引言

人體運(yùn)動(dòng)是個(gè)復(fù)雜的連續(xù)過程，對(duì)此過程實(shí)現(xiàn)數(shù)字化記錄和處理，則可為人體運(yùn)動(dòng)分析與研究提供極大方便。人體運(yùn)動(dòng)是由人體上各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)來牽引和約束的1，如果能記錄到每1 幀中各主要關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，再進(jìn)行人體建模與圖像重構(gòu)，則可實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)數(shù)字化。結(jié)合國(guó)家“863”課題，研究開發(fā)這套人體運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)捕捉設(shè)備，它實(shí)現(xiàn)對(duì)人體在有限空間運(yùn)動(dòng)時(shí)各主要關(guān)節(jié)點(diǎn)（Marker 點(diǎn)）的探測(cè)和數(shù)據(jù)采集，根據(jù)相應(yīng)計(jì)算和處理，得出各點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行虛擬人運(yùn)動(dòng)圖像重構(gòu)。這樣，人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，PC 機(jī)上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示虛擬人運(yùn)動(dòng)及虛擬空間的圖像，并保存數(shù)據(jù)和圖像以備進(jìn)一步處理。

由于實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)化、同步圖像動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)和圖像保存等多項(xiàng)功能，這套設(shè)備在影視廣告和動(dòng)畫的實(shí)時(shí)制作、特技動(dòng)作拍攝、體育、醫(yī)療、測(cè)量和輔助設(shè)計(jì)等方面都有很大的應(yīng)用潛力，而且體現(xiàn)出實(shí)時(shí)、快速、經(jīng)濟(jì)、可重復(fù)等優(yōu)勢(shì)。本文介紹其設(shè)計(jì)原理，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行說明。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

成套設(shè)備包括：4 ～ 6 個(gè)探測(cè)支架、主控制盒、特制緊身衣、同步控制盒、三角檢測(cè)架及專用導(dǎo)線等。主控制盒內(nèi)嵌USB Hub、電源及工作切換等模塊，向設(shè)備供電并使主機(jī)通過USB 口連接各支架，在運(yùn)行前檢測(cè)時(shí)提供轉(zhuǎn)換功能。特制緊身衣上頭部和各關(guān)節(jié)點(diǎn)粘有高亮紅光LED，各LED 有線連到同步控制盒。同步控制盒由電路控制各LED 發(fā)光時(shí)序，并與各探測(cè)支架通過無線收發(fā)電路進(jìn)行同步工作。三角檢測(cè)架用于在系統(tǒng)運(yùn)行前設(shè)定地面坐標(biāo)系并檢測(cè)出各個(gè)探測(cè)支架放置的位置與姿態(tài)。

其中，探測(cè)支架是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，下面介紹其設(shè)計(jì)原理（見圖1）。

 
圖1 人體運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)捕捉儀示意圖

由于光不具穿透性，系統(tǒng)采用4 ～ 6 個(gè)探測(cè)支架（見圖1b）環(huán)形向內(nèi)探測(cè)。人穿上特制緊身衣，啟動(dòng)（手機(jī)狀）同步控制盒工作，在1 幀時(shí)間內(nèi)，它控制各LED交替閃爍1 次，并與各探測(cè)支架無線同步，各支架同時(shí)對(duì)閃爍的LED 進(jìn)行探測(cè)和信號(hào)采集，將1 幀中分別對(duì)各LED（即Marker 點(diǎn)）采集到的數(shù)據(jù)通過USB 通信傳輸給上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)遴選、濾波和計(jì)算等處理，即可得到各Marker 點(diǎn)的位置坐標(biāo)，按25 幀/ s 進(jìn)行連續(xù)采集，經(jīng)上位機(jī)圖像重構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)→虛擬空間實(shí)時(shí)圖像的再現(xiàn)。

