引言

人體運動是個復(fù)雜的連續(xù)過程，對此過程實現(xiàn)數(shù)字化記錄和處理，則可為人體運動分析與研究提供極大方便。人體運動是由人體上各個關(guān)節(jié)點來牽引和約束的1，如果能記錄到每1 幀中各主要關(guān)節(jié)點的位置數(shù)據(jù)，再進行人體建模與圖像重構(gòu)，則可實現(xiàn)人體運動數(shù)字化。結(jié)合國家“863”課題，研究開發(fā)這套人體運動實時捕捉設(shè)備，它實現(xiàn)對人體在有限空間運動時各主要關(guān)節(jié)點（Marker 點）的探測和數(shù)據(jù)采集，根據(jù)相應(yīng)計算和處理，得出各點坐標數(shù)據(jù)，同時進行虛擬人運動圖像重構(gòu)。這樣，人體在運動時，PC 機上實時動態(tài)地顯示虛擬人運動及虛擬空間的圖像，并保存數(shù)據(jù)和圖像以備進一步處理。

由于實現(xiàn)人體運動數(shù)據(jù)化、同步圖像動態(tài)顯示、數(shù)據(jù)和圖像保存等多項功能，這套設(shè)備在影視廣告和動畫的實時制作、特技動作拍攝、體育、醫(yī)療、測量和輔助設(shè)計等方面都有很大的應(yīng)用潛力，而且體現(xiàn)出實時、快速、經(jīng)濟、可重復(fù)等優(yōu)勢。本文介紹其設(shè)計原理，并對其應(yīng)用前景進行說明。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

成套設(shè)備包括：4 ～ 6 個探測支架、主控制盒、特制緊身衣、同步控制盒、三角檢測架及專用導(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)備供電并使主機通過USB 口連接各支架，在運行前檢測時提供轉(zhuǎn)換功能。特制緊身衣上頭部和各關(guān)節(jié)點粘有高亮紅光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)光時序，并與各探測支架通過無線收發(fā)電路進行同步工作。三角檢測架用于在系統(tǒng)運行前設(shè)定地面坐標系并檢測出各個探測支架放置的位置與姿態(tài)。

其中，探測支架是整個系統(tǒng)的核心部件，下面介紹其設(shè)計原理（見圖1）。

 
圖1 人體運動實時捕捉儀示意圖

由于光不具穿透性，系統(tǒng)采用4 ～ 6 個探測支架（見圖1b）環(huán)形向內(nèi)探測。人穿上特制緊身衣，啟動（手機狀）同步控制盒工作，在1 幀時間內(nèi)，它控制各LED交替閃爍1 次，并與各探測支架無線同步，各支架同時對閃爍的LED 進行探測和信號采集，將1 幀中分別對各LED（即Marker 點）采集到的數(shù)據(jù)通過USB 通信傳輸給上位機，進行數(shù)據(jù)遴選、濾波和計算等處理，即可得到各Marker 點的位置坐標，按25 幀/ s 進行連續(xù)采集，經(jīng)上位機圖像重構(gòu)，可實現(xiàn)人體運動→虛擬空間實時圖像的再現(xiàn)。

1.2 數(shù)據(jù)處理與坐標計算

上位機應(yīng)用程序由定時器控制每幀開始時分別從各探測支架通過USB 傳輸讀取幾個數(shù)據(jù)包，對這些數(shù)據(jù)包進行解析，得到1 幀中各支架分別探測各Marker點時的上下沿數(shù)據(jù)（即na、nb 系列），由這些原始數(shù)據(jù)計算出1 幀中各Marker 點的坐標位置，還需要進行如下處理：

1.2.1 數(shù)據(jù)遴選、補缺與平滑處理如果1 個支架上3個CCD 全部感光輸出，則可計算出該點的支架坐標（相對坐標）。由于人體運動的隨意性和光不可穿透性，1 個Marker 點發(fā)光時，可能有多個支架探測到也可能都沒探測到。前者要進行遴選，結(jié)合幾個選優(yōu)原則，取其中1 個支架探測數(shù)據(jù)進行相對坐標計算。后者要進行補缺，根據(jù)該點與肢體上附近其它幾點的關(guān)聯(lián)特性（如相對距離等因素）和該點前幾幀位置進行擬合計算。

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

為此進行平滑濾波處理，將該幀數(shù)據(jù)與前3 ～ 4 幀數(shù)據(jù)一起做平滑處理，降低一點探測精度但保證圖像穩(wěn)定效果，根據(jù)使用的CCD 芯片，實際探測精度達到4mm以內(nèi)，滿足人體運動建模要求。1.2.2 相對坐標計算首先計算各Marker 點在支架坐標系中坐標，按光學(xué)成像公式計算，但由于加工安裝等因素，許多參數(shù)要通過實驗檢測來測得，還要進行補償修正。具體計算公式這里略，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 個鏡頭光軸線對準的CCD 像敏元的序號，D1、D2、D3為3 個鏡頭中CCD 感光面距光學(xué)鏡頭距離，L、R 為支架左、右臂長，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 個與安裝有關(guān)的參量要通過定點、定距實驗測算出來。系統(tǒng)運行時，由na1、nb1、na2、nb2、na3、nb3這6 個輸出量，來計算該點相對坐標。

1.3 位姿檢測與坐標融合

式（1）算出的是各Marker 點的支架相對坐標，而人體上各點要統(tǒng)一到地面坐標系中，因而在系統(tǒng)運行開始時，要通過檢測求得各支架的擺放位置和姿態(tài)（即支架坐標系與地面坐標系之間的偏移量Δx、Δy、Δz 和旋轉(zhuǎn)角度α、β、γ）。用三點間相互距離確定的三點檢測架（見圖2）放在中間并設(shè)定地面坐標系OXYZ，依次閃亮ABC 三點，各支架對其探測并計算，采用空間向量旋轉(zhuǎn)計算方法，求得地面坐標系與各支架坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣。爾后撤去檢測架，人體進行活動范圍運動。幾個探測支架在1 幀中聯(lián)合對各Marker 點探測計算，最終得各點地方坐標，供人體建模與圖像重構(gòu)調(diào)用。

