專利名稱：運動捕捉設備及相關方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種運動捕捉設備及相關的運動捕捉方法。本發(fā)明還 涉及一種運動再現(xiàn)設備及相關的運動再現(xiàn)方法。
背景技術：
用于捕捉結(jié)構運動的設備是一種用于測量通過處理能夠描述該結(jié) 構運動的量的設備。例如，該結(jié)構可以是移動或不移動的人或機器人。人體運動的捕捉是一種廣泛用于許多應用的技術，例如生物力學 分析、遙控操作、角色動畫、生物工程學，等等。運動捕捉設備的第一種類由包括兩個不同部分的設備組成，其中 將該設備的第一部分放置在移動物體上并且相對于所述物體的移動而 固定該設備的第二部分。在該第一種類中，主要具有光學系統(tǒng)、電磁 系統(tǒng)和超聲系統(tǒng)。這些設備在精度方面有效。然而，這些設備的確具 有一些缺點。因此，必須既在物體上又在物體所在的環(huán)境中安裝設備。在所有情況下，這些系統(tǒng)具有短量程(與物理源的范圍保持一致)和 相當長的安裝與校準階段。它們的成本也非常高。目前可能最多使用的該技術是基于光學，例如在專利申請US 2003/0215130 Al和US 2005/00883333 Al中所描述的。這些系統(tǒng)使通 過位于發(fā)生動作的場景周圍的照相機拍攝的圖像來重建身體的移動成 為可能。將對于照相機高度可視的標識點設置在移動物體上。通過立 體視學原理的處理提供每個標識點的3D (3D代表"三維")位置。 盡管如此，光學閉塞的問題很多，這使使用的照相機的最小數(shù)量很高。 有些創(chuàng)造者提出減少這種類型的缺點，例如在標題為"Skeleton-Based Motion Capture for Robust Reconstruction of Human Motion (用于人體 運動的機器人重建的基于骨架的運動捕捉)"(L. Herda; P. Fua; R . Plankers; R. Boulic; D. Thalmann， Computer Graph Lab (LIG) , EPFL-web 01 / 2000)的文章中有所描述。其它創(chuàng)造者建議基于輪廓的處理 方法，該輪廓通過將其與移動物體的模型相關而從單個照相機提取(參 照 "Marker-free Kinematic Skeleton Estimation from Sequences of Volume Data (來自體積數(shù)據(jù)序列的免標識點的運動學骨架估計)"C. Theobalt; E. Aguiar; M.Magnor; H. Theisel; H-P. Seidel; MP Informatik)。基于電磁學的系統(tǒng)重建設置在物體上的傳感器的角度和位置。與光學系統(tǒng)類似，超聲系統(tǒng)找到發(fā)射者的位置。這兩種技術與基 于照相機的技術一樣在空間上受到相同的限制。設備的第二種類涉及設置在移動物體上的單個單元形式的設備。 這是具有外骨骼設備的情況。這些設備使免于捕捉體積的限制成為可 能，但是由于它們由設置在結(jié)構或人體上的機械鉸接臂組成，所以這 些設備是受限的。移動的重建使用鉸接組件的段之間的角度測量值， 而不是位置測量值。近期，基于相當舊的原理(慣性單元原理)的系統(tǒng)在小于傳統(tǒng)規(guī) 模的規(guī)模上看到了曙光，特別是側(cè)面為幾厘米級別的規(guī)模(參照專利 US 6 162 191)。將這些由角速度傳感器(陀螺測試儀)組成的設備置 于移動物體或移動人體上。假如對引起漂移的測量值進行數(shù)學積分一 次，則角速度傳感器提供旋轉(zhuǎn)段的角度。加速度計乃至磁力計有時與 陀螺測試儀相結(jié)合，從而只要移動減慢，其基于地磁和引力場的測量 值就會重置方位的估計，從而抵消漂移。然而，如果保持加速度，則 由于不再發(fā)生重置，所以快速移動的捕捉就會出現(xiàn)問題。另外，陀螺 測試儀是一直難于使用、相當昂貴并且還對加速度具有一定靈敏度的 傳感器。另一種方案(參照專利US 6 820 025)由與鉸接的段并列且包括 用于重建移動的陀螺測試儀的角度傳感器組成。法國專利申請FR 2 838 185描述了一種用于捕捉在參照系內(nèi)移動 的固體方位的設備。該運動捕捉設備由置于該固體上的軸向或矢量傳 感器產(chǎn)生的測量值而提供由該參照系中固體的移動參照系給出的至少 一個方位角「所使用的傳感器優(yōu)選地為磁力計和加速度計。因而，在測量值M、參照系中表示的引力場G、參照系中表示的磁場H和方位角e之間存在著等式(1):M = ，,G，7/) (1)因而，將分別由加速度計和磁力計產(chǎn)生的物理量的測量值M建模 為函數(shù)F，所述函數(shù)代表相對于固體在其中移動的參照系，依附于該 固體的參照系的旋轉(zhuǎn)氣通過下面的等式(2)，由等式(1)得到方位角P:0 =廠' (7,//) (2)如果運動被加速，則新的等式(3)描述該系統(tǒng)，艮P:M = ，,a,G,//) (3)然后，未知數(shù)0和未知數(shù)a形成了高維空間，其以實用的方式阻止 了函數(shù)F的倒置。因此，不可能從等式(3)求解未知數(shù)e和未知數(shù)a。 因此，如果沒有附加信息，在移動物體加速時或至少在移動物體的加 速度不能被忽略時，該設備不允許方位角度的測量。這表現(xiàn)為缺點。本發(fā)明不具有上述設備的缺點。發(fā)明內(nèi)容這是因為本發(fā)明涉及一種用于捕捉結(jié)構的運動的設備，所述結(jié)構 由N個連續(xù)的固體段組成，所述固體段從第1級的段直到第N級的段 彼此鉸接，N為大于或等于2的整數(shù)，所述第n (n=2，， N)級的 段在鉸接點P。