基于光学运动捕捉系统可视空间扩展的运动学参数捕捉方法

摘要

基于光学运动捕捉系统可视空间扩展的运动学参数捕捉方法，涉及人体在体与离体关节运动学参数的捕捉技术。目的是为了解决光学式运动捕捉系统因标记点被遮挡而导致最少摄像头数目增多的问题。本发明将平面反射镜置于摄像头前方，使被遮挡的光学标记点的像落入摄像头视野范围内；令待测对象沿步态路径行走，采集待测对象上光学标记点及像点坐标数据；将三个光学标记点固定在标定工具正面，将第四个光学标记点固定在背面，然后使标定工具沿步态路径移动，采集光学标记点及像点坐标数据；最后计算像点坐标与对应的真实光学标记点坐标的关系，将待测对象的像点坐标还原为真实光学标记点坐标，适用于人体在体运动运动和人体离体标本运动实验。

说明书

技术领域

本发明涉及人体在体与离体关节运动学参数的捕捉技术。

背景技术

人体在体运动运动和人体离体标本运动的运动活动实验中，运动捕捉是一种广泛使用的运动学参数获取方法。人体在体运动实验是指人体步态分析及不同日常活动下的姿态分析，学如步态时空参数；所述人体离体标本运动实验是指尸体的关节如脊柱、四肢在外部加载条件下的运动分析。

目前市场上的运动捕捉方法及设备种类繁多。从实时性行来看，分为实时性运动捕捉系统和非实时运动捕捉系统；从标记点的工作方式来看，分为主动式和被动式；从工作原理来看，分为机电式运动捕捉系统，电磁式运动捕捉系统，声学式运动捕捉系统和光学式运动捕捉系统四种类型的运动捕捉系统。

四种类型的运动捕捉中，机电式运动捕捉系统需要将带传感器的刚体或者连杆固定到人体或者标本上，此方法成本低，但是安装佩戴不方便，而且对运动产生较大的阻碍作用，影响正常的运动学参数的测量；声学式运动捕捉，主要通过声波接收器接收声波的时间间隔来获取运动学参数，成本低，无遮挡问题，但是该方法受到环境(如噪声)影响极大，实时性差且精度低；电磁式运动捕捉系统，通过发射器发射电磁场以及接收器感应磁通量来获取运动标记位置的空间坐标，其成本低，实时性较好但是环境要求高，测量空间内不允许有金属，且不能出现较强的磁场干扰，其测量精度也较低，且不能进行高速测量。光学式运动捕捉系统，通过高速摄像头或者线性CCD捕捉光学反光球或者发光二极管的空间坐标，从而获取运动学参数，标记点尺寸小且质量轻，不影响运动，测量精度高，实时性好，是目前广泛使用的运动捕捉方法，但是其设备价格极其昂贵，若实现多角度测量(从多个角度捕捉到运动标记点，从而计算出多个关节的运动学参数)则需要多台设备协同工作才能解决遮挡问题(遮挡问题是指运动标记点在运动过程中被其他关节遮挡或者标记点转动到背面以至于标记点不能被光学镜头捕捉到)，增加了最少摄像头数目(最少摄像头数目是指在标记点运动过程中的任意时刻任意位置，标记点都至少能被三个摄像头捕捉到，因摄像头位置固定与遮挡的出现，需要布置超过三个摄像头从多个角度进行捕捉，从而弥补被遮挡摄像头的数据丢失，因此最少摄像头数目是为保证标记点不被遮挡所需要的最少摄像头数目)，导致设备成本增加，使得光学式运动捕捉系统的应用受到极大的限制。

发明内容

本发明的目的是为了解决光学式运动捕捉系统因标记点被遮挡而导致最少摄像头数目增多的问题，提供一种基于光学运动捕捉系统可视空间扩展的运动学参数捕捉方法。

本发明所述的基于光学运动捕捉系统可视空间扩展的运动学参数捕捉方法是基于光学运动捕捉系统、平面反射镜及标定工具实现的，所述光学运动捕捉系统包括三个摄像头，所述标定工具为平板结构，所述运动学参数捕捉方法为：

步骤一、将光学运动捕捉系统自带的光学标记点固定在待测对象上，将平面反射镜置于三个摄像头前方，并设定步态路线，平面反射镜用于对一个步态周期内摄像头观测不到的光学标记点进行成像，并使镜中的像点落入摄像头视野范围内；

步骤二、启动光学运动捕捉系统，令待测对象沿步态路线行走，采集待测对象上光学标记点及镜中像点在世界坐标系下的坐标数据；

步骤三、将三个光学标记点固定在标定工具的正面，所述三个光学标记点构成三角形的三个顶点，将第四个光学标记点固定在标定工具的背面，并使标定工具的正面朝向摄像头，然后使标定工具沿所述步态路线移动，采集标定工具正面的三个光学标记点及镜中像点在世界坐标系下的坐标数据；

步骤四、利用步骤三得到的坐标数据获得像点坐标与对应的真实光学标记点坐标之间的关系，并按照所述关系将步骤二中的像点坐标还原为真实光学标记点坐标。

本发明通过平面反射镜的合理布置扩展了光学运动捕捉系统的可视空间，解决了光学标记点在运动捕捉过程中的遮挡问题，减少了光学运动捕捉系统中最少摄像头数目，降低了设备成本；通过对标定工具的扫描标定将镜中的像点坐标还原到真实光学标记点在世界坐标系下的坐标，从而在最少摄像头下实现多视角运动捕捉，并且也保证了测量精度。适用于人体在体运动运动和人体离体标本运动实验。

