基于惯性传感器的人体运动姿态三维重构

摘要

高效、便捷地获取人体运动姿态信息在动漫制作、游戏开发、影视制作等众多领域具有重要的应用价值。目前已经取得应用成果的人体运动捕捉重构方式主要有机械式、声学式、电磁式和光学式等,这些方式大多存在成本高、对动作限制大和使用不方便等缺点。本文针对以上这些常见的运动捕捉重构方式所存在的缺点,研究了可用于惯性传感器的人体运动捕捉技术中人体运动模型建立的一些基本方法,设计了基于刚体动力学的三维层次人体骨骼模型,采用基于惯性传感器的动作捕捉方式。这种方式具有操作方式简单、价格低廉、对环境要求低和对运动动作限制小的优点。
　　根据人体结构和运动人体科学理论知识,本文设计了惯性传感器可以在人体运动肢体上以任意姿态朝向绑定的姿态初始化标定方法。通过初始化标定时的特定动作可以实现对传感器和关节的对应识别,并计算出各个惯性传感器的自身坐标系与三维人体骨骼模型中对应的人体骨骼坐标系的坐标转换关系。然后通过各个惯性传感器姿态坐标系的坐标转换和对人体骨骼树进行深度优先遍历计算,完成人体运动肢体姿态数据的实时更新,驱动人体骨骼模型模拟人体动作,实现了对动作的实时捕获跟踪。
　　在计算机三维虚拟场景中重构人体运动姿态需要绘制三维人体模型,为了使得整个动作捕捉系统具有更为广泛的应用前景,本文选择了微软公司提供的适用于Windows平台的Direct 3D图形绘制接口。通过X文件加载网格模型数据中的骨骼蒙皮信息和骨骼层次信息,在进行动作跟踪时根据惯性传感器捕获到的骨骼姿态角数据实时更新人体模型中的骨骼变换矩阵信息,以此确定人体各个骨骼的位置和朝向,实现了三维人体骨骼蒙皮动画。
　　为了能够最大限度地减少动作捕捉装置对人体运动动作的限制,本文采用了无线数据传输方式,并制定了惯性传感器与上位机之间的数据通信格式。为了能够方便地对大量运动数据进行统计和分析,本文结合目前软件开发常用的MySQL开源数据库,设计了人体运动姿态数据库。将采集到的实时人体姿态数据存入数据库后,可进一步用于人体健康、生物力学、动作预测和行为识别等科学研究。各个惯性传感器采集到人体运动肢体姿态数据后将数据传输到PC终端机,PC终端机上的上位机软件实现了对人体运动姿态的三维重构。从三维重构结果来看,人体运动动作跟踪实时性良好,动作重构效果逼真。

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第1章 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 现存问题

1.4 主要研究内容及章节安排

第2章 三维层次人体骨骼模型设计

2.1 常见的人体模型建立方法

2.2 人体骨骼的刚性运动原理

2.3 基于约束的层次人体骨骼运动模型

2.4 传感器放置位置分析

2.5 本章小结

第3章 人体运动姿态初始化标定及实时跟踪

3.1 运动姿态信息描述

3.2 姿态标定坐标系及坐标系间转换关系

3.3 惯性传感器和人体姿态的初始化标定和实时跟踪

3.4 本章小结

第4章 人体运动姿态数据采集与处理

4.1 多传感器数据传输

4.2 基于XML的人体运动姿态数据存储结构

4.3 人体运动姿态数据库

4.4 本章小结

第5章 基于Direct3D的三维人体模型动画

5.1 Direct3D介绍

5.2 Direct3D几何基础

5.3 三维人体动画绘制

5.4 本章小结

第6章 人体运动姿态捕捉综合软件平台BMS

6.1 综合软件处理平台架构设计

6.2 人体运动姿态捕捉三维动画展示

6.3 本章总结

结论

参考文献

攻读硕士学位论文期间发表的论文和取得的科研成果

致谢