處與所述n-l級的段鉸接，其特征在于，所述運動捕捉 設備包括提供信息的第一裝置，所述信息能夠在連續(xù)的時刻f/咴復參照系 中所述第1級的段上的點的絕對加速度矢量5,，其中k為大于或等于1 的整數(shù)，第二測量裝置，其固定于所述第1級的段并且在每個時刻"提供 代表所述參照系中所述第1級的段的方位矢量^的測量值，以及輔助測量裝置，其固定于11(11=2，， N)級中的每個段并且在 每個時刻"提供代表所述第n級的段的方位矢量l的測量值。根據(jù)本發(fā)明的輔助特征，所述第二測量裝置和所述輔助測量裝置 由加速度計和提供統(tǒng)一物理場的測量值的傳感器組成，所述統(tǒng)一物理 場存在于所述結(jié)構在其中移動的空間中，并且該統(tǒng)一物理場具有在所 述參照系中的已知方向。根據(jù)本發(fā)明的另一輔助特征，所述第二測量裝置和所述輔助測量 裝置進一步包括至少一個陀螺測試軸。根據(jù)本發(fā)明的再一輔助特征，所述提供在所述參照系中的己知方 向的統(tǒng)一物理場的測量值的傳感器為磁力計。根據(jù)本發(fā)明的又一輔助特征，所述提供在所述參照系中的已知方 向的統(tǒng)一物理場的測量值的傳感器為光電單元。根據(jù)本發(fā)明的再一輔助特征，所述第一裝置由速度測量儀組成， 以使得所述能夠恢復所述第1級的段上的點的絕對加速度矢量的信息 為所述點的速度。根據(jù)本發(fā)明的再一輔助特征，所述第一裝置由位置測量儀組成， 以使得所述能夠恢復所述第1級的段上的點的絕對加速度矢量的信息 為所述點的位置。本發(fā)明還涉及一種用于再現(xiàn)結(jié)構的運動的設備，所述結(jié)構由N個 連續(xù)的固體段組成，所述固體段從第1級的段到第N級的段相對彼此 地鉸接，N為大于或等于2的整數(shù)，所述第n(n-2，…，N)級的段 在鉸接點P。處與所述第n-l級的段鉸接，其特征在于，所述設備包括根據(jù)本發(fā)明的運動捕捉設備，其中第n級的段的所述輔助測量裝 置位于所述鉸接點Pn附近，以使得可以將用于將所述第n級的段的輔助測量裝置與所述鉸接點Pn分離的距離認為是O，以及計算裝置，其在每個時刻^處執(zhí)行a) 通過由所述第一裝置提供的信息計算所述參照系中的所述絕對 加速度矢量5，，b) 通過所述絕對加速度矢量5,和代表所述第1級的段的所述方位 矢量(^)的所述測量值計算在所述參照系中所述第1級的段的方位 矢量^ ;C)通過下列等式計算所述參照系中所述鉸接點Pn的加速度矢量5,,(""):i乂其中，；=41)/力，L為從所述鉸接點Pn.,指向所述鉸接點Pn的 矢量并且其模數(shù)具有將所述鉸接點Pn與所述鉸接點p^分離的距離的 值，以及d)通過所述加速度矢量《和代表所述第n級的段的所述方位的所 述測量值計算所述第n級的段的所述方位矢量^ (w22)。本發(fā)明還涉及一種用于再現(xiàn)結(jié)構的運動的設備，所述結(jié)構由N個 連續(xù)的固體段組成，所述固體段從第1級的段到第N級的段相對彼此 地鉸接，N為大于或等于2的整數(shù)，所述第11(11=2，…，N)級的段 在鉸接點、處與所述第n-l級的段鉸接，其特征在于，所述設備包括:根據(jù)本發(fā)明的運動捕捉設備，其中所述第n級的段的輔助測量裝置遠離所述鉸接點Pn，以及計算裝置，其在每個時刻^處執(zhí)行a) 通過由所述第一裝置提供的所述信息計算在所述參照系中的所 述絕對加速度矢量5,，b) 通過所述絕對加速度矢量5,和代表所述第1級的段的所述方位 矢量^的測量值計算在所述參照系中所述第1級的段的所述方位矢量 《；c) 通過下列等式計算在所述參照系中所述鉸接點pn的加速度矢 量5("^2):其中，；=^^)/&， L為從所述鉸接點p^指向所述鉸接點Pn的 矢量并且其模數(shù)具有將所述鉸接點Pn與所述鉸接點p^分離的距離的 值，以及，d)通過所述加速度矢量5 、代表所述n級的段的方位的測量值(Mn)以及在先于所述時刻r,的至少兩個時刻處所述第n級的段的所 述方位矢量，計算所述方位矢量^ ("》2)和固定在所述第n級的段上的所述輔助測量裝置的所述測量點的加速度矢量L，使得^為:其中，^為從所述鉸接點Pn指向所述n級的段的所述輔助測量裝 置的矢量并且其模數(shù)基本上等于將所述鉸接點Pn與所述第n級的段的所述輔助測量裝置分離的距離。根據(jù)本發(fā)明的附加特征，射頻傳輸裝置將代表由所述第一測量裝 置和所述第二測量裝置提供的基本電信號傳輸?shù)剿鲇嬎阊b置。根據(jù)本發(fā)明的另一附加特征，所述射頻傳輸裝置包括接收所述基 本電信號并且將代表該基本電信號的電信號轉(zhuǎn)發(fā)到所述計算裝置的中間單元。根據(jù)本發(fā)明的再一附加特征，存儲裝置存儲由所述第一測量裝置 和所述第二測量裝置提供的測量值。根據(jù)本發(fā)明的又一附加特征，所述存儲裝置位于所述結(jié)構上。本發(fā)明還涉及根據(jù)獨立權利要求14所述的運動捕捉方法， 根據(jù)獨立權利要求18所述的運動再現(xiàn)方法，以及 根據(jù)獨立權利要求19所述的運動再現(xiàn)方法。根據(jù)本發(fā)明的基本測量設備由兩種類型的傳感器組成，其中的一 種為加速度計。優(yōu)選地，通過用于捕捉固體旋轉(zhuǎn)運動的設備產(chǎn)生基本測量設備， 如在本申請人于2002年4月5日遞交的公開號為FR2 838 185的法國 專利申請中描述的。因此，基本測量設備由一對(加速度計，傳感器 X)組成。