因此能夠依靠運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)將其錄取保存。b、機(jī)器人的發(fā)展是下一個(gè)時(shí)代特征,機(jī)器人是通過模仿人類的行為動(dòng)作來運(yùn)動(dòng)的,能夠?qū)⑷祟愡\(yùn)動(dòng)采集存儲(chǔ),然后機(jī)器通過運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫來處理應(yīng)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(shù)據(jù)第三類:第一類第二類1、對包羅人體運(yùn)動(dòng)的圖像序列進(jìn)行提取處理,從而得到人體的運(yùn)動(dòng)信息2、利用傳感器對人體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集,進(jìn)行人體的分析與研究第三類:機(jī)械式、電磁式、光學(xué)式、慣性式機(jī)械式:運(yùn)動(dòng)捕捉依靠機(jī)械裝置來跟蹤與測量人體的運(yùn)動(dòng)軌跡。電磁式:運(yùn)動(dòng)捕捉由發(fā)射源、接收傳感器與數(shù)據(jù)處理單元組成。光學(xué)式:運(yùn)動(dòng)捕捉由在表演者關(guān)鍵部位粘貼上一些主動(dòng)或者被動(dòng) 反光的標(biāo)識(shí)點(diǎn),在捕捉過程中利用多個(gè)高頻攝像機(jī)對標(biāo) 記點(diǎn)進(jìn)行檢測與跟蹤,并通過電腦獲得三維人體運(yùn)動(dòng)數(shù) 據(jù)。慣性式:運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)主要依賴地球重力與磁場。運(yùn)動(dòng)捕捉進(jìn)化史-----電影界機(jī)械式 機(jī)械式典型的系統(tǒng)由多個(gè)關(guān)節(jié)與剛性連桿組成,在可轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)中裝有角度傳感器,能夠測得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化情況。裝置運(yùn)動(dòng)時(shí),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(diǎn)在空間中的位置與運(yùn)動(dòng)軌跡。實(shí)際上,裝置上任何一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)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(xiàn)過火柴人,魂斗羅特點(diǎn): 機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉的一種應(yīng)用形式是將欲捕捉的運(yùn)動(dòng)物體與機(jī)械結(jié)構(gòu)相連,物體運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械裝置,從而被傳感器實(shí)時(shí)記錄下來。X-Ist的FullBodyTracker是一種頗具代表性的機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉產(chǎn)品。優(yōu)缺點(diǎn): 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低,精度也較高,能夠做到實(shí)時(shí)測量,還可容許多個(gè)角色同時(shí)表演。但其缺點(diǎn)也特別明顯,主要是使用起來特別不方便,機(jī)械結(jié)構(gòu)對表演者的動(dòng)作阻礙與限制特別大。電磁式表演者在電磁場內(nèi)表演時(shí),接收傳感器將接收到的信號(hào)通過電纜傳送給處理單元,依照這些信號(hào)能夠解算出每個(gè)傳感器的空間位置與方向優(yōu)點(diǎn): 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(diǎn)對某些特別的應(yīng)用場合特別有價(jià)值。其次是速度快,實(shí)時(shí)性好,表演者表演時(shí),動(dòng)畫系統(tǒng)中的角色模型能夠同時(shí)反應(yīng),便于排演、調(diào)整與修改。裝置的定標(biāo)比較簡單,技術(shù)較成熟,成本相對低廉。缺點(diǎn): 在于對環(huán)境要求嚴(yán)格,在表演場地附近不能有金屬物品,否則會(huì)造成電磁場畸變,影響精度。系統(tǒng)的允許表演范圍比光學(xué)式要小,特別是電纜對表演者的活動(dòng)限制比較大,關(guān)于比較劇烈的運(yùn)動(dòng)與表演則不適用。光學(xué)式目前常見的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉大多基于計(jì)算機(jī)視覺原理。從理論上說,關(guān)于空間中的一個(gè)點(diǎn),只要它能同時(shí)為兩部相機(jī)所見,則依照同一時(shí)刻兩部相機(jī)所拍攝的圖像與相機(jī)參數(shù),能夠確定這一時(shí)刻該點(diǎn)在空間中的位置。當(dāng)相機(jī)以足夠高的速率連續(xù)拍攝時(shí),從圖像序列中就能夠得到該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。指環(huán)王---咕?；贚ED燈的光學(xué)式動(dòng)作捕捉技術(shù)光學(xué)設(shè)備拍攝設(shè)備被動(dòng)標(biāo)記點(diǎn) MotionAnalysis公司是該領(lǐng)域的佼佼者。典型的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)通常使用6～8個(gè)相機(jī)環(huán)繞表演場地排列,這些相機(jī)的視野重疊區(qū)域就是表演者的動(dòng)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(guān)鍵部位,如關(guān)節(jié)、髖部、肘、腕等位置貼上一些特制的標(biāo)志或發(fā)光點(diǎn),稱為"Marker",視覺系統(tǒng)將識(shí)別與處理這些標(biāo)志。