[发明专利]一种基于视觉标志物的低成本动作捕捉方法

说明书

本发明提供一种基于视觉标志物的低成本动作捕捉方法，包括：布设用于动作捕捉的环境；将数据采集模块固定在有动作捕捉需求的对象的各个节点上；被捕捉对象在动作捕捉环境中进行运动，各个节点处的数据采集模块中的摄像头获取图像数据、惯性测量单元获取加速度计和陀螺仪原始数据，对数据采集模块获取到的数据进行融合，得到被捕捉对象各个节点的精确位姿信息。由于本发明布设简单、采集模块价格低廉，因此本发明具有低成本的特点。本发明中各个采集模块可独立工作，主动测量，因此可以同时进行多对象、多节点的运动捕捉。由于惯性测量单元的更新频率高，因此本发明方法可以高频更新被捕捉对象各个节点的位置和姿态，具有很高的实用价值。

技术领域

本发明涉及动作捕捉领域，具体涉及一种基于视觉标志物的低成本动作捕捉方法。

背景技术

动作捕捉(MOCAP)系统在电影电视特效行业，游戏行业，医疗康复与矫正行业，教育行业等都有应用需求，但是由于目前动作捕捉技术的限制，市面上常见的动作捕捉设备由于其价格、捕捉精度、安装难易程度等方面各有不足，并不能很好地满足各行业的需求。目前常见的动态捕捉方法有基于红外或激光的光学动作捕捉技术，光学式动作捕捉依靠一整套精密而复杂的光学摄像头来实现，它通过计算机视觉原理，由多个高速摄像机从不同角度对目标特征点进行跟踪来完成全身的动作的捕捉。其缺点在于成本高昂、标定困难且当目标被遮挡时无法进行工作。基于电磁的动作捕捉技术通过测量每台发射器和接收器的三个正交线圈的磁通量来计算目标位置和方向。磁系统只需要光学设备三分之二的标记物。电磁式动作捕捉系统的一个缺点是标记物容易受到周围金属物体以及电源所释放的磁电干扰的影响，而这种磁电干扰会导致系统容易出错，并且需要较多的数据清理和专业操作技术，导致使用空间受限，并且出现实时滞后问题。基于惯性测量的动作捕捉技术多采用MEMS三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计组成的惯性测量单元(IMU，InertialMeasurement Unit)来测量传感器的运动参数。而由IMU所测得的传感器运动参数有严重噪声干扰，MEMS器件又存在明显的零偏和漂移，惯性式动作捕捉系统无法长时间进行精确的跟踪。只有解决了这一个问题，才能使惯性式动作捕捉系统充分发挥作用。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提出一种基于视觉标志物的低成本动作捕捉方法，该方法充分结合了主动式光学动作捕捉和基于惯性测量的动作捕捉技术的优势，解决了传统动作捕捉系统布设成本高、标定复杂、易受干扰等问题，且能够不随时间发散地提供被捕捉对象各个节点精确的位置和姿态，在实际应用中具有很大的优势。

本发明所采用的技术方案为一种基于视觉标志物的低成本动作捕捉方法，所述视觉标志物是指具有特定结构的能被计算机识别、区分并获取内部信息的特殊图形，包括但不限于：二维码、经过特殊编码的广告、字画等。所述数据采集模块包含惯性测量单元和摄像头。惯性测量单元用于获取测量节点处加速度计和陀螺仪的数据，摄像头用于拍摄环境图像。本发明技术方案包含以下步骤：

步骤S1，布设用于动作捕捉的环境：选择一个合适的空间，在该空间内布设用于动作捕捉的视觉标志物，测定视觉标志物在世界坐标系下的位姿数据；

步骤S2，将数据采集模块固定在有动作捕捉需求的对象的各个节点上；

所述数据采集模块包括惯性测量单元、摄像头、数据存储单元、通信单元、电池，其中惯性测量单元获取陀螺仪和加速度计原始数据，摄像头用于拍摄环境图像，惯性测量单元和摄像头采集到的数据存储在数据储存单元，或者由通信单元通过无线信号传输的方式集中发送到同一台计算机中进行存储，通信单元用于接受计算机发出的指令进行启动、时间同步、结束采集，电池用于供电；

步骤S3，获取被捕捉对象各个节点的位姿信息，并对各个数据采集模块获取到的数据进行数据融合处理，得到被捕捉对象各个节点的位姿信息。

进一步的，步骤1中所述视觉标志物为二维码。

进一步的，步骤1中利用全站仪测定每一个视觉标志物在世界坐标系下的位置和姿态，其中世界坐标系是不随被捕捉对象的运动而变化的。