傳感器X表示提供統(tǒng)一物理場的測量值的任意傳感器，所述物理 場存在于移動物體移動的空間中，該物理場的方向在參照系中是已知 的或在參照位置處被測量。涉及傳感器X的唯一約束是，首先傳感器 一定不對加速度敏感，并且其次，測量的物理場的方向與垂直的不同。 因此，傳感器X可以是用于測量地球磁場方向的磁力計。傳感器X還 可以是光電單元，其測量到達該單元的光強度。例如，如果光源是太陽，并且測量光強度時，日期、時間、經(jīng)度和緯度是已知的，則絕對 參照系中日光光線的入射角是可以預測的，并且因此，根據(jù)該設備相 對于所述日光光線的方向產(chǎn)生的角度來調(diào)整該測量。因此，這也是測量角度的另一種方式。傳感器x還可以由一個或多個用于輔助加速度計測量的陀螺測試軸組成。第一裝置可以由本地測量系統(tǒng)執(zhí)行，所述第一裝置提供能夠恢復 所述第1級的段上的點的絕對加速度矢量5,的信息。如果裝置不可用 于補償重力加速度，則簡單的加速度計是不適當?shù)摹Ｔ谌梭w移動測量 的具體情況中，本地測量系統(tǒng)可以有利地放置于人體的重力中心或其 附近(例如，置于腰部)。例如，本地測量系統(tǒng)可以是結(jié)合有微分電路的GPS類型(GPS代 表"全球定位系統(tǒng)")的設備。該GPS設備通過對位置數(shù)據(jù)求兩次微 分，能夠隨時了解攜帶其和微分電路的元件的位置，確定地理參照系 中的絕對加速度。本地測量系統(tǒng)也可以通過結(jié)合有微分電路的射頻定位設備執(zhí)行。 射頻定位設備需要使用指向標(ULB雷達(ULB代表超大帶寬)， 光學指向標，等等)。因此，射頻定位設備會使本地測量系統(tǒng)的自主 特性丟失。然而，他們確實證明了在首先定位指向標的場地(enclosure) 中跟隨移動時使用他們是非常有利的。使用射頻系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)傳輸 和位置測量的雙重優(yōu)勢(特別是使用ULB設備的情況下)。正如在 GPS設備的情況下，為了獲得加速度測量值，對由射頻定位設備提供 的位置測量值進行兩次微分。導向的壓力測量(管)直接與空氣中的體速度相關。因此，可能 沿三個軸確定壓力測量儀固定于其上的段的速度矢量。通過對該速度 測量值進行一次微分，獲得加速度。有利地，該運動捕捉設備相對于移動結(jié)構的層次結(jié)構可以是"動 態(tài)的"。例如，在具有人的特點的結(jié)構的情況下(人或機器人)，這 意味著可以將本地測量系統(tǒng)或系統(tǒng)ML置于腳、手、腰等處，或任意 其它可以被當作剛性成分的人體部分。在本發(fā)明的其它實施例中，提供信息的第一裝置不是測量裝置，該信息能夠恢復所述第1級的段上的點的絕對加速度矢量5，。其中公 知的是，該段上的點在參照系中是固定的，事實上，不需要對這一段 進行加速度測量。然后，可以將這一段有利地選擇為第1級的段。因 此，例如，提供能夠恢復所述第1級的段上的點的絕對加速度矢量5,的 信息的第一裝置可以是存儲裝置，所述存儲裝置掌握在所述參照系中 所述第1級的段上的點所占用的固定位置。在剩余的描述中，通過不限定的實例，提供能夠恢復所述第1級 段的上的點的絕對加速度矢量5,的信息的所述第一裝置是固定于所述 第1級的段的測量裝置ML。認為該測量裝置ML疊加在也固定于所 述第1級的段的第二測量裝置MD1上。在更普通的情況下，測量裝置 ML和MD,彼此遠離，可以隨后將測量裝置ML當作位于所述第1級 的段和第0級的段之間的虛擬鉸接點。測量裝置MD能夠表現(xiàn)空閑狀態(tài)的特性。于是，由設備MD提供 的信號的變化低于閾值。 一旦在一個點處檢測到空閑狀態(tài)，則該點在 固定的參照系中極有可能是靜止的(這是因為，盡管統(tǒng)一的直線運動 與靜止狀態(tài)給出相同的結(jié)果，但這樣的運動是不可能的并且難以保 持)。在檢測到靜止的情況下，該結(jié)構的加速度為0并且能夠檢測到 該靜止狀態(tài)。然而有一些情況，其中鉸接在特定的移動中是靜止的。例如，行 走中，每只腳交替短暫地處于靜止的情況。在這種情況下，應用本發(fā) 明的方法以使得所述第1級的段交替地為右腳或左腳。在剩余的描述中，本發(fā)明將描述鉸接結(jié)構的移動的捕捉和再現(xiàn)， 所述鉸接結(jié)構由一連串的段組成。然而，很清楚，本發(fā)明還可以應用 于任意形式的任意非鉸接的固體(于是，可以認為這是所述鉸接結(jié)構 的所述第l級的段)，或應用于由幾組鉸接段組成的復雜鉸接結(jié)構。


在參照附圖對給出的優(yōu)選實施例的解釋中，本發(fā)明的其它特征和 優(yōu)點將變得明顯，其中圖1象征性地描述了與本發(fā)明的運動捕捉設備相關的鉸接結(jié)構的實例；圖2描述了在具有四個鉸接段的結(jié)構的情況下根據(jù)本發(fā)明的運動 捕捉設備的實例；圖3描述了設置有根據(jù)本發(fā)明的運動捕捉設備的兩個連續(xù)的鉸接段；圖4A描述了在本發(fā)明的上下文中使用的測量處理方法的特定情 況的基本步驟；圖4B描述了普通情況下在本發(fā)明的上下文中使用的測量處理方 法的基本步驟；圖5A描述了圖4A中所示的測量處理方法的主要步驟的詳細流程圖；圖5B描述了圖4B中所示的測量處理方法的主要步驟的詳細流程圖；圖6A象征性地示出了在上述的特定情況中為具有五個鉸接段的 結(jié)構的不同段獲得的加速度和方位數(shù)據(jù)隨時間的變化；圖6B示出了在所述普通情況下為具有鉸接段的結(jié)構的不同段獲 得的加速度和方位數(shù)據(jù)的逐步計算結(jié)果；圖7A和圖7B描述了根據(jù)本發(fā)明的運動再現(xiàn)設備的兩個實施例。在所有附圖中，相同的附圖標記代表相同的組件。
