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基于MEMS传感器的动作捕捉系统开发设计

作　者: 刘博
导　师: 刘来旸
学　校: 北京理工大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: MEMS传感器动作捕捉无线传输人体骨骼模型
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本论文主要论述基于MEMS传感器进行人体运动捕捉的相干技术研究和系统的设计与实现。该系统以独特的微型惯性传感器和无线传输系统为基础,具有成本低、易于操作、精确度高、实时性高等优点。本论文论述了三维人体骨骼模型的构建方法和姿态标定方法,阐述了动作系统的开发与设计过程。主要研究内容和工作包括:(1).研究了MEMS传感器的工作原理和参数配置。为了采集精准实时的运动数据,根据终端PC机的硬件配置选择了体积小、采样精准的传感器作为人体运动跟踪数据采集器。同时根据传感器硬件原理,实现了基于无线传输的数据传输模块,从而有效的避免动作捕捉过程中数据传输线对人体运动的限制。(2).研究了用于人体运动跟踪技术中人体模型建立的基本方法,并在此基础之上设计了一个基于动力学原理的三维人体骨骼模型。该模型采用了层次树形结构,同时加入了人体各关节的约束条件,能够实现逼真形象的人体动作仿真模拟。(3).研究了应用于人体运动捕捉的姿态标定方法,并根据系统设计和相关理论,设计了基于传感器和三维人体骨骼模型的姿态标定方法。(4).分析了硬件数据采集模块及外界环境对于数据采集的影响因素,提出了一种针对传感器的磁强计和加速度计的数据对陀螺仪数据融合算法,同时在卡尔曼滤波和互补滤波的基础上,提出了一种直接四元数转换互补滤波器算法。基于MEMS传感器的动作捕捉系统利用传感器对人体运动数据进行采集并同时利用数据采集模块对数据进行初始计算,然后利用无线传输模块将运动姿态数据交由终端PC机进行处理,PC机利用计算处理后的数据对建立到的三维人体骨骼模型进行数据驱动,从而实现对人体运动进行实时捕捉。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-15
  1.1 研究背景和意义  10-11
    1.1.1 动作捕捉技术的发展  10-11
    1.1.2 动作捕捉系统的应用领域  11
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  11-13
    1.2.1 国外VR 技术的研究动态  12
    1.2.2 国内VR 技术研究状况  12-13
  1.3 研究内容和组织结构  13-15
    1.3.1 本文的研究内容  13
    1.3.2 本文的组织结构  13-15
第2章 MEMS 传感器动作捕捉系统的硬件设计  15-26
  2.1 MEMS 传感器的性能分析及参数配置  15-19
    2.1.1 MEMS 惯性传感器的选择及功能分析  15-18
    2.1.2 MEMS 传感器的参数配置  18-19
  2.2 数据采集模块  19-21
    2.2.1 数据采集模块功能分析  19-20
    2.2.2 数据采集集成电路设计  20-21
  2.3 数据无线传输模块  21-26
    2.3.1 无线传输模式的分析及系统传输模式设计  22-23
    2.3.2 短距离无线传输协议分析及系统传输协议方案  23-24
    2.3.3 基于Bluetooth 协议的无线传输模块设计  24-26
第3章基于动力学的三维人体骨骼模型的设计  26-36
  3.1 人体模型的构建方法分析  26-28
    3.1.1 2D 人体模型  26-27
    3.1.2 3D 人体模型  27-28
  3.2 三维人体骨骼模型的构建  28-30
    3.2.1 基于刚体动力学原理的人体骨骼设计  28-29
    3.2.2 基于正向运动学的骨骼关节运动分析  29-30
    3.2.3 基于逆向运动学的骨骼关节运动分析  30
  3.3 基于约束的三维人体骨骼模型设计实现  30-36
    3.3.1 人体基本骨骼模型的结构设计  30-34
    3.3.2 基于动力学的三维人体骨骼模型实现  34-36
第4章人体运动姿态标定方法的分析与设计  36-50
  4.1 姿态标定中姿态信息的描述  36-42
    4.1.1 人体关节旋转姿态角的欧拉角表示  36-39
    4.1.2 人体运动旋转矩阵的四元数表示  39-41
    4.1.3 欧拉角四元数的相互转换及人体关节旋转的角速度描述  41-42
  4.2 姿态标定坐标系及转换关系  42-45
    4.2.1 姿态标定坐标系  42-44
    4.2.2 姿态标定坐标间坐标相互转换  44-45
  4.3 基于运动关节的姿态标定方法  45-50
    4.3.1 传感器和骨骼的初始化姿态标定  45-48
    4.3.2 人体运动过程实时姿态标定  48-50
第5章姿态方向估计器的设计  50-60
  5.1 传感器数据融合算法的设计与实现  50-53
    5.1.1 传感器数据的向量表示  50-51
    5.1.2 基于角速率的方向估计策略的误差分析  51-52
    5.1.3 基于加速度和磁场强度的姿态方向校准  52-53
  5.2 直接转换补偿四元数滤波器的设计与实现  53-56
    5.2.1 卡尔曼滤波器的分析  53-54
    5.2.2 互补滤波器的分析  54-55
    5.2.3 直接四元数转换互补滤波器算法  55-56
  5.3 算法实验与分析  56-60
    5.3.1 静态误差分析  56-57
    5.3.2 动态误差分析  57-60
第6章基于 MEMS 传感器动作捕捉系统的系统实现  60-71
  6.1 MEMS 传感器动作捕捉系统的架构设计  60-62
  6.2 MEMS 传感器动作捕捉系统软件设计  62-68
    6.2.1 系统软件的层次结构设计  62-63
    6.2.2 系统软件的详细设计  63-68
  6.3 MEMS 传感器动作捕捉系统软件的功能介绍  68-71
    6.3.1 MEMS 传感器动作捕捉系统软件  68-69
    6.3.2 MEMS 传感器动作捕捉系统捕捉动画展示  69-71
第7章总结与展望  71-73
参考文献  73-76
致谢  76

基于MEMS传感器的动作捕捉系统开发设计

内容摘要

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