基于骨架模型的姿态测量装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种基于骨架模型的姿态测量装置和姿态测量方法。包括固定在被测目标的可活动单元上的至少一个传感器组，各传感器组的输出信号由电缆分别连接到含有Ａ／Ｄ转换电路的转换传输电路并被转换为数字信号，再经过有线或无线的数据传输总线传输至运行有软件程序的ＰＣ计算机而显示和存储。上述的传感器组由呈正交排列的至少两个加速度传感器和至少两个磁阻传感器组成。可用于虚拟现实、运动员姿态研究、电影替身动作采集、互动娱乐程序主角的动作采集，以及动物以及非磁性物体的状态采集。本实用新型专利技术巧妙地运用被测目标的骨架模型，实时、便捷、廉价的将被测目标的姿态输入至计算机中，使传感器的数量和费用较低，更适合本装置的普及。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种虚拟现实行业中使用的姿态采集输入设备，更具体地来说属于一种基于骨架模型的姿态测量装置。
技术介绍
姿态采集特别是人体的姿态采集已经有越来越广泛的应用，姿态采集设备有广泛的使用需求。已有的姿态采集设备，多采用以下几种方法或装置1，使用有机械连接的角度传感器测量作为被测目标的目标物的位置。如机械式的虚拟现实输入手套。利用该手套的五个手指均连接有多个角度传感器，将人手的动作状态输入到计算机。这种输入多用于远程机械手控制、虚拟显示仿真、人手仿生学研究，还有三维动画制作过程中的人手姿态测量。也可在人体躯干、四肢和头部安装类似的角度传感器，以输入整个人体的姿态。其缺点是由于有机械连接，无法使被测姿态的人或物自由运动，测量角度和精度均受限制，且被测目标的人感觉非常不舒服。2，光球摄像法姿态采集。这种方法是将作为被测目标的人体身着全黑色紧身服装，身体的各个关节和关键点绑定若干对特定波长光线有强烈反射作用的光球，以采集人体状态。使用时人体在黑色不反光的幕布前做出各种需要测量的动作，并用前述的特定波长的灯光照射被测人体，有若干台带有该特定波长滤色片的摄像机从多个角度对目标进行摄像。由多个摄像机摄到的图像经过高速计算机进行三维重构，得出被测目标的运动姿态。这种方法广为使用，特别是电影特技拍摄、人体运动姿态采集、互动娱乐角色建模等方面运用最为广泛。其好处是对于快速的运动相应较好，但是设备昂贵，因为要进行大量三维图像处理。如果要实时采集姿态，那对于处理设备的计算能力要求则更高，多采用大型图形工作站等进行处理。3，三维激光线扫描摄影建模。利用两只或多只激光线立体扫描器，通过测距的方法得到被测目标的轮廓模型，进而将多个方向的轮廓模型用计算机进行组合，成为一个静态三维模型，而以随时间的多个三维模型经过插值，得到被测目标的姿态变化。其缺点是不能测量高速运动的目标。以上设备皆限于复杂、费用高，或使用不方便，难以普及推广。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种实时、便捷、廉价的将被测目标的姿态输入至计算机中的姿态测量装置及其方法——基于骨架模型的姿态测量装置，以弥补已有技术的不足。为了便于理解和实施，下面介绍一下本技术包括关键部件在内的原理。专门采用的传感器组由固定在基板上的加速度传感器和磁阻传感器组成。近几年发展起来传感器技术为姿态采集提供了所需的加速度传感器，这种传感器多用于震动监测和角度测量。该传感器可以测量自身的加速度，在静态时测量的是自身的重力加速度与测量轴的角度余弦值。可以使用三只单轴加速度传感器组成三轴加速度传感器。本技术采用的另一种传感器是微型磁阻测量传感器，这种传感器芯片采用多轴磁玻莫合金电桥，通过测量电桥偏差来确定磁场的方向和强度，以测量以地磁为基准的方位角。市售的一种以该传感器为主体组成三维磁阻混合电路模块内还包括温度、磁偏差补偿和基准电压，使用其测量地磁方向非常方便。其中加速度传感器输出的电压值是与加速度成正比的，如果传感器静止时，其输出就是传感器测量方向与重力加速度的夹角余弦值乘以施加在传感器上的电源电压的1/2。传感器组中的加速度传感器使用至少三个传感器，其空间位置为三个轴互为正交，以便在任何姿态都可以得到仰角数据；磁阻传感器的输出值是传感器与正磁北方向的夹角余弦值乘以施加在传感器上的电源电压的1/2。磁阻传感器也使用至少三个传感器，其空间位置为三个轴也互为正交，以便在任何姿态都可以得到方位角数据。