具體實施方式
圖1描述了與本發(fā)明的運動捕捉設備相關的鉸接結(jié)構的實例； 將例如人體或具有人的特點的機器人的結(jié)構分解為一組段，所述 一組段是許多彼此鉸接的固體組成部分。因而，將所有段分解為頭段 TE，頸段C， 一組軀干段T1、 T2、 T3， 一組左臂段BG1、 BG2、 BG3、 BG4， 一組右臂段BD1、 BD2、 BD3、 BD4， 一組左腿段JG1、 JG2、 JG3、 JG4、 JG5和一組右腿段JD1、 JD2、 JD3、 JD4、 JD5。圖2描述了設置有根據(jù)本發(fā)明的運動捕捉設備的鉸接結(jié)構。例如， 該結(jié)構是由分布在從肩膀到手的范圍內(nèi)的四個鉸接段B,、 B2、 B3、 B4 組成的機器人臂。B,段設置有本地測量系統(tǒng)ML和基本方位測量設備MD,。基本方 位測量設備MD，遠離本地測量系統(tǒng)ML。本地測量系統(tǒng)ML的固定點 和基本方位測量設備MD,的固定點定義了模數(shù)為D,的矢量^，該矢 量從ML指向MD,。正如先前提到的，當固定第1級的段上的點時， 該本地測量系統(tǒng)ML是不必要的，因為隨后已知參照系中該點的加速 度為0。每個段Bn (n=2， 3， 4)都設置有鉸接點Pn，相鄰段B^在該鉸 接點處鉸接。將基本方位測量設備MDn置于每個段Bn上。該基本方 位測量設備MDn的固定點遠離鉸接點Pn，該基本方位測量設備MDn的固定點與鉸接點Pn定義模數(shù)為Dn的矢量^，該矢量從Pn指向MDn。 本發(fā)明的運動再現(xiàn)設備的功能是通過對第一段B,加速度和方位 的了解而逐步估計不同段的連續(xù)鉸接點的加速度以及不同段彼此之間 的角度。在下面圖表和論述中，n為段的屬種索引或秩，k為屬種時間增量 索弓l，A為在固定參照系中第n級的段的鉸接點Pn的加速度，并且《為 固定參照系中第n級的段的三維方位(3D方位)。為了方便起見，加 速度A和方位《在該專利申請中通常以標量形式表示。然而，必須注 意的是，所有這些量在參照系中為三維矢量。圖3描述了配備有本發(fā)明的運動捕捉設備的移動結(jié)構的詳細視圖。段Sn在鉸接點Pn處與段S^鉸接。將段Sn的長度看作距離U， 所述距離U將鉸接點PnW與鉸接點Pn分離。同樣，將段S^的長度看 作距離L^，所述距離L^將鉸接點Pn與鉸接點P^分離。鉸接點Pn., 和Pn定義從P^指向Pn的矢量L，并且其模數(shù)等于分離鉸接點Pn和 Pn.,的距離。鉸接點Pn具有加速度 并且鉸接點Pn_,具有加速度l,。第n級的段和第n-l級的段上各自的設備MD。和MDn.,的測量點具有各自的加速度6 和" _,。在剩余的描述中，首先將介紹本發(fā)明的特定情況，其中矢量&是可以忽略的(于是，可以認為矢量&是o矢量)，并且隨后將介紹本發(fā)明的普通情況，其中矢量3"是不能忽略的。圖4A描述了根據(jù)本發(fā)明的特定情況，即矢量&為0的情況，確定量an和&的普遍原理。通過鉸接點P^的加速度"n-'、代表第n-l級 的段的矢量L-'和代表第n-l級的段的3D方位矢量的矢量^—,，計算 鉸接點Pn的加速度二。其根據(jù)運動合成法則為<formula>formula see original document page 19</formula>其中符號a代表"矢積"運算符，并且加速度；為已知的量，然后可以基于等式(5)計算方位《<formula>formula see original document page 19</formula>其中Mn代表位于第n級的段上的基本測量設備MDn提供的測量值，G和H為在第n級的段處分別在參照系中測量的引力場和磁場。 等式(5)本身是已知等式，其對應于前面給出的等式(2)。 圖4B描述了普通情況下在本發(fā)明的上下文中使用的測量處理方法的基本步驟。在普通情況下，將有關設備MDn測量點的加速度^和 ^的等式寫為并且<formula>formula see original document page 19</formula>或者又寫為<formula>formula see original document page 19</formula>
然后，可以將量WO寫為如下形式然后，如先前在上述的特定情況下那樣，通過等式(4)計算矢量 接下來，在時刻^，使用等式(6)計算矢量^和《其中，函數(shù)L是組合函數(shù)F和函數(shù)K的函數(shù)ma)-f(L(ug，//，^(0)=+(二 (O,)," ), g,//,"))=i(; ("，g，//,"》； (,j 圖5a描述了圖4a中描述的測量處理方法的基本步驟的詳細流程圖。圖5a中描述的處理單元詳述了量""(")和《("的計算，其在時刻"與第n級的段關聯(lián)。通過下列的測量值或計算數(shù)據(jù)來確定第n級的段 的量""(0和《(0:為三個不同的時刻"、"、/"2計算涉及第n-l級的段的加速度""(")、,("-,)和a-,(U，并且由測量設備MD^在兩個不同時刻l和"提供的測量值Mn—和H)，在時刻《計算的第n-l級的段的方位《-'("，以及 由基本測量設備MDn在時刻^提供的測量值a/。("。 將量" —U和m"—,(")應用于算子2，其使用等式(5)并且提供 方位lA-2)。同樣，將量^,(/",)和^d)應用于算子2，其使用等式 (5)并且提供方位《Wi)。 定義時間信息間隔^2，為 ，接下來，將量^-' 2)和I)以及時間信息間隔嶼應用于用來計算量n)的微分算子DIFF:= 《d)/a,21 。然后，計算量i(O和^Km("V^ :通過微分算子DIFF計算量""-"":w*，10，其中n)是前面計算過的量，《—""是已知的(先前計算過)，且a,'。