系統(tǒng)定標(biāo)后,相機(jī)連續(xù)拍攝表演者的動(dòng)作,并將圖像序列保存下來,然后再進(jìn)行分析與處理,識(shí)別其中的標(biāo)志點(diǎn),并計(jì)算其在每一瞬間的空間位置,進(jìn)而得到其運(yùn)動(dòng)軌跡。優(yōu)點(diǎn): 表演者活動(dòng)范圍大,無電纜、機(jī)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(shù)高速運(yùn)動(dòng)測量的需要。Marker數(shù)量可依照實(shí)際應(yīng)用購置添加,便于系統(tǒng)擴(kuò)充。缺點(diǎn): 系統(tǒng)價(jià)格昂貴,它能夠捕捉實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng),但后處理(包括Marker的識(shí)別、跟蹤、空間坐標(biāo)的計(jì)算)的工作量較大,適合科研類應(yīng)用、電影動(dòng)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(yùn)動(dòng)加速度、方位、傾斜角等特性。不受環(huán)境干擾影響,不怕遮擋。捕捉精確度高,采樣速度高,達(dá)到每秒1000次或更高。慣導(dǎo)傳感器佩戴在表演者頭上,或通過17個(gè)傳感器組成數(shù)據(jù)服穿戴,通過USB線、藍(lán)牙、2、4GzhDSSS無線等與主機(jī)相聯(lián),分別能夠跟蹤頭部、全身動(dòng)作,實(shí)時(shí)顯示完整的動(dòng)作。慣性動(dòng)作捕捉全身式Perceptionlegacy慣性式--動(dòng)作捕捉頭盔常用的慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)演示圖慣性式問:MEMS是什么意思微機(jī)電系統(tǒng),是指可批量制作的,集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)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(tǒng)。MENS慣性傳感器第一類:三軸加速度計(jì)(ax、ay、az)第二類:三軸加速度計(jì)與三軸角速率陀螺儀 (ax、ay、az與gx、gy、gz)兩類傳感器應(yīng)用,測量圍繞三個(gè)正交坐標(biāo)軸的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的角速度與加速度ADI公司主要產(chǎn)品:放大器與線性產(chǎn)品、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、音頻與視頻產(chǎn)品、寬帶產(chǎn)品、時(shí)鐘與定時(shí)IC、光纖與光通信產(chǎn)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(guān)與多路復(fù)用器等等。ADXL345ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計(jì),分辨率高(13位),測量范圍達(dá)±16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)位16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式,可通過SPI或I2C數(shù)字接口訪問ADIS16405內(nèi)置一個(gè)三軸陀螺儀與一個(gè)三軸加速度計(jì)(還有一個(gè)三軸磁強(qiáng)計(jì)),體積小,便于安裝與攜帶。三軸數(shù)字加速度計(jì)測量范圍:±18g;三軸數(shù)字陀螺儀,數(shù)字范圍調(diào)整設(shè)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(shè)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(gè)主設(shè)備與一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備,需要至少4根線,事實(shí)上3根也能夠(單向傳輸時(shí))。也是所有基于SPI的設(shè)備共有的,它們是SDI(數(shù)據(jù)輸入)、SDO(數(shù)據(jù)輸出)、SCLK(時(shí)鐘)、CS(片選)。I2C(Inter－IntegratedCircuit)是由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線,用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采納的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。通過串行數(shù)據(jù)(SDA)線與串行時(shí)鐘(SCL)線在連接到總線的器件間傳遞信息。ADXL345模塊實(shí)物特點(diǎn): 不受外界影響,不存在象聲學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器受遮擋或環(huán)境噪音影響,或象電磁傳感器受金屬影響,精度高,如±1o動(dòng)態(tài)條件下所有方向,采樣速率快達(dá)數(shù)每秒幾百至1000次,適合高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng),因?yàn)槭歉叨燃尚酒K,尺寸特別小、重量特別輕,數(shù)據(jù)傳輸方便、簡單。 可廣泛應(yīng)用于:機(jī)器人、動(dòng)作捕捉、定位與穩(wěn)定、人員導(dǎo)航與跟蹤、醫(yī)療監(jiān)測、無人機(jī)/陸地/水下車輛導(dǎo)航、教育與表演藝術(shù)、游戲及運(yùn)動(dòng)控制、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人體仿真。