人體運(yùn)動數(shù)據(jù)采集

1、人體運(yùn)動數(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l運(yùn)動捕捉技術(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)動監(jiān)測儀系統(tǒng)l前景與總結(jié)人體運(yùn)動人體是由200多個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成的復(fù)雜形體，不僅可完成高度復(fù)雜的動作，而且由于人類具有高度智能性，其運(yùn)動具有很好的協(xié)調(diào)性，所以對人體運(yùn)動的研究一直是機(jī)器人設(shè)計、智能控制、人機(jī)工程、仿真等領(lǐng)域研究的熱點。運(yùn)動是以骨為杠桿，關(guān)節(jié)為樞紐，肌肉的收縮作為動力而構(gòu)成的。所以運(yùn)動系統(tǒng)包括骨、關(guān)節(jié)及肌肉3個部分。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)動人體結(jié)構(gòu)的24個關(guān)節(jié)點表示和七類運(yùn)動特征定義人體運(yùn)動太極瑜伽體

2、操人體運(yùn)動長期堅持運(yùn)動鍛煉，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)長時間緊張的活動。此外，運(yùn)動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)動捕捉具有廣泛的實際應(yīng)用價值，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)動訓(xùn)練指導(dǎo)、現(xiàn)代影視動畫和游戲制作等領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，國內(nèi)已經(jīng)建設(shè)的運(yùn)動捕捉平臺有中國科學(xué)院計算機(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、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漫基地分別建設(shè)捕捉平臺以滿足實際應(yīng)用需求。運(yùn)動捕捉技術(shù)

3、應(yīng)用1、影視制作近年，3D技術(shù)和計算機(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、動漫和電視劇的制作過程都采用了運(yùn)動捕捉與三維重構(gòu)技術(shù)。猩球黎明阿凡達(dá)電影制作動漫制作影視制作場景視頻1、運(yùn)動捕捉技術(shù)2、影視制作-阿凡達(dá)目前許多大型游戲的開發(fā)都已經(jīng)開始利用動作捕捉和三維重構(gòu)技術(shù)來使計算機(jī)虛擬世界中的人物模型和動作更加逼真，使虛擬世界與現(xiàn)實世界更加接近。2、游戲設(shè)計3、醫(yī)療健康人體運(yùn)動與人體健康醫(yī)療是息息相關(guān)的，隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對生活質(zhì)量的期望和對身體健康的重視程度也越來越高。運(yùn)動捕捉技術(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，通過采集病人的病前運(yùn)動和康復(fù)后運(yùn)動數(shù)據(jù)

4、，依據(jù)正常人的運(yùn)動數(shù)值對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)動捕捉技術(shù)可以捕捉運(yùn)動員的動作，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)驗的狀態(tài)，進(jìn)入理論化、數(shù)字化的時代。還可以把成績差的運(yùn)動員的動作捕捉下來，將其與優(yōu)秀運(yùn)動員的動作進(jìn)行對比分析，從而幫助其訓(xùn)練。4、體育5、運(yùn)動數(shù)據(jù)庫a. 非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，是人類文明的象征和寶貴財富。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)動捕捉技術(shù)將其錄取保存。b.機(jī)器人的發(fā)展是下一個時代特征，機(jī)器人是通過模仿人類的行為動作來運(yùn)動的，可以將人類運(yùn)動采集

5、存儲，然后機(jī)器通過運(yùn)動數(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、對包含人體運(yùn)動的圖像序列進(jìn)行提取處理，從而得到人體的運(yùn)動信息2、利用傳感器對人體的運(yùn)動數(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)動捕捉依靠機(jī)械裝置來跟蹤和測量人體的運(yùn)動軌跡。電磁式：運(yùn)動捕捉由發(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)動捕捉由在表演者關(guān)鍵部位粘貼上一些主動或者被動反光的標(biāo)識點，在捕捉過程中利用多個高頻攝像機(jī)對標(biāo)記點進(jìn)行檢測和跟蹤，并通過電腦獲得三維人體運(yùn)動數(shù)據(jù)。慣性式：運(yùn)動捕捉系統(tǒng)主要依賴地球重力和磁場。運(yùn)動捕捉進(jìn)化史