并且通過微分算子DIFF計算量"(w"-'("))W:爭"—'(OW =H)H))/Afl0 ，其中w"一(f"')和w》是前面計算過的量，并且 ="-、然后，將量""-'("、'("和^v^))^應用于算子1，其使用等式(4 )并且提供量""^)。然后，將計算的量""("與已知的測量值M"(" 應用于算子2，其使用等式(5)并且提供方位量e"("。通過本發(fā)明的鉸接運動捕捉設備獲得的測量值的處理可以為移 動結(jié)構的每個段確定其在鉸接點處的加速度以及其在參照系中的方 位。然后，可能描述例如在屏幕上該結(jié)構的運動。如參考圖5A清楚示出的，除了其它的以外，由與在先前時刻"和/,_2的第n-l級的段相關的信息而推導出在時刻"處第n級的段的一對 值k")A(/』的確定。因此，顯然地，并非所有涉及結(jié)構的全部段的加 速度和方位數(shù)據(jù)都可以由第一測量值得知。因此，在能夠全面再現(xiàn)鉸接運動之前，必須獲得一定數(shù)量的測量值。圖5B描述了圖4B中描述的測量處理方法的主要步驟的詳細流程圖。除了參考圖5A提及的數(shù)據(jù)之外，對于時刻^,和^處的第n級的 ，，這里還由計算的方位^("-1)和A(^2)來確定與第n級的段相關的量""和")。然后，將量""-'l"、 H》、U")和M"-"-》應用于算子2，其 使用等式(6)并且提供方位《W。。同樣，將量""-'l') 、 UU 、 和K—'(")應用于算子2，其使用等式(6)并且提供方位U^)。然后，將量""-'")、^("和"K-A)V^應用于算子l，其使用等 式(4)并且提供量""^)。然后，將在時刻^前的兩個時刻估計的方位 《l')和《("-2)、計算的量""(")和已知的測量樣本^("應用于算子2， 其使用等式(6)，其中前面通過算子DIFF給出過^^)和^^"&):21其中，然后，算子2提供方位量《(《)。通過本發(fā)明的鉸接運動捕捉設備獲得的測量值的處理可以為移動 結(jié)構的每個段確定其在鉸接點處的加速度和其在參照系中的方位。然 后，可能描述例如在屏幕上該結(jié)構的運動。例如，如參考圖5A清楚示出的，除了別的以外，由與在先前時刻"一,和"處第n-l級的段相關的信息，可以推導出在時刻^處第n級的段的一對值k(")，《("]的確定。因此，顯然地，并非與該結(jié)構的所有 段相關的加速度和方位數(shù)據(jù)都可以由第一測量值得知。因此，在能夠全面再現(xiàn)鉸接運動之前，必須獲得一定數(shù)量的測量值。同樣，在不認為矢量^為0的普通情況下，為了初始化該方法， 必須知道第n級的段的兩個先前連續(xù)的方位。例如，當該段穩(wěn)定時， 可以使用專利申請FR 2 838 185中描述的方法獲得這些方位。另一方 面，如前所示，在代表第n級的段方位的測量裝置足夠接近鉸接點Pn 的情況下，沒有必要知道該第n級的段的兩個先前連續(xù)的方位并且可 以簡化該方法。圖6A象征性地舉例說明了在特定情況下，即將矢量5"看作為0 的情況下，對于具有五個鉸接段的結(jié)構的不同段獲得的加速度和方位 數(shù)據(jù)隨時間的變化。在圖6A中，橫軸代表構成該結(jié)構的段的級n，并且縱軸代表連續(xù) 測量時刻^。級n和時刻"的交叉點處指示在時刻々處對于第n級的段 的已知量(加速度和方位)。這些量由測量數(shù)據(jù)和/或從測量數(shù)據(jù)推導 出來的數(shù)據(jù)組成。為了使圖6A不過于復雜，由符號^代表量^"/力，并且由符號^ 代表量^e"^2。另外還給出匈,"'2(") = n,。在時刻/,，與該段相關的唯一已知量為 "'(O，,這些數(shù)據(jù)當然不足以描述該結(jié)構的運動。 在時刻/2，與第1級到第5級的段相關的已知量為 W》，他)，MW2)這些數(shù)據(jù)還不足以描述該結(jié)構的運動。 在時刻/3，與該段相關的已知量為化)，這些數(shù)據(jù)還不足以描述該結(jié)構的運動。 在時刻"，已知量為這些數(shù)據(jù)還不足以描述該結(jié)構的運動。在時刻^，已知量為《)，他)，M,5),《",2(/5) 魂)A(O辨/鄉(xiāng)5) ^2/^2("這些數(shù)據(jù)還不足以描述該結(jié)構的運動。在時刻。與第l級到第5級的段相關的己知量分別為:"2("，,，辨/竭，^2/我)， "3("，,，辨/魂)。這些數(shù)據(jù)還不足以描述該結(jié)構的運動。在時刻,7，與第1級到第5級的段相關的已知量分別為:化)，,。這些數(shù)據(jù)還不足以描述該結(jié)構的運動。在時刻/8，已知量為:《)，他)，"2("，W8)，"3(")，,，W3",2(/8),，辨/化)在時刻^，已知量為《)，,，。2(,9)，,，(f2《/^2(/9),，W3",2(,9)，，,，辨/鄉(xiāng)9)，。5")，,。這些數(shù)據(jù)可能完整地描述該結(jié)構的運動。如果對后來的時刻r,。和^繼續(xù)給出表示，則為在時刻6。，與第1級到第5級的段相關的己知量分別為鳴)，W10)，辨W,o)， W《/^2(/10)，Wm)， W,O)，辨/,0)，匈力2"。)， "5"。)， g(,U))， ^《；并且在時刻,'，，與第l級到第5級的段相關的已知量分別為:",(。，帆)，"2(。，帆)，辨/,')，《)，f/2《/^2(。，""。，帆)，辨/雄,)，帆)，c^/c^/,,)。只要五個段(n=5)的加速度和方位己知，即從時刻,9開始，就可 以完整地定義具有五段的結(jié)構的鉸接運動。同樣發(fā)現(xiàn)，例如對于有三 個段(n=3)的結(jié)構，從時刻,5開始該三個段的加速度和方位己知。