[发明专利]一种基于标志点的刚体运动捕捉方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及计算机视觉、空间摄影测量技术和动作捕捉领域，具体涉及一种基于标志点的刚体运动捕捉方法。

背景技术

动作捕捉系统即对物体的运动，诸如速度、加速度、位置进行测量的系统。从原理上说可分为机械式、声学式、电磁式、主动光学式和被动光学式。不同原理的设备各有其优缺点，一般可从以下几个方面进行评价：定位精度、实时性、使用方便程度、可捕捉运动范围大小、抗干扰性、多目标捕捉能力以及与相应领域专业分析软件连接程度。

从技术的角度来说，运动捕捉的实质就是要测量、跟踪、记录物体在三维空间中的运动轨迹。随着计算机软硬件技术的飞速发展和动画制作要求的提高，在发达国家，运动捕捉已经进入了实用化阶段。

机械式、声学式、电磁式动作捕捉技术自身存在的受环境影响大、定位精度低以及测量范围小等缺点，使得光学式动作捕捉方法称为主流。光学式动作捕捉系统基于计算机视觉原理，由多个高速相机从不同角度对目标特征点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。这类系统采集传感器通常都是光学相机，不同的是目标传感器类型不一，一种是在物体上不额外添加标记，基于二维图像特征或三维形状特征提取的关节信息作为探测目标，这类系统可统称为无标记点式光学动作捕捉系统，另一种是在物体上粘贴标记点作为目标传感器，这类系统称为标记点式光学动作捕捉。无标记点式光学动作捕捉普遍存在的动作捕捉精度低，运动自由度计算缺失等问题使得标记点式动作捕捉成为主流。标记点式光学动作捕捉系统一般由光学标识点(Markers)、动作捕捉相机、信号传输设备以及数据处理工作站组成，人们常称的光学式动作捕捉系统通常是指这类标记点式动作捕捉系统。在运动物体关键部位粘贴Marker点，多个动作捕捉相机从不同角度实时探测Marker点，数据实时传输至数据处理工作站，根据三角测量原理精确计算Marker点的空间坐标，再解算物体6自由度运动。现有的标记点式运动捕捉系统多采用红外相机做为图像传感器，只对可主动发射红外光或可反射红外光线的标记点进行成像，限制了捕捉系统的应用场景。

发明内容

本发明提出了一种基于标志点的刚体动作捕捉方法及系统，用于计算测量场景中刚体的位置及姿态，从而控制刚体的运动并获取其轨迹。本发明解决了传统刚体动作捕捉方法实时性不强、无标志动作捕捉普遍存在的动作捕捉精度低，运动自由度计算缺失等问题，提高了运动捕捉的精度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于标志点的刚体动作捕捉方法，包括：

A、采集刚体二维图像序列；

B、对采集到的图像进行标志点检测；

C、对检测到的标志点进行匹配，获取匹配之后的标志点在世界坐标系下的空间位置，并对各标志点的顺序进行标记；

D、根据标志点在不同时间节点的三维空间位置，得到刚体运动的相关参数，并将其用于控制刚体运动的依据。

可选地，在步骤A之前还包括：

A0、标定摄像机网络，获得标定参数；

可选地，在步骤B之后还包括：

B1、建立标志点三维模型。

可选地，本刚体动作捕捉方法采用分布式处理机制，首先步骤A中，利用微处理器控制相机对刚体二维图像序列进行采集，然后步骤B中，利用微处理器对采集到的图像进行标志点检测，相机和微处理器成对出现，每一个相机绑定一个微处理器，最后由远程PC终端再实现步骤C中和步骤D中对标志点的三维测量和姿态解算。

可选地，步骤A0中，所述标定摄像机网络采用两两标定的方法对相机进行标定。

可选地，步骤B1中，所述建立标志点三维模型的方法具体包括：

以第一帧图像为基准，检测每个相机对应二维图像中的标志点，匹配标志点并获得标志点在空间中的三维坐标，以检测到的标志点顺序做为模型上点编号，并将模型坐标系的原点建立在第一个标志点上，此时即可求得模型坐标系下各标志点的坐标。此时，将这些点做为模型保存下来。

可选地，步骤C中，所述对检测到的标志点进行匹配，获取匹配之后的标志点在世界坐标系下的空间位置，并对各标志点的顺序进行标记的具体步骤包括：

C1、采用极线距离匹配方法对检测到的标志点进行匹配；

C2、根据已知的相机标定结果以及标志点在相机间的对应关系计算匹配之后的标志点在世界坐标系的三维坐标；

C3、采用模型匹配方法，利用建立的标志点模型间的相对位置关系匹配正确三维空间点，剔除错误三维空间点，对距离很接近的三维点进行聚类，使计算正确的标志点留下并进行标记。

本发明还提供了一种基于标志点的刚体运动捕捉系统，包括：