6、-電影界http:/ 火柴人，魂斗羅特點：機(jī)械式運(yùn)動捕捉的一種應(yīng)用形式是將欲捕捉的運(yùn)動物體與機(jī)械結(jié)構(gòu)相連，物體運(yùn)動帶動機(jī)械裝置，從而被傳感器實時記錄下來。 X-Ist 的 FullBodyTracker 是一種頗具代表性的機(jī)械式運(yùn)動捕捉產(chǎn)品。優(yōu)缺點：這種方法的優(yōu)點是成本低，精度也較高，可以做到實時測量，還可容許多個角色同時表演。但其缺點也非常明顯，主要是使用起來非常不方便，機(jī)械結(jié)構(gòu)對表演者的動作阻礙和限制很大。電磁式表演者在電磁場內(nèi)表演時，接收傳感器將接收到的信號通過電纜傳送給處理單元，根據(jù)這些信號可以解算出每個傳感器的空間位置和方向優(yōu)點：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，這一點對某些特殊的應(yīng)用場合很有價值。其次是速度快，實時性好，表演者表演時，動畫系統(tǒng)中的角色模型可以同時反應(yīng)，便于排演、調(diào)整和修改。裝置的定標(biāo)比較簡單，技術(shù)較成熟，成本相對低廉。缺點：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限制比較大，對于比較劇烈的運(yùn)動和表演則不適用。光學(xué)式目前常見的光學(xué)式運(yùn)動捕捉大多基于計算機(jī)視覺原理。從理論上說，對于空間中的一個點，只要它能同時為兩部相機(jī)所見，則根據(jù)同一時刻兩部相機(jī)所拍攝的圖像和相機(jī)參數(shù)，可以確定這一時刻該點在空間中的位置。當(dāng)相機(jī)以足夠高的速率連續(xù)

8、拍攝時，從圖像序列中就可以得到該點的運(yùn)動軌跡。指環(huán)王 - 咕嚕基于LED燈的光學(xué)式動作捕捉技術(shù)光學(xué)設(shè)備拍攝設(shè)備被動標(biāo)記點MotionAnalysis 公司是該領(lǐng)域的佼佼者。典型的光學(xué)式運(yùn)動捕捉系統(tǒng)通常使用 6 8 個相機(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，稱為 Marker ，視覺系統(tǒng)將識別和處理這些標(biāo)志。系統(tǒng)定標(biāo)后，相機(jī)連續(xù)拍攝表演者的動作，并將圖像序列保存下來，然后再進(jìn)行分析和處理，識別其中的標(biāo)志點，并計算其在每一瞬間的空間位置，進(jìn)而得到其運(yùn)動軌跡。

9、優(yōu)點:表演者活動范圍大，無電纜、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)動測量的需要。Marker 數(shù)量可根據(jù)實際應(yīng)用購置添加，便于系統(tǒng)擴(kuò)充。缺點:系統(tǒng)價格昂貴，它可以捕捉實時運(yùn)動，但后處理（包括 Marker 的識別、跟蹤、空間坐標(biāo)的計算）的工作量較大，適合科研類應(yīng)用、電影動漫大型游戲的制作。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個傳感器組成數(shù)據(jù)服穿戴，通過USB線、藍(lán)牙、2.4Gzh

10、 DSSS無線等與主機(jī)相聯(lián)，分別可以跟蹤頭部、全身動作，實時顯示完整的動作。慣性動作捕捉全身式Perception legacy慣性式-動作捕捉頭盔常用的慣性式動作捕捉系統(tǒng)演示圖慣性式問：問：MEMS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（ax、ay、az）第二類：三軸加速度計 和 三軸角速率陀螺儀(ax、ay、az和gx、gy、gz)兩類傳感器應(yīng)用，測量圍繞三個正交坐標(biāo)軸的靜態(tài)和動態(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、時鐘和定時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，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)置一個三軸陀螺儀和一個三軸加速度計（還有一個三軸磁強(qiáng)計），體積小，便于安裝和攜帶。三軸數(shù)字加速度計測量范圍 ：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主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備，需要至少4根線，事實上3根也可以（單向傳輸時）。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（時鐘）、CS（片選）。I2C （InterIntegrated Circuit）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)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。通過串行數(shù)據(jù)（SDA）線和串行時鐘 （SCL）線在連接到總線的器件間傳遞信息。ADXL345模塊實物模塊實物特點：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，適合高動態(tài)運(yùn)動，因為是高度集成芯片模塊，尺寸很小、重量很輕，數(shù)據(jù)傳輸方便、簡單?？蓮V泛應(yīng)用于：機(jī)器人、動作捕捉、定位和穩(wěn)定、人員導(dǎo)航和跟蹤、醫(yī)療監(jiān)測、無人機(jī)/陸地/水下車輛導(dǎo)航、教育和表演藝術(shù)、游戲及運(yùn)動控制、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和