因此，可能在整數(shù)n和整數(shù)k之間確定一種關系，所述關系解釋 了運動捕捉設備正確工作的事實，即為結(jié)構的所有段提供必要的加速 度和方位信息。這種關系可以寫為A > 2rt — 2圖6B舉例說明了在普通情況下，對具有鉸接段的結(jié)構的不同段 獲得的加速度和方位數(shù)據(jù)的逐步計算結(jié)果。下面描述了前三個段的加 速度和方位數(shù)據(jù)的計算。第一段的情況第一步，使用測量值a,(O和M(O，其分別對應于對第1段測量(或 計算)(通過第一測量裝置ML)的加速度和由第二測量裝置(MD》提供的測量值。還利用了在先前時刻(^和"_2)給出(或計算)的第 一段的方位《(^i)和《("-2)。通過這四項信息，可能計算在時刻々處第1段的方位《("。第二步，使用對第l段測量(或計算)(通過第一測量裝置ML) 的加速度A(O，以及在先前步驟計算的第一段的方位《(")和先前時刻,和")給出(或計算)的《^-')和《(")。使用這些量，可以計算 鉸接P2處的加速度。A)。第二段的情況第一步，在時刻々使用在先前步驟計算的加速度^(")和第二段的 測量裝置MD2的測量值M,")。還利用先前時刻(t,和《—2)給出(或 計算)的第二段的方位《(")和《("-2)。通過這四項信息，可能計算在時刻"處第1段的方位《(0。 第二步，使用對第一段在第二步計算的加速度。2(0，以及在先前 步驟計算的第二段的方位《("和先前時刻("_，和"_2)給出(或計算) 的W")和《("-2)。使用這些量，可以計算鉸接P3處的加速度W"。第三段的情況執(zhí)行與第二段相同的兩個步驟，用索引4取代索引3，用索引3 取代索引2并且用索引2取代索引1。這將繼續(xù)直到第N段執(zhí)行與第二段相同的兩個步驟，用索引 N+l取代索引3，用索引N取代索引2并且用索引N-1取代索引1。在考慮過所有段之后，等待之后的時刻"以重新開始。在普通情況下，值得注意的是，為了知道段在時刻^處的估計加 速度，必須知道該同一段在先前兩個時刻^和"_2處的加速度。因此， 對于第一計算時刻，必須初始化在先前時刻的加速度值。出于這個目 的，例如，可能進行靜態(tài)測量，加速度對于所述靜態(tài)測量很低并且可 能因此被忽略；然后，隨后可以如在專利申請FR 2 838 185中所述的 那樣計算角度。還可能使用其它裝置初始化該角度(角度編碼器，設 置于應力初始位置，等等)。圖7A和圖7B描述了根據(jù)本發(fā)明的運動再現(xiàn)設備的兩個實施例。 以矩形象征性地代表由n個鉸接段組成的結(jié)構S。該結(jié)構S，例如為 人和機器人，設置有一組設備MDi (i=l， 2，……，n)和一組本地測量系統(tǒng)MLj (j=l， 2，……，m)。如前所述，設備MDj和系統(tǒng)MLj 分布于結(jié)構上。同樣如前所述，盡管圖7A和圖7B示出了 m個本地 測量系統(tǒng)，但是本地測量的單個系統(tǒng)也能夠滿足來執(zhí)行本發(fā)明。在第一實施例(圖7A)中，設備MDj提供的測量值和本地測量 系統(tǒng)MLj提供的測量值通過各自的射頻信號RDj和RLj傳輸?shù)接嬎阆?統(tǒng)3，例如計算機。然后，運動再現(xiàn)設備包括射頻傳輸裝置。計算系 統(tǒng)3設置有用于接收信號RDi和RLj的接收天線R。計算系統(tǒng)3還接 收參照系中本地引力場的G值、參照系中本地磁場的H值和代表不同 段的不同矢量L (i=l， 2，……，n)的坐標以作為輸入?yún)?shù)。然后，計算系統(tǒng)3根據(jù)前面參考圖5和圖6所述的內(nèi)容執(zhí)行數(shù)據(jù) 處理。然后，顯示設備E，例如屏幕，顯示鉸接結(jié)構的運動。圖7B與圖7A的不同之處在于，射頻信號RDi和RLj不是直接傳 輸給計算系統(tǒng)3，而是傳輸給固定到結(jié)構S的中間單元DEM。然后， 該單元DEM將接收到的數(shù)據(jù)以射頻信號RF的形式傳輸給計算系統(tǒng)3。結(jié)構S上中間單元DEM的存在有利地使實施本發(fā)明的另一個實 施例成為可能。這是因為，在結(jié)構S移動為與計算系統(tǒng)3具有很大距 離的情況下，RF信號的范圍可能會變差。于是，置于中間單元DEM 中的存儲卡能夠記錄信號RDj和RLj。 一旦執(zhí)行了移動，則通過讀取 記錄在存儲卡上的數(shù)據(jù)，可以在測量的捕捉之后執(zhí)行數(shù)據(jù)處理。
權利要求
1.一種結(jié)構的運動捕捉設備，所述結(jié)構由N個連續(xù)的固體段組成，所述固體段從第1級的段到第N級的段相對彼此地鉸接，N為大于或等于2的整數(shù)，所述第n(n＝2，…，N)級的段在鉸接點Pn處與所述第n-1級的段鉸接，其特征在于，所述運動捕捉設備包括用于提供信息的第一裝置(ML)，所述信息能夠在連續(xù)的時刻tk恢復在形成參照的參照系中的所述第1級的段上的點的絕對加速度矢量 id="icf0001" file="A2007800095540002C1.tif" wi="5" he="4" top= "77" left = "29" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>其中k為大于或等于1的整數(shù)，第二測量裝置(MD1)，其固定于所述第1級的段并且在每個時刻tk提供代表所述參照系中所述第1級的段的方位矢量 id="icf0002" file="A2007800095540002C2.tif" wi="3" he="5" top= "92" left = "157" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>的測量值(M1)，以及輔助測量裝置(MDn)，其固定于第n(n＝2，…，N)級的每一個段并且在每個時刻tk提供代表所述第n級的段的方位矢量 id="icf0003" file="A2007800095540002C3.tif" wi="4" he="5" top= "116" left = "162" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>的測量值。
