一种惯性导航肢体动作捕捉系统采集方法

第7期2018年4月No.7April，2018
无线互联科技
Wireless Internet Technology
1 动作捕捉技术概述
动作捕捉技术（Motion Capture ，Mocap ）的出现可追溯到20世纪70年代，国外的动画制作公司利用光学式的动作捕捉技术把表演者的姿势投射到计算机屏幕上，作为动画制作的参考。

随着技术的发展，该技术已经广泛应用于3D 影视制作、步态分析、生物力学研究、人机工程、虚拟现实等新兴行业市场。

常用的动作捕捉技术从原理上说可分为机械式、声学式、电磁式、主动光学式、被动光学式、惯性导航式。

本文的主要研究内容是惯性导航式肢体动作捕捉的采集方法实现。

2 系统方案2.1 系统原理
动作捕捉系统的一般性结构主要分为3个部分：数据采集设备、数据传输设备、数据处理单元。

惯性导航式动作捕捉系统既是将惯性传感器应用到数据采集设备，从而完成运动目标的姿态、角度的测量。

要完成对人体肢体动作的捕捉需要对人体的头部、肩部、大臂、小臂、手、胸口、尾椎、大腿、小腿、脚踝等共计17个部位进行动作跟踪，参考图1所述。

在这17处重要部位佩戴集成加速计、陀螺仪、磁力计等惯性传感器的数据采集设备，加速计是用来检测传感器受到的加速度的大小和方向，它通过测量传感器在某个轴向的加速度大小和方向，但是相对于地面的姿态则精度不高。

加速计的不足由陀螺仪来弥补，陀螺仪是通过测量三维坐标体系内内部陀螺转子的垂直轴与传感器的夹角，并计算角速度，通过夹角和角速度来判断物体在三维空间的运动状态，因为内部陀螺转子的垂直轴永远垂直地面，也就能保证对地面的姿态精度，但是不能测量同东西南北4个方向的姿态。

那么陀螺仪的不足由磁力计来弥补，磁力计就是个小型的电子罗盘，由它来测量传感器同南北磁极的角度并确定4个方向的姿态。

数据传输设备是为了解决把采集到的动作数据传递给数据处理单元，同时也是上述17个数据采集设备的数据交汇点，这一特质决定了数据传输设备不可避免地要与数据采集设备就近部署。

从使用舒适性、可穿戴性方面考虑，数据传输设备应采用无线通信技术回传数据给数据处理单元以减
少线缆数量和穿戴者的负担。

目前主流的无线通信技术有ZigBee ，Bluetooth ，RFID ，WiFi 等，根据数据吞吐量来决定系统的通信子系统的设计，1个数据采集设备集成加速计、陀螺仪、磁力计，其中现在主流MEMS 芯片集成了加速计和陀螺仪，磁力计单独一颗芯片，芯片数据接口为I2C 总线，I2C 总线最大码流400 kbps ，那么数据量参考公式1所述。

传输数据吞吐量=17×2×400 kbps ≈13.6 Mbps （1）根据公式1所述的吞吐量要求，WiFi 支持11~54 Mbps ，其余技术传输速率不及1 Mbps ，故此数据传输设备采用WiFi 回传数据，在穿戴者身上部署数据传输设备（穿戴侧），在数据处理单元侧对称部署数据传输设备（处理侧），二者实现WiFi 无线传输数据，数据传输设备（处理侧）与数
据处理单元通过USB 传输数据。

数据处理单元采用图形工作站，工作站运行动作捕捉软件完成行动作捕捉。

图1 惯性导航式动作捕捉系统示意
2.2 系统设计
2.2.1 数据采集设备
数据采集设备是通过弹性束带固定在人体的运动部位，由于部署位置涉及人体接触，从舒适性和可穿戴性上决定了数据采集设备有体积小、功耗低的要求，数据采集设备如图
作者简介：韦宇（1980— ），男，广西柳州人，工程师，学士；研究方向：国防通信系统设计。

一种惯性导航肢体动作捕捉系统采集方法
韦 宇
（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）
摘 要：动作捕捉技术是运动物体的关键部位设置跟踪器，涉及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面可以由计
算机直接理解处理的数据。