1.2 數(shù)據(jù)處理與坐標(biāo)計(jì)算

上位機(jī)應(yīng)用程序由定時(shí)器控制每幀開始時(shí)分別從各探測(cè)支架通過USB 傳輸讀取幾個(gè)數(shù)據(jù)包，對(duì)這些數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，得到1 幀中各支架分別探測(cè)各Marker點(diǎn)時(shí)的上下沿?cái)?shù)據(jù)（即na、nb 系列），由這些原始數(shù)據(jù)計(jì)算出1 幀中各Marker 點(diǎn)的坐標(biāo)位置，還需要進(jìn)行如下處理：

1.2.1 數(shù)據(jù)遴選、補(bǔ)缺與平滑處理如果1 個(gè)支架上3個(gè)CCD 全部感光輸出，則可計(jì)算出該點(diǎn)的支架坐標(biāo)（相對(duì)坐標(biāo)）。由于人體運(yùn)動(dòng)的隨意性和光不可穿透性，1 個(gè)Marker 點(diǎn)發(fā)光時(shí)，可能有多個(gè)支架探測(cè)到也可能都沒探測(cè)到。前者要進(jìn)行遴選，結(jié)合幾個(gè)選優(yōu)原則，取其中1 個(gè)支架探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)坐標(biāo)計(jì)算。后者要進(jìn)行補(bǔ)缺，根據(jù)該點(diǎn)與肢體上附近其它幾點(diǎn)的關(guān)聯(lián)特性（如相對(duì)距離等因素）和該點(diǎn)前幾幀位置進(jìn)行擬合計(jì)算。

當(dāng)LED 不動(dòng)時(shí)，由于CCD 工作時(shí)溫度變化、積分時(shí)間變化對(duì)暗電壓有影響，引起輸出電壓微小波動(dòng)，經(jīng)固定閾值二值化處理后，na、nb 即發(fā)生極小波動(dòng)，這是CCD 工作不可避免的，如果按這種波動(dòng)的數(shù)據(jù)計(jì)算坐標(biāo)并提供給圖像顯示，則圖像出現(xiàn)微小抖動(dòng)而不清晰。

為此進(jìn)行平滑濾波處理，將該幀數(shù)據(jù)與前3 ～ 4 幀數(shù)據(jù)一起做平滑處理，降低一點(diǎn)探測(cè)精度但保證圖像穩(wěn)定效果，根據(jù)使用的CCD 芯片，實(shí)際探測(cè)精度達(dá)到4mm以內(nèi)，滿足人體運(yùn)動(dòng)建模要求。1.2.2 相對(duì)坐標(biāo)計(jì)算首先計(jì)算各Marker 點(diǎn)在支架坐標(biāo)系中坐標(biāo)，按光學(xué)成像公式計(jì)算，但由于加工安裝等因素，許多參數(shù)要通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)來測(cè)得，還要進(jìn)行補(bǔ)償修正。具體計(jì)算公式這里略，用函數(shù)表示（式1）為：

X⊥Y⊥Z = f（P1，P2，P3，D1，D2，D3，R，L，f，μ，na1，nb1，na2，nb2，an3，nb3） （1）

式（1）中P1、P2、P3分別為3 個(gè)鏡頭光軸線對(duì)準(zhǔn)的CCD 像敏元的序號(hào)，D1、D2、D3為3 個(gè)鏡頭中CCD 感光面距光學(xué)鏡頭距離，L、R 為支架左、右臂長(zhǎng)，f 為鏡頭焦距，μ為CCD 像敏元寬度，f、μ已知。P1、P2、P3、D1、D2、D3和L、R 這8 個(gè)與安裝有關(guān)的參量要通過定點(diǎn)、定距實(shí)驗(yàn)測(cè)算出來。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由na1、nb1、na2、nb2、na3、nb3這6 個(gè)輸出量，來計(jì)算該點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)。

