人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集

1、人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)捕捉 -生物醫(yī)學(xué)工程專題演習(xí)姓名：祝楠楠2014/12/6主線l人體運(yùn)動(dòng)l運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)應(yīng)用l幾種捕捉方式分類l機(jī)械式l電磁式l光學(xué)式l慣性式l運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)l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)具有很好的協(xié)調(diào)性，所以對(duì)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。所以運(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)和肌肉還構(gòu)成了人體的支架和基本形狀。人體運(yùn)動(dòng)人體結(jié)構(gòu)的24個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)表示和七類運(yùn)動(dòng)特征定義人體運(yùn)動(dòng)太極瑜伽體

2、操人體運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)間緊張的活動(dòng)。此外，運(yùn)動(dòng)也可以使人體其他系統(tǒng)在形態(tài)和結(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)生和體育等許多行業(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)畫和游戲制作等領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)建設(shè)的運(yùn)動(dòng)捕捉平臺(tái)有中國(guó)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(guó)傳媒大學(xué)等多家科研機(jī)構(gòu)，中央電視臺(tái)、國(guó)家體育總局、上海市第六人民醫(yī)院以及全國(guó)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)

3、應(yīng)用1、影視制作近年，3D技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)越來(lái)越成熟，極大改變了影視制作的工作方式。許多電影、動(dòng)漫和電視劇的制作過(guò)程都采用了運(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(chǎng)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(kāi)發(fā)都已經(jīng)開(kāi)始利用動(dòng)作捕捉和三維重構(gòu)技術(shù)來(lái)使計(jì)算機(jī)虛擬世界中的人物模型和動(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)展和科技的進(jìn)步，人們對(duì)生活質(zhì)量的期望和對(duì)身體健康的重視程度也越來(lái)越高。運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)可以應(yīng)用于理療和健康監(jiān)護(hù)等諸多醫(yī)療領(lǐng)域，通過(guò)采集病人的病前運(yùn)動(dòng)和康復(fù)后運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)

4、，依據(jù)正常人的運(yùn)動(dòng)數(shù)值對(duì)照分析可以得出康復(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)可以捕捉運(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。還可以把成績(jī)差的運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作捕捉下來(lái)，將其與優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作進(jìn)行對(duì)比分析，從而幫助其訓(xùn)練。4、體育5、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)a. 非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，是人類文明的象征和寶貴財(cái)富。但是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。因此可以依靠運(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(guò)模仿人類的行為動(dòng)作來(lái)運(yùn)動(dòng)的，可以將人類運(yùn)動(dòng)采集

5、存儲(chǔ)，然后機(jī)器通過(guò)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)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(duì)包含人體運(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(duì)人體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行人體的分析和研究第三類：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(lái)跟蹤和測(cè)量人體的運(yùn)動(dòng)軌跡。電磁式：運(yùn)動(dòng)捕捉由發(fā)射源、接收傳感器和數(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(guò)程中利用多個(gè)高頻攝像機(jī)對(duì)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)和跟蹤，并通過(guò)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)主要依賴地球重力和磁場(chǎng)。運(yùn)動(dòng)捕捉進(jìn)化史

6、-電影界http:/ 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(lái)。 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，可以做到實(shí)時(shí)測(cè)量，還可容許多個(gè)角色同時(shí)表演。但其缺點(diǎn)也非常明顯，主要是使用起來(lái)非常不方便，機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)表演者的動(dòng)作阻礙和限制很大。電磁式表演者在電磁場(chǎng)內(nèi)表演時(shí)，接收傳感器將接收到的信號(hào)通過(guò)電纜傳送給處理單元，根據(jù)這些信號(hào)可以解算出每個(gè)傳感器的空間位置和方向優(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

7、得到方向信息，這一點(diǎn)對(duì)某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合很有價(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)中的角色模型可以同時(shí)反應(yīng)，便于排演、調(diào)整和修改。裝置的定標(biāo)比較簡(jiǎn)單，技術(shù)較成熟，成本相對(duì)低廉。缺點(diǎn)：在于對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格，在表演場(chǎng)地附近不能有金屬物品，否則會(huì)造成電磁場(chǎng)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(duì)表演者的活動(dòng)限制比較大，對(duì)于比較劇烈的運(yùn)動(dòng)和表演則不適用。光學(xué)式目前常見(jiàn)的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉大多基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理。從理論上說(shuō)，對(duì)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(jiàn)，則根據(jù)同一時(shí)刻兩部相機(jī)所拍攝的圖像和相機(jī)參數(shù)，可以確定這一時(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)

8、拍攝時(shí)，從圖像序列中就可以得到該點(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(chǎng)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(jué)系統(tǒng)將識(shí)別和處理這些標(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(lái)，然后再進(jìn)行分析和處理，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。

9、優(yōu)點(diǎn):表演者活動(dòng)范圍大，無(wú)電纜、機(jī)械裝置的限制，表演者可以自由地表演，使用很方便。其采樣速率較高，可以滿足多數(shù)高速運(yùn)動(dòng)測(cè)量的需要。Marker 數(shù)量可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用購(gòu)置添加，便于系統(tǒng)擴(kuò)充。缺點(diǎn):系統(tǒng)價(jià)格昂貴，它可以捕捉實(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(guò)慣性傳感器、IMU(慣性測(cè)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(guò)17個(gè)傳感器組成數(shù)據(jù)服穿戴，通過(guò)USB線、藍(lán)牙、2.4Gzh

10、 DSSS無(wú)線等與主機(jī)相聯(lián)，分別可以跟蹤頭部、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Perception legacy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(wèn)：?jiǎn)枺篗EMS是什么意思是什么意思微機(jī)電系統(tǒng)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)處理和控制電路、直至接口、通信和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) 和 三軸角速率陀螺儀(ax、ay、az和gx、gy、gz)兩類傳感器應(yīng)用，測(cè)量圍繞三個(gè)正交坐標(biāo)軸的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的角速度和加速度ADI公司主要產(chǎn)品： 放大器和線

11、性產(chǎn)品、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、音頻和視頻產(chǎn)品、寬帶產(chǎn)品、時(shí)鐘和定時(shí)IC、光纖和光通信產(chǎn)品、接口和隔離、MEMS和傳感器、電源和散熱管理、處理器和DSP、RF和IF ICs、開(kāi)關(guān)和多路復(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(cè)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(guò)SPI或I2C數(shù)字接口訪問(wèn)ADIS16405內(nèi)置一個(gè)三軸陀螺儀和一個(gè)三軸加速度計(jì)（還有一個(gè)三軸磁強(qiáng)計(jì)），體積小，便于安裝和攜帶。三軸數(shù)字加速度計(jì)測(cè)量范圍 ：18 g；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和gx、gy、gz功能

12、框圖SPI和I2CSPI （Serial Peripheral Interface）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)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，需要至少4根線，事實(shí)上3根也可以（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 （InterIntegrated Circuit）是由PHILIPS公司開(kāi)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)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)串行數(shù)據(jù)（SDA）線和串行時(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 1 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，尺寸很小、重量很輕，數(shù)據(jù)傳輸方便、簡(jiǎn)單?？蓮V泛應(yīng)用于：機(jī)器人、動(dòng)作捕捉、定位和穩(wěn)定、人員導(dǎo)航和跟蹤、醫(yī)療監(jiān)測(cè)、無(wú)人機(jī)/陸地/水下車輛導(dǎo)航、教育和表演藝術(shù)、游戲及運(yùn)動(dòng)控制、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和