 
圖2 3 點檢測支架

1.4 人體建模與圖像重構(gòu)

在人體建模時，先定義人體結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)將人體分成16 個肢體段，由15 個關(guān)節(jié)相連，采用相對真實的體模型來建立人體運動模型，采用VRML 語言中H - Anim標準來寫人體結(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。

當人體模型運動時，關(guān)節(jié)結(jié)合部可能產(chǎn)生較大裂痕，系統(tǒng)通過動態(tài)生成點圈來進行各肢體間的無縫化處理，從而保證人體運動圖像肢體、表面的完整性和連貫性。

2 系統(tǒng)應(yīng)用前景

該系統(tǒng)的實質(zhì)性功能是三維空間范圍內(nèi)若干個點的實時動態(tài)位置檢測。它不僅僅用于描述人體運動，還可以進行拓展。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)用價值和開發(fā)潛力。

2.1 廣告動畫和影視特技制作

目前，用軟件進行動畫制作一般要1 幀1 幀地設(shè)計，工作量大、費時長，因而資金投入多、商業(yè)風(fēng)險大。應(yīng)用該系統(tǒng)進行廣告動畫或影視特技片段制作時，人穿上特制緊身衣，按照設(shè)計的情節(jié)和動作，在探測范圍內(nèi)表演，調(diào)用相應(yīng)的人體模型，則上位機上同步顯示虛擬人的相同動作的運動圖像，保存圖像并將人的運動保存為標準的運動數(shù)據(jù)文件（如csm文件等）。通過對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文件進行修飾，在虛擬空間中配上一定的三維場景，則可實現(xiàn)廣告動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，制作速度快、成本低、簡單方便。幾分鐘的簡單動畫或廣告很快就能完成。而且它是由實際人的運動采集來的，其動畫動作更符合人性化。

當采用更高速的CCD 芯片時，在保證按25 幀/ s進行連續(xù)采集的情況下，Marker 點數(shù)目不斷增加，進而可實現(xiàn)雙人和多人運動表演或?qū)稳诉\動的更細膩描述（如手指運動等）。

2.2 人體運動分析

現(xiàn)代體育運動學(xué)的研究更強調(diào)對人體運動過程的精細描述，實現(xiàn)人體運動的數(shù)字化記錄將為該項研究提供極大方便，它便于進行統(tǒng)計和對比分析，在體育運動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），當運動員在跑步機上測試時，設(shè)備探測、記圖3 跑步訓(xùn)練實例錄幾個點（也是Marker 點，例如圖中一側(cè)的10 個）在3個坐標軸（或平面）上的位置，并計算其速度、加速度等變化參數(shù)，按時間曲線顯示，通過與優(yōu)秀運動員的數(shù)據(jù)對比分析或與過去訓(xùn)練記錄對比，可以對訓(xùn)練中存在的問題、訓(xùn)練方法和訓(xùn)練進展情況等主要訓(xùn)練問題進行細致量化的分析。與此相似，該系統(tǒng)在運動醫(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)練實例

2.3 測量與輔助設(shè)計

由于它能動態(tài)測量一定空間范圍內(nèi)多點的位置，因而其相互距離和相對運動參數(shù)等均可實時測量并顯示，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)計或三維圖像復(fù)制。用若干Marker 點放置在虛擬的模型外形輪廓的幾個標識點上，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 點位置，模型圖像隨之調(diào)整，直到符合設(shè)計要求。

它不需要借助實體模型來實現(xiàn)數(shù)字化，也不用在機器上完全繪制，提高設(shè)計時效。對于已有的模型或部件，帖上Marker 點后，很容易得到并保存其三維數(shù)字圖像，供修飾處理。當然，應(yīng)用程序中要儲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)具有三維空間多點動態(tài)位置檢測的功能，在實際應(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、碰撞實驗或機械運動的數(shù)據(jù)快速自動記錄與分析，等等。它能增加圖像制作時效，節(jié)約成本。形成的數(shù)據(jù)文件還可供進一步修飾。

3 結(jié)論

本文對人體運動實時捕捉設(shè)備的硬件設(shè)計原理、所采集到的數(shù)據(jù)信號處理以及坐標計算、人體運動模型圖像實時重構(gòu)等進行系統(tǒng)介紹，對這套設(shè)備的應(yīng)用前景進行分析并引例說明。國內(nèi)市場有從國外引進的相關(guān)設(shè)備，價格昂貴，采用多Marker 點同時采集，采集完后進行Marker 點圖像跟蹤識別等處理方法，不具同步顯示功能。研發(fā)的本套設(shè)備其主要特點具有同步采集和顯示功能，成本低，經(jīng)濟實用。

參考文獻

1 Kalra，P.，Magnenat Thalmann，N.，Moccozet，L.，et al.Real - time Animation of Realistic Virtual HumansJ?. IEEEComputer Graphics and Applications，1998，18（5）：42 ～ 55

2 龔光紅，馮勤，彭曉源等. 人體運動的形象化建模與仿真〔J〕，系統(tǒng)仿真學(xué)報，2002，14（3）：285 ～ 287

3 王有慶編著. CCD 應(yīng)用技術(shù)，天津：天津大學(xué)出版社，2000

4 和平鴿工作室. OpenGL 高級編程與可視化系統(tǒng)開發(fā)〔M〕，北京：中國水利水電出版社，2003