1.3 位姿檢測(cè)與坐標(biāo)融合

式（1）算出的是各Marker 點(diǎn)的支架相對(duì)坐標(biāo)，而人體上各點(diǎn)要統(tǒng)一到地面坐標(biāo)系中，因而在系統(tǒng)運(yùn)行開始時(shí)，要通過檢測(cè)求得各支架的擺放位置和姿態(tài)（即支架坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系之間的偏移量Δx、Δy、Δz 和旋轉(zhuǎn)角度α、β、γ）。用三點(diǎn)間相互距離確定的三點(diǎn)檢測(cè)架（見圖2）放在中間并設(shè)定地面坐標(biāo)系OXYZ，依次閃亮ABC 三點(diǎn)，各支架對(duì)其探測(cè)并計(jì)算，采用空間向量旋轉(zhuǎn)計(jì)算方法，求得地面坐標(biāo)系與各支架坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。爾后撤去檢測(cè)架，人體進(jìn)行活動(dòng)范圍運(yùn)動(dòng)。幾個(gè)探測(cè)支架在1 幀中聯(lián)合對(duì)各Marker 點(diǎn)探測(cè)計(jì)算，最終得各點(diǎn)地方坐標(biāo)，供人體建模與圖像重構(gòu)調(diào)用。

 
圖2 3 點(diǎn)檢測(cè)支架

1.4 人體建模與圖像重構(gòu)

在人體建模時(shí)，先定義人體結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)將人體分成16 個(gè)肢體段，由15 個(gè)關(guān)節(jié)相連，采用相對(duì)真實(shí)的體模型來建立人體運(yùn)動(dòng)模型，采用VRML 語(yǔ)言中H - Anim標(biāo)準(zhǔn)來寫人體結(jié)構(gòu)，即采用一種稱為CSG（ConstructiveSolid Geometry）的模型表示法，利用關(guān)節(jié)嵌套來設(shè)定各關(guān)節(jié)和肢體段的關(guān)系，定義各肢體間位置關(guān)系即關(guān)節(jié)位置和各肢體朝向等信息，最后為人體附著各色衣服，使人體模型更加逼真2，4。

當(dāng)人體模型運(yùn)動(dòng)時(shí)，關(guān)節(jié)結(jié)合部可能產(chǎn)生較大裂痕，系統(tǒng)通過動(dòng)態(tài)生成點(diǎn)圈來進(jìn)行各肢體間的無縫化處理，從而保證人體運(yùn)動(dòng)圖像肢體、表面的完整性和連貫性。

2 系統(tǒng)應(yīng)用前景

該系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)性功能是三維空間范圍內(nèi)若干個(gè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)位置檢測(cè)。它不僅僅用于描述人體運(yùn)動(dòng)，還可以進(jìn)行拓展。在應(yīng)用程序中建立男女老少等不同的人體基本模型，以及各種固體道具模型或辦公設(shè)施，可心構(gòu)成動(dòng)靜結(jié)合的虛擬空間。該系統(tǒng)可在如下幾方面具有很大的應(yīng)用價(jià)值和開發(fā)潛力。

2.1 廣告動(dòng)畫和影視特技制作

目前，用軟件進(jìn)行動(dòng)畫制作一般要1 幀1 幀地設(shè)計(jì)，工作量大、費(fèi)時(shí)長(zhǎng)，因而資金投入多、商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大。應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行廣告動(dòng)畫或影視特技片段制作時(shí)，人穿上特制緊身衣，按照設(shè)計(jì)的情節(jié)和動(dòng)作，在探測(cè)范圍內(nèi)表演，調(diào)用相應(yīng)的人體模型，則上位機(jī)上同步顯示虛擬人的相同動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)圖像，保存圖像并將人的運(yùn)動(dòng)保存為標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)文件（如csm文件等）。通過對(duì)局部幀的圖像修飾或使用專業(yè)制作軟件調(diào)用已形成的csm文件進(jìn)行修飾，在虛擬空間中配上一定的三維場(chǎng)景，則可實(shí)現(xiàn)廣告動(dòng)畫或影視特技片段的制作。與傳統(tǒng)方法相比，應(yīng)用該系統(tǒng)制作時(shí)，制作速度快、成本低、簡(jiǎn)單方便。幾分鐘的簡(jiǎn)單動(dòng)畫或廣告很快就能完成。而且它是由實(shí)際人的運(yùn)動(dòng)采集來的，其動(dòng)畫動(dòng)作更符合人性化。