确定仰角和方位角后，即确定了传感器组的姿态，即可反映出与其刚性连接的被测目标的姿态。这些传感器的各x、y、z轴的输出信号皆被A/D转换电路转换为数字量，并通过现场总线传输至计算机。将传感器组固定于被测目标的各可活动单元上，就可测得被测目标的姿态数据，最后由含有软件程序的计算机进行处理，即得到被测目标的姿态，并显示和存储。在某些特殊情况下，如被测目标的姿态变化只有两个自由度，则上述的传感器组中的加速度传感器和磁阻传感器可由少于三个的传感器所构成。姿态测量的第一步工作是按照被测目标的骨骼运动特点，在计算机中建立被测目标的骨架模型。骨架模型的建立方法在人体医学和人类仿生学方面已经有长期的应用。以人的姿态测量为例，可以建立以躯干为基准活动单元的人体骨架模型。其它直接连于躯干的肢体作为基准的子模块，同时也作为更下一级肢体的父模块。父子模块之间只能以关节为零点的极坐标方式运动而不能脱离关节。测量时将上述传感器组刚性固定于被测目标的可活动单元上进行测量。也只有运用骨架模型才可将测量姿态需要确定的9个自由度缩减为3个自由度，以降低姿态测量的复杂程度。因此，本技术包括固定在被测目标的可活动单元上的至少一个传感器组，各传感器组的输出信号由电缆分别连接到含有A/D转换电路的转换传输电路并被转换为数字信号，再经过有线或无线的数据传输总线传输至运行有软件程序的计算机而显示和存储，并由电源供电。基于骨架模型的本技术的姿态测量方法为首先在计算机中建立以被测目标的各活动单元为特征的骨架模型，再将传感器组固定于被测目标的各活动单元上，然后将计算机测量的各传感器组的输出值，转化为可活动单元的姿态矢量和运动矢量，最后将其运用至已建好的骨架模型上，并显示、存储。上述传感器组由固定在基板上的至少两个呈正交排列的加速度传感器和至少两个呈正交排列的磁阻传感器组成，两种传感器可以并排或叠加固定在基板上。基于骨架模型的本技术可以实时的将采集的被测目标的姿态数据输入至计算机中，用于虚拟现实、运动员姿态研究、电影替身动作采集、互动娱乐程序主角的动作采集，也可用于动物以及非磁性物体的状态采集。由于本技术直接测量被测目标的姿态向量，而不是原有技术使用实时视频处理，所以本技术中不需要昂贵的高性能计算机，只要普通PC计算机即可。本技术运用被测目标的骨架模型，使传感器的数量和复杂程度有较大降低，更适合本装置的普及。以下结合附图对本技术做进一步说明。附图说明图1，本技术的总体结构示意图图2，本技术的软件流程图图3，本技术的姿态测量的立体示意图图4，本技术的仰角测量示意图图5，本技术的方位角测量示意图图6，本技术的模块化的电路原理图图7，本技术的另一种转换传输电路的模块化的原理图图8，本技术的传感器组结构示意图其中，1，被测目标 2，传感器组 3，电缆 4，A/D转换电路 5，电源 6，数据传输总线 7，接口卡 8，计算机 9，显示器 10，基板 11，加速度传感器 12，磁阻传感器 13，模型左上臂 14，多路模拟开关 15，转换传输电路 16，手持物具体实施方式本技术包括固定在被测目标1的可活动单元上的至少一个传感器组2，各传感器组2的输出信号由电缆3分别连接到含有A/D转换电路4的转换传输电路15并被转换为数字信号，再经过有线或无线的数据传输总线6传输至运行有软件程序的计算机8而显示和存储，并由电源5供电。基于骨架模型的本技术的姿态测量方法为首先在计算机8中建立以被测目标1的各活动单元为特征的骨架模型，再将传感器组2固定于被测目标1的各活动单元上，然后将计算机8测量的各传感器组2的输出值，转化为可活动单元的姿态矢量和运动矢量，最后将其运用至已建好的骨架模型上，并显示、存本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于骨架模型的姿态测量装置，其特征在于由含有软件程序的计算机（８）和相应的测量电路组成，其中测量电路包括固定在被测目标（１）的可活动单元上的至少一个传感器组（２），各传感器组（２）的输出信号由电缆（３）分别连接到含有Ａ／Ｄ转换电路（４）的转换传输电路（１５）并被转换为数字信号，再经过有线或无线的数据传输总线（６）传输至运行有软件程序的计算机（８）而显示和存储，并由电源（５）供电。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张凯临，陈戈，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：实用新型
国别省市：95[中国|青岛]