(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011589521.7
(22)申请日 2020.12.29
(71)申请人 上海交通大学宁波人工智能研究院
地址 315000 浙江省宁波市海曙区南门街
道南站西路29号
(72)发明人 何昱龙 王成光 琚长江 杨根科
褚健 王宏武 林奕专 徐月伟
(74)专利代理机构 上海剑秋知识产权代理有限
公司 31382
代理人 徐浩俊
(51)Int.Cl.
G06F 3/01(2006.01)
(54)发明名称一种基于姿态坐标的人体动作捕捉方法(57)摘要本发明公开了一种基于姿态坐标的人体动作捕捉方法，涉及信息采集技术领域，所述方法包括以下阶段：动作分析阶段、数据采集阶段、数据处理阶段和数据传输阶段；具体的，所述方法包括以下步骤：步骤S1、根据需求场景进行动作分析与确定； 步骤S2、人体特征信息采集；步骤S3、惯性测量单元的安装与校准；步骤S4、人体姿态信息采集；步骤S5、人体姿态信息与人体特征信息处理；步骤S6、将所述步骤S5得到的姿态信息与坐标信息输出。通过建立坐标系，本发明将人体动作定义为姿态描述与坐标描述，实现动作的姿态、幅度采集，使后续处理更加方便准确，并先根据场景进行需求分析，确定需要的动作姿态采集部位， 定点使用惯性测量单元采集数据。权利要求书3页 说明书7页 附图3页CN 112711332 A 2021.04.27
C N 112711332
A
1.一种基于姿态坐标的人体动作捕捉方法，其特征在于，所述方法包括以下阶段：
动作分析阶段、数据采集阶段、数据处理阶段和数据传输阶段；
具体的，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、根据需求场景进行动作分析与确定；
步骤S2、人体特征信息采集；
步骤S3、惯性测量单元的安装与校准；
步骤S4、人体姿态信息采集；
步骤S5、人体姿态信息与人体特征信息处理；
步骤S6、将所述步骤S5得到的姿态信息与坐标信息输出；
其中，
所述步骤S1属于所述动作分析阶段；
所述步骤S2、S3与S4属于所述数据采集阶段；
所述步骤S5属于所述数据处理阶段；
所述步骤S6属于所述数据传输阶段。
2.如权利要求1所述的基于姿态坐标的人体动作捕捉方法，其特征在于，在所述步骤S1中，通过分析动作所涉及的人体部位与人体特征，确定人体基本原点、关节原点、目标原点、所需惯性测量单元的数量与位置。
3.如权利要求2所述的基于姿态坐标的人体动作捕捉方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述惯性测量单元的安装位置是所述S1中所确定的所述惯性测量单元的位置；所述惯性测量单元的校准包括自校准和相对人体校准，其中，所述自校准是所述惯性测量单元相对自带世界坐标系的校准，所述相对人体校准是所述惯性测量单元的某坐标轴方向与人体骨骼所在直线重合。
4.如权利要求3所述的基于姿态坐标的人体动作捕捉方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
S51、以各原点建立空间坐标系，包括所有能表示空间位置的坐标系，具体包括但不限于直接坐标系和旋转坐标系；建立的所述空间坐标系包括：人体基本坐标系、人体关节坐标系和目标坐标系；
S52、根据所述惯性测量单元获取的所述人体姿态信息，计算所述人体关节坐标系、所述目标坐标系相对所述人体基本坐标系的旋转矩阵Q，并根据所述步骤S2中所采集的所述人体特征信息生成坐标系平移向量P；所述旋转矩阵Q与所述坐标系平移向量P共同构成坐标系转移矩阵T；
S53、通过所述坐标系转移矩阵T计算关节和动作目标在所述人体基本坐标系中的所述坐标信息与所述姿态信息。
5.如权利要求4所述的基于姿态坐标的人体动作捕捉方法，其特征在于，在所述步骤S51中，所述人体基本坐标系的坐标原点为所述人体基本原点，所述人体基本坐标系的方向通过所述惯性测量单元获取；所
述人体关节坐标系为运动中涉及的各个关节姿态与在所述人体基本坐标系中的位置，所述人体关节坐标系的原点为所述关节原点，所述人体关节坐标系的方向均是通过所述惯性测量单元获取；所述目标坐标系的坐标原点为所述目标原点，所述目标坐标系的方向通过所述惯性测量单元获取。
6.如权利要求5所述的基于姿态坐标的人体动作捕捉方法，其特征在于，在所述步骤S2中所采集的所述人体特征信息包括：肩部到手肘部距离L0、手肘部到手腕部距离L1、手腕到手心距离L2。
7.如权利要求6所述的基于姿态坐标的人体动作捕捉方法，其特征在于，在所述步骤S4中采用五个IMU传感器作为所述惯性测量单元；在采集的所述人体姿态信息中，每个IMU传感器采集的数据为IMU坐标系相对世界坐标系的四元数信息；
五个所述四元数信息记为：
P i (p
,p
1
,p
2
,p
3
,p
4