當(dāng)采用更高速的CCD 芯片時(shí)，在保證按25 幀/ s進(jìn)行連續(xù)采集的情況下，Marker 點(diǎn)數(shù)目不斷增加，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)雙人和多人運(yùn)動(dòng)表演或?qū)稳诉\(yùn)動(dòng)的更細(xì)膩描述（如手指運(yùn)動(dòng)等）。

2.2 人體運(yùn)動(dòng)分析

現(xiàn)代體育運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究更強(qiáng)調(diào)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)過程的精細(xì)描述，實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)的數(shù)字化記錄將為該項(xiàng)研究提供極大方便，它便于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析，在體育運(yùn)動(dòng)分析等方面具有有效的輔助作用。如以跑步訓(xùn)練為例（見圖3），當(dāng)運(yùn)動(dòng)員在跑步機(jī)上測(cè)試時(shí)，設(shè)備探測(cè)、記圖3 跑步訓(xùn)練實(shí)例錄幾個(gè)點(diǎn)（也是Marker 點(diǎn)，例如圖中一側(cè)的10 個(gè)）在3個(gè)坐標(biāo)軸（或平面）上的位置，并計(jì)算其速度、加速度等變化參數(shù)，按時(shí)間曲線顯示，通過與優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的數(shù)據(jù)對(duì)比分析或與過去訓(xùn)練記錄對(duì)比，可以對(duì)訓(xùn)練中存在的問題、訓(xùn)練方法和訓(xùn)練進(jìn)展情況等主要訓(xùn)練問題進(jìn)行細(xì)致量化的分析。與此相似，該系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)醫(yī)療康復(fù)保健方面也有療效分析的輔助作用。

 
圖3 跑步訓(xùn)練實(shí)例

2.3 測(cè)量與輔助設(shè)計(jì)

由于它能動(dòng)態(tài)測(cè)量一定空間范圍內(nèi)多點(diǎn)的位置，因而其相互距離和相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)等均可實(shí)時(shí)測(cè)量并顯示，在此功能的基礎(chǔ)上，它還可應(yīng)用于某些模型、部件的輔助設(shè)計(jì)或三維圖像復(fù)制。用若干Marker 點(diǎn)放置在虛擬的模型外形輪廓的幾個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)上，應(yīng)用程序按相關(guān)曲（平）面擬合，構(gòu)造出模型的三維空間圖像，調(diào)整Marker 點(diǎn)位置，模型圖像隨之調(diào)整，直到符合設(shè)計(jì)要求。

它不需要借助實(shí)體模型來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，也不用在機(jī)器上完全繪制，提高設(shè)計(jì)時(shí)效。對(duì)于已有的模型或部件，帖上Marker 點(diǎn)后，很容易得到并保存其三維數(shù)字圖像，供修飾處理。當(dāng)然，應(yīng)用程序中要儲(chǔ)存有大量的模型圖像模板，供調(diào)用。

2.4 其它應(yīng)用

該系統(tǒng)具有三維空間多點(diǎn)動(dòng)態(tài)位置檢測(cè)的功能，在實(shí)際應(yīng)用上有很大的引伸和拓展，如殘缺文物的三維數(shù)字圖像保存、碰撞實(shí)驗(yàn)或機(jī)械運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)快速自動(dòng)記錄與分析，等等。它能增加圖像制作時(shí)效，節(jié)約成本。形成的數(shù)據(jù)文件還可供進(jìn)一步修飾。

3 結(jié)論

本文對(duì)人體運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)捕捉設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)原理、所采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)處理以及坐標(biāo)計(jì)算、人體運(yùn)動(dòng)模型圖像實(shí)時(shí)重構(gòu)等進(jìn)行系統(tǒng)介紹，對(duì)這套設(shè)備的應(yīng)用前景進(jìn)行分析并引例說明。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)有從國(guó)外引進(jìn)的相關(guān)設(shè)備，價(jià)格昂貴，采用多Marker 點(diǎn)同時(shí)采集，采集完后進(jìn)行Marker 點(diǎn)圖像跟蹤識(shí)別等處理方法，不具同步顯示功能。研發(fā)的本套設(shè)備其主要特點(diǎn)具有同步采集和顯示功能，成本低，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

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