惯性导航通过测量对象的加速度、运动角度、方位，通过积分运算获得对象的瞬时速度、瞬时位置数据的技术。

文章对一种惯性导航肢体动作捕捉系统采集方法进行了研究。

关键词：动作捕捉；惯性导航；采集方法
第7期2018年4月
No.7April，2018
无线互联科技·通信观察
2所示，由MEMS 惯性传感器（集成加速计、陀螺仪），磁力
计，MCU ，RS232电平转换、电源等电路组成。

当传感器有数据时通过向MCU 发起中断，MCU 响应中断，通过I2C 总线访问MEMS 惯性传感器的相关寄存器读取数据。

数据采集设备的MCU 获取到数据后，给数据封装成消息，添加一些辅助信息开销，如传感器的ID 以及数据类型（包括：加速计数据、陀螺仪数据、磁力计数据）等信息。

2.2.2 数据传输设备
数据传输设备根据部署位置分为穿戴侧设备和处理侧设备两种。

数据处理设备（穿戴侧）部署在穿戴者的前胸，详细部署情况可参考图1所示。

数据处理设备（穿戴侧）承担着系统的采集数据汇总、数据无线传输、采集模块供电、电池充电等功能，数据处理设备（穿戴侧）组成如图2所示，由RS232电平转换电路、8路串口缓冲芯片，MCU ，WiFi 模块及天线、DC/DC 电源、锂电池模块及充电模块组成。

其中RS232电平转换电路负责RS232同TTL 电平转换。

8路串口缓冲芯片负责接收多路串口数据，当有数据接收时，通过中断通知MCU 来获取，MCU 响应中断通过数据总线获取数据采集设备的消息。

充电模块主要通过充电电源接口连接电源适配器进行对锂电池充电。

WiFi 模块及天线主要提供802.11b/g/n 的无线WiFi 收发功能。

MCU 负责汇总数据填充消息，按照每秒120帧的速率通过SPI 总线发送给WiFi 模块。

数据处理设备（处理侧）部署在数据处理单元通过USB 接口连接。

数据处理设备（处理侧）组成如图2所示，由WiFi 模块及天线、MCU （集成USB ）、LDO
电源组成。

图2 采集系统架构
2.2.3 数据处理单元
数据处理单元采用图形工作站，图形工作站安装数据传输设备（处理侧）的USB 驱动，运行动作捕捉软件（如Unity3D 等），运行动作捕捉软件通过对USB 驱动的相应管道进行数据操作来获取运动数据来完成行动作捕捉功能。

2.2.4 业务信息流程
数据传输设备（处理侧）通过USB 线缆连接到数据处理单元，数据处理单元进行该设备的USB 驱动的枚举，枚举成功后运行动作捕捉软件，软件通过下行管道发送“获取采集点列表申请”的消息包，数据传输设备（穿戴侧）接收到“获取采集点列表申请”的消息包后，数据传输设备（穿戴侧）向数据采集设备发送轮询点名，各个数据采集设备反馈各自的ID 和能力，数据传输设备（穿戴侧）汇总后通过WiFi 反馈“采集点列表及能力”给数据传输设备（处理侧），软件通过驱动的上行管道获取“采集点列表及能力”，更新相应信息后发送启动采集消息，运动数据就开始由数据传输设备上传给软件。

终止采集是启动采集的逆过程，采集过程活动序列如图3
所示。

图3 采集过程活动序列
3 结语
本采集实现方法在Unity3D 平台下的反复测试和优化后取得一些可喜的指标，在定位精度、实时性上，位置跟踪精度达到5 mm 、最小角速度0°/s 、最大角速度2 000°/s 、精度偏航为0.25°、俯仰和横滚分别为0.1°、角分辨率0.01°等。

穿戴者负重轻，肢体动作无阻碍，在使用方便程度上极大改善了用户体验。

A method for acquisition of limb motion capture system in inertial navigation
Wei Yu
（Guangzhou Hagrid Communications Group Co., Ltd., Guangzhou 510663, China ）
Abstract：
Motion capture （Mocap ）is a key position setting tracker for moving objects, which involves the measurement of dimensions. In physical space, the location and azimuth determination of objects can be directly understood by computer. Inertial navigation can obtain the instantaneous velocity of objects and technique of instantaneous position data by measuring the acceleration, motion angle, azimuth, and integral operation. In this paper, the acquisition method of an inertial navigation limb motion capture system is studied.Key words：
action capture; inertial navigation; acquisition method [参考文献]
[1]赵正旭，戴欢，赵文彬，等.基于惯性动作捕捉的人体运动姿态模拟[J].计算机工程，2012（5）：5-8.。