),i＝0,1,2,3,4
其中，i代表第i号IMU传感器。
8.如权利要求7所述的基于姿态坐标的人体动作捕捉方法，其特征在于，在所述步骤S51中，胯关节坐标系方向与0号IMU坐标系方向平行；肩关节坐标系方向与1号IMU坐标系平行；肘关节坐标系方向与2号IMU坐标系平行；腕关节坐标系方向与3号IMU坐标系方向与所述目标坐标系的方向平行；指关节坐标系方向与4号IMU坐标系方向平行。
9.如权利要求8所述的基于姿态坐标的人体动作捕捉方法，其特征在于，在所述步骤S52中，设定所述人
体基本坐标系方向与IMU自带世界坐标系方向相同；所述IMU传感器所采集数据为相对所述人体基本坐标系的所述四元数信息，将所述四元数信息转换为所述人体关节坐标系、所述目标坐标系相对所述人体基本坐标系的所述旋转矩阵Q，变化方程为：
所述各人体关节坐标系相对所述人体基本坐标系的旋转矩阵即为动作各部位姿态；
在所述步骤S2中所采集的所述人体特征信息构成所述人体基本坐标系和工作坐标系
的平移向量P
ij ＝(0,0,L
i
)，并计算所述人体基本坐标系和所述工作坐标系的旋转角度，构
成旋转矩阵Q
ij
，计算方法为：
所述旋转矩阵Q
ij 与所述平移向量P
ij
构成所述人体基本坐标系和所述工作坐标系的坐
标系转移矩阵T
ij
：
通过所述坐标系转移矩阵T
ij
即可求各关节在所述人体基本坐标系下的坐标：
其中，0、i、j均表示某坐标系，Q为所述旋转矩阵，Q
ij 即为i、j坐标系间的旋转矩阵；P
i
为
某点在i坐标系中的向量，P
j 为某点在j坐标系中的向量，T
ij
为i、j坐标系的坐标系转移矩
阵。
10.一种基于姿态坐标的人体动作捕捉装置，其特征在于，所述装置用于执行权利要求1至9中任意一项所述基于姿态坐标的人体动作捕捉方法，所述装置以下模块：动作分析模块，所述动作分析模块通过分析动作所涉及的人体部位与人体特征，确定
人体基本原点、关节原点、目标原点、所需惯性测量单元的数量与位置；
数据采集模块，所述数据采集模块采集人体特征信息和人体姿态信息；
数据处理模块，所述数据处理模块通多对所述人体姿态信息与所述人体特征信息的处理得到姿态信息与坐标信息；
数据传输模块，所述数据传输模块将得到的所述姿态信息与所述坐标信息输出。
一种基于姿态坐标的人体动作捕捉方法技术领域
[0001]本发明涉及信息采集技术领域，尤其涉及一种基于姿态坐标的人体动作捕捉方法。
背景技术
[0002]随着科技与生活的日益进步，越来越多的场景需要进行人体动作的复现，如人机交互、作画制作、虚拟现实等。实现人体动作的复现，需要采集人体动作信息，如动作姿态、动作幅度与动作速度等。为实现人体动作采集，出现了多种人体动作捕捉系统，用来采集人体各种动作信息。
[0003]目前市场上常见的动作捕捉系统包括：机械电动式、声学式、光学式和惯性式。机械电动式需要在人体上安装电动支架，灵活性较差；声学方案易受干扰且无方向性，使得其精度较低；光学式对环境要求较高且价格昂贵，不适合大规模生产；惯性式动作捕捉相较于以上三种方案，具有微型化、成本低、无线传输等优点，具有极大优势。
[0004]一方面，目前市场上常见的惯性式动作捕捉主要是针对人体姿态进行捕捉，是因为惯性捕捉单元仅能获取姿态信息，但是动作姿态无法完全描述人体动作，根据人体身体情况的不同，动作姿态会有较大差异性，这对动作捕捉的后续处理，如动作映射等，具有极大的影响，严重影响了动作捕捉设备的普适性；另一方面，在某些特定场景中，我们只需要要采集部分身体动作，如手臂动作、腿部动作等，而某些场景需要全身动作信息，许多动作捕捉设备未能充分考虑需求，造成采集的数据过于冗余或者过少，也会加大后续处理的困难性。
[0005]因此，本领域的技术人员致力于开发一种新的惯性式人体动作捕捉方法，解决现有技术中存在的
仅能获取姿态信息以及采集的数据量过于冗余或者过少的问题。发明内容
[0006]有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何获得可以准确描述人体动作的数据信息，并避免出现数据量的过于冗余或者过少。
[0007]为实现上述目的，本发明提供了一种新的人体动作惯性捕捉方法，通过建立坐标系，将人体动作定义为姿态描述与坐标描述，从而可以实现动作的姿态和幅度采集，使得后续的处理更加方便准确。
[0008]本发明提供的一种基于姿态坐标的人体动作捕捉方法，包括以下阶段：
[0009]动作分析阶段、数据采集阶段、数据处理阶段和数据传输阶段；
[0010]具体的，所述方法包括以下步骤：
[0011]步骤S1、根据需求场景进行动作分析与确定；
[0012]步骤S2、人体特征信息采集；
[0013]步骤S3、惯性测量单元的安装与校准；
[0014]步骤S4、人体姿态信息采集；
说 明 书
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