附图说明

图1为平面反射镜布置与行走路径示意图，其中，1表示摄像头，2表示步态路径，3表示平面反射镜，A、B、C和D表示四个光学标记点；

图2为镜面反射的原理示意图，其中4表示摄像头支架，三个摄像头均固定在摄像头支架上；

图3为定标工具的结构示意图，E、F、G和H表示四个光学标记点；

图4为扫描标定原理示意图，其中5为定标工具。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的基于光学运动捕捉系统可视空间扩展的运动学参数捕捉方法是基于光学运动捕捉系统、平面反射镜及标定工具实现的，所述光学运动捕捉系统包括三个摄像头，所述标定工具为平板结构，所述运动学参数捕捉方法为：

步骤一、将光学运动捕捉系统自带的光学标记点固定在待测对象上，将平面反射镜置于三个摄像头前方，并设定步态路径，平面反射镜用于对一个步态周期内摄像头观测不到的光学标记点进行成像，并使镜中的像点落入摄像头视野范围内；

步骤二、启动光学运动捕捉系统，令待测对象沿步态路线行走，采集待测对象上光学标记点及镜中像点在世界坐标系下的坐标数据；

步骤三、将三个光学标记点固定在标定工具的正面，所述三个光学标记点构成三角形的三个顶点，将第四个光学标记点固定在标定工具的背面，并使标定工具的正面朝向摄像头，然后使标定工具沿所述步态路径移动，采集标定工具正面的三个光学标记点及镜中像点的坐标数据；

步骤四、利用标定工具正面的三个光学标记点建立直角坐标系，计算标定工具背面的光学标记点与标定工具正面的三个光学标记点的相对位置，结合步骤三采集到的标定工具正面三个光学标记点的坐标，得到标定工具背面的光学标记点在世界坐标系下的真实坐标，结合步骤三采集到的标定工具背面光学标记点的像点坐标，，得到步态路径上标定工具背面光学标记点的每个位置与对应的像点的中点的平面方程，即镜面方程；然后按照最短距离匹配原则来确定步骤二中每个像点对应的镜面方程，再根据该镜面方程还原该像点的真实坐标；所述最短距离匹配原则为：对于步骤二中的每个像点，寻找步骤三中与其距离最近的像点，两个像点对应同一个镜面方程。

上述方法中，光学运动捕捉系统是指目前几款应用于运动捕捉的运动捕捉系统及其运动捕捉镜头，运动捕捉系统包括Vicon、MotionAnalysis和NDI certus等，其中NDIcertus运动捕捉系统采集到的坐标均为世界坐标系下的坐标，所述的平面反射镜为浴室镜。

本实施方式利用镜面反射来扩展光学运动捕捉系统的可视空间，并利用标定工具进行扫描标定。所述镜面反射是指在合适的位置放置平面镜，被遮挡的标记点通过镜面反射，使得镜子中的虚像出现在摄像头视野范围之内，从而使得被遮挡的标记点重新被摄像头捕捉到，如图2所示。标记点的扫描标定是指用自制的标定工具在被遮挡的标记点所经过的路径上重新扫掠一遍，并记录每一个位置的真实光学标记点与镜中像点的坐标。标定工具包括四个光学标记点，其中三个光学标记点构成一个刚体，用于建立局部坐标系，以计算 第四个光学标记点的在世界坐标系下的坐标；第四个光学标记点背对刚体，通过镜面反射被捕捉到，然后获取第四个点的镜中像点的坐标。根据第四个光学标记点在世界坐标系下的坐标和对应的像点的坐标，能够计算出扫描标定所经过的路径上任意位置同一光学标记点的真实点与像点的中点所在镜面的平面方程，从而获取镜面上任意位置的平面方程，有效避免了因镜面不平整带来的误差，保证了光学运动捕捉系统的测量精度。

具体实施方式二：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式采用NDIcertus运动捕捉系统，通过平面反射镜的合理布置及镜面反射同时捕捉到粘贴在下肢两侧的光学标记点，从而获取两侧的运动学数据。如图1所示，在待测对象的下肢两侧各粘贴两个光学标记点，其中A点和B点位于靠近摄像头的一侧，C点和D点位于靠近平面反射镜的一侧。所述的NDIcertus运动捕捉系统包括三个摄像头，为最少摄像头数目。

平面反射镜的位置必须保证在选定的一个步态周期距离内，平面反射镜所成的像点(即C点和D点的像点)不被人体躯干或下肢所遮挡，其布置方法如图1所示。所述平面镜为普通的浴室镜。

待测对象沿设定好的步态路径移动，移动过程中，NDIcertus运动捕捉系统不断采集A点和B点的坐标以及C点和D点的像点坐标。

待测对象走完整个步态路径后，利用标定工具进行扫描标定。扫描标定的具体方法为，在标定工具的一个表面粘贴三个光学标记点，即E点、F点和G点，并且这三个光学标记点不在同一直线上，在标定工具的另一个表面粘贴第四个光学标记点，即H点；按照待测对象所走过的步态路径移动标定工具，并且使E点、F点和G点朝向摄像头，使H点朝向平面反射镜；移动过程中，NDIcertus运动捕捉系统不断采集E点、F点和G点的坐标以及H点的像点坐标；利用E点、F点和G点建立直角坐标系，计算该直角坐标系下H点的真实坐标，结合NDIcertus运动捕捉系统所采集到的数据，计算步态路径上任意一个位置上H点的真实坐标与镜中像点的坐标的中点所在的平面方程，得到镜面方程库。

然后将步态路径上任意位置上C点的像点坐标与H点的所有像点坐标进行比对，从H点的所有像点中选择与该位置上C点的像点距离最近的一个H点的像点，被选定的H点的像点与该位置上与C点的像点对应同一个镜面方程，利用该镜面方程将该位置上C点的像点坐标还原成C点的真实坐标，按照同样的方法，还原C点在步态路径上其他位置的真实坐标以及D点在步态路径上所有位置的真实坐标。