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1、人体运动数据捕捉 -生物医学工程专题演习姓名：祝楠楠2014/12/61专业课堂主线l人体运动l运动捕捉技术应用l几种捕捉方式分类l机械式l电磁式l光学式l惯性式l运动监测仪系统l前景与总结2专业课堂人体运动人体是由200多个旋转关节组成的复杂形体，不仅可完成高度复杂的动作，而且由于人类具有高度智能性，其运动具有很好的协调性，所以对人体运动的研究一直是机器人设计、智能控制、人机工程、仿真等领域研究的热点。 运动是以骨为杠杆，关节为枢纽，肌肉的收缩作为动力而构成的。所以运动系统包括骨、关节及肌肉3个部分。骨、关节和肌肉还构成了人体的支架和基本形状。 3专业课堂人体运动4专业课堂人体结构的24个关
2、节点表示和七类运动特征定义5专业课堂人体运动太极瑜伽体操6专业课堂人体运动长期坚持运动锻炼，可使肌肉中的毛细血管形态结构发生变化，出现囊泡状，从而增加肌肉的血液供应量，有利于肌肉持续长时间紧张的活动。此外，运动也可以使人体其他系统在形态和结构上发生改变，并有助于人体健康。 7专业课堂人体运动捕捉具有广泛的实际应用价值，可应用于工业、农业、交通、文教卫生和体育等许多行业，特别是在医学、体育科学研究、运动训练指导、现代影视动画和游戏制作等领域的应用。目前，国内已经建设的运动捕捉平台有中国科学院计算机技术研究所、北京大学、浙江大学、中国传媒大学等多家科研机构，中央电视台、国家体育总局、上海市第六人民
3、医院以及全国各大城市动漫基地分别建设捕捉平台以满足实际应用需求。运动捕捉技术应用8专业课堂1、影视制作近年，3D技术和计算机仿真技术越来越成熟，极大改变了影视制作的工作方式。许多电影、动漫和电视剧的制作过程都采用了运动捕捉与三维重构技术。9专业课堂猩球黎明阿凡达电影制作10专业课堂动漫制作11专业课堂影视制作场景视频1、运动捕捉技术2、影视制作-阿凡达12专业课堂目前许多大型游戏的开发都已经开始利用动作捕捉和三维重构技术来使计算机虚拟世界中的人物模型和动作更加逼真，使虚拟世界与现实世界更加接近。 2、游戏设计13专业课堂3、医疗健康人体运动与人体健康医疗是息息相关的，随着社会的发展和科技的进步
4、，人们对生活质量的期望和对身体健康的重视程度也越来越高。运动捕捉技术可以应用于理疗和健康监护等诸多医疗领域，通过采集病人的病前运动和康复后运动数据，依据正常人的运动数值对照分析可以得出康复效果。帮助医生更好的掌握治疗效果。14专业课堂15专业课堂体育训练运动捕捉技术可以捕捉运动员的动作，便于进行量化分析，结合人体生理学、物理学原理，研究改进的方法，使体育训练摆脱纯粹的依靠经验的状态，进入理论化、数字化的时代。还可以把成绩差的运动员的动作捕捉下来，将其与优秀运动员的动作进行对比分析，从而帮助其训练。4、体育16专业课堂17专业课堂5、运动数据库a. 非物质文化遗产，是人类文明的象征和宝贵财富。但
5、是一些依靠口传心授的文化遗产正在不断消失，许多传统技艺濒临消亡。因此可以依靠运动捕捉技术将其录取保存。b.机器人的发展是下一个时代特征，机器人是通过模仿人类的行为动作来运动的，可以将人类运动采集存储，然后机器通过运动数据库来处理应用18专业课堂几种捕捉方式分类第一类：接触式与非接触式第二类：图像与数据第三类：19专业课堂第一类20专业课堂第二类1、对包含人体运动的图像序列进行提取处理，从而得到人体的运动信息2、利用传感器对人体的运动数据采集，进行人体的分析和研究21专业课堂第三类：机械式、电磁式、光学式、惯性式机械式：运动捕捉依靠机械装置来跟踪和测量人体的运动轨迹。电磁式：运动捕捉由发射源、接
6、收传感器和数据处理单元组成。光学式：运动捕捉由在表演者关键部位粘贴上一些主动或者被动反光的标识点，在捕捉过程中利用多个高频摄像机对标记点进行检测和跟踪，并通过电脑获得三维人体运动数据。惯性式：运动捕捉系统主要依赖地球重力和磁场。22专业课堂运动捕捉进化史-电影界http:/ 火柴人，魂斗罗25专业课堂特点：机械式运动捕捉的一种应用形式是将欲捕捉的运动物体与机械结构相连，物体运动带动机械装置，从而被传感器实时记录下来。 X-Ist 的 FullBodyTracker 是一种颇具代表性的机械式运动捕捉产品。优缺点：这种方法的优点是成本低，精度也较高，可以做到实时测量，还可容许多个角色同时表演。但其
7、缺点也非常明显，主要是使用起来非常不方便，机械结构对表演者的动作阻碍和限制很大。26专业课堂电磁式表演者在电磁场内表演时，接收传感器将接收到的信号通过电缆传送给处理单元，根据这些信号可以解算出每个传感器的空间位置和方向27专业课堂28专业课堂优点：首先在于它记录的是六维信息，即不仅能得到空间位置，还能得到方向信息，这一点对某些特殊的应用场合很有价值。其次是速度快，实时性好，表演者表演时，动画系统中的角色模型可以同时反应，便于排演、调整和修改。装置的定标比较简单，技术较成熟，成本相对低廉。缺点：在于对环境要求严格，在表演场地附近不能有金属物品，否则会造成电磁场畸变，影响精度。系统的允许表演范围比