2. 根據(jù)權利要求1所述的運動捕捉設備，其中，所述第二測量裝 置(MD,)和所述輔助測量裝置(MDn)由加速度計和用于提供統(tǒng)一 物理場的測量值的傳感器組成，所述統(tǒng)一物理場存在于所述結(jié)構在其 中移動的空間中，并且具有所述參照系中的已知方向。
3. 根據(jù)權利要求2所述的運動捕捉設備，其中，所述第二測量裝 置(MD》和所述輔助測量裝置(MDn)進一步包括至少一個陀螺度 量軸。
4. 根據(jù)權利要求2或3所述的運動捕捉設備，其中，用于提供具 有所述參照系中的己知方向的統(tǒng)一物理場的測量值的傳感器為磁力 計。
5. 根據(jù)權利要求2或3所述的運動捕捉設備，其中，用于提供具 有所述參照系中的已知方向的統(tǒng)一物理場的測量值的傳感器為光電單元o
6. 根據(jù)前述權利要求中的任意一項所述的設備，其中，所述第一 裝置(ML)為由速度測量儀組成的測量裝置，以使得所述能夠恢復所 述第1級的段的絕對加速度矢量的數(shù)據(jù)項為所述點的速度。
7. 根據(jù)權利要求1到5中的任意一項所述的設備，其中所述第一 裝置(ML)為由位置測量儀組成的測量裝置，以使得所述能夠恢復所 述第1級的段上的點的絕對加速度矢量的數(shù)據(jù)項為所述點的位置。
8. —種用于再現(xiàn)結(jié)構的運動的設備，所述結(jié)構由N個連續(xù)的固 體段組成，所述固體段從第1級的段到第N級的段相對彼此地鉸接， N為大于或等于2的整數(shù)，所述第11(11=2，…，N)級的段在鉸接點 P。處與所述第n-1級的段鉸接，其特征在于，所述設備包括根據(jù)權利要求1到7中的任意一項所述的運動捕捉設備，其中所 述第n級的段的所述輔助測量裝置(MDn)位于所述鉸接點Pn附近， 以使得用于將第n級的段的輔助測量裝置(MDn)與所述鉸接點Pn分 離的距離被認為是0，以及計算裝置(3)，其在每個時刻^處執(zhí)行下述動作a) 根據(jù)由所述第一裝置提供的信息計算所述參照系中的所述絕對 加速度矢量5,，b) 根據(jù)所述絕對加速度矢量5,和代表所述第1級的段的所述方位 矢量(^)的所述測量值(Ml)計算在所述參照系中所述第1級的段 的方位矢量^;c) 根據(jù)下列等式計算所述參照系中所述鉸接點Pn的加速度矢量其中，二=^棒 )/^， L為從所述鉸接點Pn.，指向所述鉸接點Pn的 矢量并且其模數(shù)將用于將所述鉸接點Pn與所述鉸接點p^分離的距離 作為其值，以及d)根據(jù)所述加速度矢量5。和代表所述第n級的段的所述方位的所 述測量值(Mn)計算所述第n級的段的所述方位矢量^ (">2)。
9. 一種用于再現(xiàn)結(jié)構的運動的設備，所述結(jié)構由N個連續(xù)的固 體段組成，所述固體段從第1級的段到第N級的段相對彼此地鉸接， N為大于或等于2的整數(shù)，所述第11(11=2，…，N)級的段在鉸接點 P。處與所述第n-1級的段鉸接，其特征在于，所述設備包括根據(jù)權利要求1到7中的任意一項所述的運動捕捉設備，其中所 述第n級的段的輔助測量裝置(MDn)遠離所述鉸接點pn，以及計算裝置(3)，其在每個時刻々處執(zhí)行下述動作a) 根據(jù)由所述第一裝置提供的所述信息計算在所述參照系中的所 述絕對加速度矢量5,,b) 根據(jù)所述絕對加速度矢量5，和代表所述第1級的段的方位矢量 §'的測量值(Ml)計算在所述參照系中所述第1級的段的所述方位矢c) 根據(jù)下列等式計算在所述參照系中所述鉸接點pn的加速度矢 量5 ( "2 2):其中，；=^^ )/必，L為從所述鉸接點p^指向所述鉸接點pn的矢量并且其模數(shù)將用于將所述鉸接點Pn與所述鉸接點Pn.,分離的距離 作為其值，以及，d)根據(jù)所述加速度矢量3"、代表所述n級的段的方位的測量值(Mn)以及在先于所述時刻《的至少兩個時刻處所述第n級的段的所 述方位矢量，計算所述方位矢量5 ("^2)和固定在所述第n級的段 上的所述輔助測量裝置的所述測量點的加速度矢量6— ，使得6— 為<formula>formula see original document page 5</formula>其中，幾為從所述鉸接點pn指向所述n級的段的所述輔助測量裝 置的矢量并且其模數(shù)基本上等于用于將所述鉸接點Pn與所述第n級的段的所述輔助測量裝置分離的距離。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的運動再現(xiàn)設備，其中無線傳輸裝 置將代表由所述第一測量裝置(ML)和所述第二測量裝置(MDn)提 供的測量值的基本電信號(RDn， RLm)傳輸?shù)剿鲇嬎阊b置(3)。
11.根據(jù)權利要求IO所述的運動再現(xiàn)設備，其中所述傳輸裝置包 括接收所述基本電信號(RD,，， RDX， RL,，， RLy)并且將代表 基本電信號的電信號(RF)重傳到所述計算裝置(3)的中間單元 (DEM)。