8、光学式要小，特别是电缆对表演者的活动限制比较大，对于比较剧烈的运动和表演则不适用。29专业课堂光学式目前常见的光学式运动捕捉大多基于计算机视觉原理。从理论上说，对于空间中的一个点，只要它能同时为两部相机所见，则根据同一时刻两部相机所拍摄的图像和相机参数，可以确定这一时刻该点在空间中的位置。当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。30专业课堂31专业课堂32专业课堂33专业课堂指环王 - 咕噜基于LED灯的光学式动作捕捉技术34专业课堂35专业课堂36专业课堂光学设备37专业课堂拍摄设备被动标记点38专业课堂MotionAnalysis 公司是该领域的佼佼者。典型的
9、光学式运动捕捉系统通常使用 6 8 个相机环绕表演场地排列，这些相机的视野重叠区域就是表演者的动作范围。为了便于处理，通常要求表演者穿上单色的服装，在身体的关键部位，如关节、髋部、肘、腕等位置贴上一些特制的标志或发光点，称为 Marker ，视觉系统将识别和处理这些标志。系统定标后，相机连续拍摄表演者的动作，并将图像序列保存下来，然后再进行分析和处理，识别其中的标志点，并计算其在每一瞬间的空间位置，进而得到其运动轨迹。39专业课堂优点:表演者活动范围大，无电缆、机械装置的限制，表演者可以自由地表演，使用很方便。其采样速率较高，可以满足多数高速运动测量的需要。Marker 数量可根据实际应用购置
10、添加，便于系统扩充。缺点:系统价格昂贵，它可以捕捉实时运动，但后处理（包括 Marker 的识别、跟踪、空间坐标的计算）的工作量较大，适合科研类应用、电影动漫大型游戏的制作。40专业课堂惯性式通过惯性传感器、IMU(惯性测量单元)捕捉表演者运动加速度、方位、倾斜角等特性。不受环境干扰影响，不怕遮挡。捕捉精确度高，采样速度高，达到每秒1000次或更高。惯导传感器佩戴在表演者头上，或通过17个传感器组成数据服穿戴，通过USB线、蓝牙、2.4Gzh DSSS无线等与主机相联，分别可以跟踪头部、全身动作，实时显示完整的动作。41专业课堂42专业课堂惯性动作捕捉全身式Perception legacy4
11、3专业课堂惯性式-动作捕捉头盔44专业课堂常用的惯性式动作捕捉系统演示图45专业课堂46专业课堂47专业课堂惯性式问：问：MEMS是什么意思是什么意思微机电系统微机电系统，是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。48专业课堂MENS惯性传感器第一类：三轴加速度计（ax、ay、az）第二类：三轴加速度计 和 三轴角速率陀螺仪(ax、ay、az和gx、gy、gz)两类传感器应用，测量围绕三个正交坐标轴的静态和动态的角速度和加速度49专业课堂ADI公司主要产品： 放大器和线性产品、数据转换器、音频和视频产品、宽带产品、
12、时钟和定时IC、光纤和光通信产品、接口和隔离、MEMS和传感器、电源和散热管理、处理器和DSP、RF和IF ICs、开关和多路复用器等等。50专业课堂51专业课堂ADXL345ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高（13位），测量范围达16g。数字输出数据位16位二进制补码格式，可通过SPI或I2C数字接口访问52专业课堂53专业课堂54专业课堂55专业课堂ADIS16405内置一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计（还有一个三轴磁强计），体积小，便于安装和携带。三轴数字加速度计测量范围 ：18 g；三轴数字陀螺仪，数字范围调整设置： 75/秒、150/秒、300/秒56专业课堂
13、ax、ay、az和gx、gy、gz57专业课堂功能框图58专业课堂59专业课堂SPI和I2CSPI （Serial Peripheral Interface）串行外设接口，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入）、SDO（数据输出）、SCLK（时钟）、CS（片选）。60专业课堂I2C （InterIntegrated Circuit）是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。是微电子通信控制领域广泛采
14、用的一种总线标准。通过串行数据（SDA）线和串行时钟 （SCL）线在连接到总线的器件间传递信息。61专业课堂62专业课堂ADXL345模块实物模块实物63专业课堂特点：不受外界影响，不存在象声学传感器、光学传感器受遮挡或环境噪音影响，或象电磁传感器受金属影响，精度高，如 1 动态条件下所有方向，采样速率快达数每秒几百至1000次，适合高动态运动，因为是高度集成芯片模块，尺寸很小、重量很轻，数据传输方便、简单。可广泛应用于：机器人、动作捕捉、定位和稳定、人员导航和跟踪、医疗监测、无人机/陆地/水下车辆导航、教育和表演艺术、游戏及运动控制、虚拟现实技术和人体仿真。64专业课堂运动监测仪系统65专业课堂5166专业课堂43067专业课堂68专业课堂前景与总结到目前为止，人体运动捕捉仍然是国内外的热点研究问题，现有的方法、技术在不同程度上存在一定的局限和不足，因此从不同的科学角度和不同的应用领域，尚有进一步提高的空间。运动捕捉技术经过近40年的发展，已在许多研究领域得到了应用，如表演动画、体育训练与教学、影视和游戏、人体生物力学等。 本文总结了运动捕捉的几种技术特点应用，还是不完全的综述，需要再继续总结。69专业课堂谢 谢70专业课堂