12. 根據(jù)前述權利要求中的任意一項所述的設備，其中存儲裝置 存儲由所述第一測量裝置(ML)和所述第二測量裝置(MDn)提供的 測量值。
13. 根據(jù)權利要求12所述的設備，其中所述存儲裝置位于所述結(jié) 構上。
14. 一種捕捉結(jié)構的運動的方法，所述結(jié)構由N個連續(xù)的固體段 組成，所述固體段從第1級的段到第N級的段相對彼此地鉸接，N為 大于或等于2的整數(shù)，所述第11(11=2，…，N)級的段在鉸接點Pn處 與所述n-l級的段鉸接，其特征在于，所述方法包括至少一個確定信息項的步驟，所述信息項能夠在連續(xù)的時刻^恢 復參照系中所述第1級的段上的點的絕對加速度矢量5,，k為大于或等 于1的整數(shù)，至少一個測量步驟，在所述連續(xù)的時刻"的每一個時刻處測量代表所述參照系中所述第1級的段的方位矢量0,，以及至少一個輔助測量步驟，對于n級中的每一段，在所述連續(xù)的時 刻々的每一個時刻處輔助測量所述參照系中所述第n級的段的方位矢
15. 根據(jù)權利要求14所述的運動捕捉方法，其中所述代表所述參 照系中所述第1級的段的所述方位矢量^'的測量值以及所述代表所述 第n級的段的所述方位矢量《的測量值分別為對統(tǒng)一場的測量值，所 述統(tǒng)一場存在于所述結(jié)構在其中移動的所述空間中且具有所述參照系 中的已知方向。
16. 根據(jù)權利要求14或15所述的運動捕捉方法，其中所述能夠 恢復所述參照系中所述第1級的段上的點的絕對加速度矢量5,的信息 為所述參照系中所述點的速度。
17. 根據(jù)權利要求14或15所述的運動捕捉方法，其中所述能夠 恢復所述參照系中所述第1級的段上的點的絕對加速度矢量5,的信息 為所述參照系中所述點的位置。
18. —種用于再現(xiàn)結(jié)構的運動的方法，所述結(jié)構由N個連續(xù)的固 體段組成，所述固體段從第1級的段到第N級的段相對彼此地鉸接， N為大于或等于2的整數(shù)，所述第n (n=2，…，N)級的段在鉸接點 Pn處與所述第n-l級的段鉸接，其特征在于，所述方法使用根據(jù)權利要求14到17中的任意一項所述的運動捕捉方法，以及 在每個時刻"處的計算a) 根據(jù)能夠恢復絕對加速度矢量5,的測量值，計算所述參照系中 的所述絕對加速度矢量5，，b) 根據(jù)所述絕對加速度矢量3，和代表所述第1級的段的所述方位 矢量(^)的所述測量值(M》，計算所述參照系中所述第1級的段 的所述方位矢量^;C)根據(jù)下列等式，計算所述參照系中所述鉸接點Pn的加速度矢量<formula>formula see original document page 7</formula>其中，；=^1)/^/， L為從所述鉸接點Pn.,指向所述鉸接點Pn的 矢量并且其模數(shù)將用于將所述鉸接點Pn與所述鉸接點p^分離的距離作為其值，所述輔助測量值代表通過位于所述第n級的段上基本上位于所述鉸接點Pn處的固定測量裝置提供的所述方位矢量《；以及d)根據(jù)所述加速度矢量5。和代表所述第n級的段的所述方位的所 述測量值(Mn)，計算所述第n級的段的所述方位矢量《("22)。
19. 一種用于再現(xiàn)結(jié)構的運動的方法，所述結(jié)構由N個連續(xù)的固 體段組成，所述固體段從第1級的段到第N級的段相對彼此地鉸接， N為大于或等于2的整數(shù)，所述第n (n=2，…，N)級的段在鉸接點 Pn處與所述第n-l級的段鉸接，其特征在于，所述方法包括根據(jù)權利要求14到17中的任意一項所述的運動捕捉方法，以及在每個時刻々處的計算a) 根據(jù)由所述第一裝置提供的信息，計算在所述參照系中的所述 絕對加速度矢量5,，b) 根據(jù)所述絕對加速度矢量5，和代表所述第1級的段的所述方位 矢量(§')的測量值(M》，計算所述參照系中所述第1級的段的所 述方位矢量^;c) 根據(jù)下列等式，計算所述參照系中所述鉸接點Pn的加速度矢 量5 ( w》2 ) <formula>formula see original document page 7</formula>其中，；=4^ )/&， L為從所述鉸接點p^指向所述鉸接點pn的矢量并且其模數(shù)將用于將所述鉸接點Pn與所述鉸接點p^分離的距離 作為其值，以及d)根據(jù)所述加速度矢量&、代表所述第n級的段的所述方位的所t值(Mn)以及在先于所述時刻^的至少兩個時刻處所述第n級 的段的方位矢量，計算所述方位矢量^ ("》2)和固定在所述第n級 的段上的所述輔助測量裝置的所述測量點的加速度矢量&，使得&為其中，5 為從所述鉸接點Pn指向所述第n級的段的所述輔助測量裝置的矢量并且其模數(shù)基本上等于用于將所述鉸接點Pn與所述第n級的段的所述輔助測量裝置分離的距離。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于具有N個接合段的結(jié)構的運動捕捉設備，其特征在于，所述設備包括提供至少一條信息的第一裝置(ML)，所述信息在連續(xù)的時刻t_k給出對于參照系中第一級的段的點的絕對加速度矢量(公式I)，k為大于或等于1的整數(shù)，以及設置在其它段上的第二測量裝置(MD1，MDn)，所述第二測量裝置在每一個時刻t_k為所述第1級到第N級的每一個段提供代表所述參照系中所述段的方位矢量(公式II)的測量值(M1，Mn)。本發(fā)明可以應用于生物力學分析、遙控操作和角色動畫等。
文檔編號A61B5/103GK101405570SQ200780009554
公開日2009年4月8日 申請日期2007年2月16日 優(yōu)先權日2006年2月17日
發(fā)明者C·戈丁, D·戴維, Y·卡里圖 申請人:原子能委員會