一種基于慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)的動作捕捉系統(tǒng)的實現(xiàn)

摘要：動作捕捉（Motion capture）是一種記錄或描繪人體以及其他物體動作的技術(shù)，廣泛運用于體育、娛樂、影視、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域。本文簡要介紹一種基于慣性傳感器與Zigbee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的動作捕捉系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過安裝在人體不同部位的慣性傳感器獲得動作信息，并通過Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳給上位機。

關(guān)鍵詞：慣性傳感器;動作捕捉;Zigbee;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

Abstract： Motion capture is the technology of recording or depicting the movement of people or other objects. It is widely used in sportsHYPERLINK"https：//en.wikipedia.org/wiki/Sports"＼o"Sports"， entertainmentHYPERLINK"https：//en.wikipedia.org/wiki/Entertainment"＼o"Entertainment"，filmmakingHYPERLINK"https：//en.wikipedia.org/wiki/Filmmaking"＼o"Filmmaking"， medical applications and militaryHYPERLINK"https：//en.wikipedia.org/wiki/Military_science"＼o"Militaryscience".This article introduces a motion capture system based on inertial sensor and Zigbee network. The system obtains the action information by the inertial sensors in different parts of human body， and uploads the data to the upper monitor through the Zigbee wireless sensor network protocol.

Key words： Inertial sensor; motion capture; Zigbee; wireless sensor network

一、緒論

動作捕捉的起源一般被認為是動畫師費舍爾（Fleischer）在1914年發(fā)明的“動態(tài)影像描?。≧otoscoping）”。20世紀70年代，人體動作捕捉系統(tǒng)開始應(yīng)用在動畫制作領(lǐng)域。80年代，美國一些高校就開始進行動作捕捉的研究。目前，動作捕捉系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電影制作，《指環(huán)王》、《猩球崛起》、《阿凡達》等都采用了動作捕捉技術(shù)。除此之外，動作捕捉技術(shù)也已經(jīng)成功用在虛擬現(xiàn)實、游戲、人體工程學研究、模擬訓練、生物力學研究等許多方面。

從技術(shù)的角度來說，運動捕捉的實質(zhì)就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間HYPERLINK"http：//www.baike.com/sowiki/%E4%B8%89%E7%BB%B4%E7%A9%BA%E9%97%B4？prd=content_doc_search"＼t"_blank"＼o"三維空間"中的運動軌跡HYPERLINK"http：//www.baike.com/sowiki/%E8%BF%90%E5%8A%A8%E8%BD%A8%E8%BF%B9？prd=content_doc_search"＼t"_blank"＼o"運動軌跡"。典型的運動捕捉設(shè)備一般由傳感器、信號捕捉設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備及數(shù)據(jù)處理設(shè)備組成。 根據(jù)其中傳感設(shè)備的不同，可以分為機械式、光學式、聲學式、電磁式以及慣性式。慣性式方案主要是基于慣性式傳感器實現(xiàn)人體動作捕捉的，利用慣性傳感器采集到的運行信息，完成人體運動目標的姿態(tài)角度測量。相對于其他動作捕捉實現(xiàn)方案，采用慣性傳感器實現(xiàn)的動作捕捉系統(tǒng)靈敏度高，動態(tài)性能好，價格也更為低廉。

二、基于慣性傳感器網(wǎng)絡(luò)的動作捕捉系統(tǒng)簡介

基于慣性傳感器及Zigbee網(wǎng)絡(luò)的動作捕捉系統(tǒng)示意圖如圖1所示?？梢钥闯觯到y(tǒng)主要由4部分組成：（1）固定在捕捉對象身體不同部位上的傳感器節(jié)點。（2）傳輸人體姿態(tài)信息的Zigbee網(wǎng)絡(luò)。（3）管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。（4）上位機。系統(tǒng)初始化后，管理節(jié)點和傳感器節(jié)點會利用Zigbee技術(shù)自動構(gòu)建一個無線網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點上的慣性傳感器采集人體姿態(tài)角數(shù)據(jù)，并通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將數(shù)據(jù)先傳送給管理節(jié)點，然后通過串口將人體的姿態(tài)信息上傳給上位機。

三、系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

本系統(tǒng)的硬件主要由傳感器節(jié)點和管理節(jié)點組成。

（一）傳感器節(jié)點的實現(xiàn)

傳感器節(jié)點負責實現(xiàn)信息的采集、數(shù)據(jù)的處理以及無線通信，一般包含四個基本單元：傳感單元、處理單元、通信單元、以及電源部分，如圖2（a）所示。

在本系統(tǒng)中，傳感單元采用JY901模塊，它是基于MEMSHYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/MEMS"＼t"_blank"技術(shù)的高性能三維運動姿態(tài)傳感器，采用高性能的微處理器和先進的動力學解算與卡爾曼動態(tài)濾波算法，能夠快速求解出模塊當前的實時運動姿態(tài)，測量精度達到0.01 度，穩(wěn)定性極高。需要注意的是在使用前，需要進行校準。處理單元及通信單元采用CC2530F256模塊，CC2530 是用于2.4GHz IEEE 802154HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/IEEE%20802.15.4"＼t"_blank"、ZigBee 應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E7%89%87%E4%B8%8A%E7%B3%BB%E7%BB%9F"＼t"_blank"，結(jié)合業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee 協(xié)議棧HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E5%8D%8F%E8%AE%AE%E6%A0%88"＼t"_blank"（ZStackTM），CC2530能夠以非常低的成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E7%BD%91%E7%BB%9C%E8%8A%82%E7%82%B9"＼t"_blank"，能夠提供了一個完整的ZigBee 解決方案。電源模塊采用的是650mA的7號鋰電池，電壓為3.7v。傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖如圖2（b）所示。

傳感器節(jié)點實物圖如圖2（c）所示，慣性傳感器JY901采集人體的姿態(tài)角數(shù)據(jù)信息，而CC2530模塊通過I2C讀取姿態(tài)角數(shù)據(jù)，然后再經(jīng)由天線發(fā)送出去。

（二）管理節(jié)點的實現(xiàn)

本系統(tǒng)中的管理節(jié)點主要工作有（1）動態(tài)地管理整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括網(wǎng)絡(luò)組建、維護、控制傳感器節(jié)點的加入等。（2）通過Zigbee協(xié)議與各個傳感器節(jié)點通信，收集每個傳感器節(jié)點采集的姿態(tài)角信息。（3）獲取姿態(tài)角數(shù)據(jù)后，通過串口將捕捉對象的相關(guān)姿態(tài)角信息傳輸?shù)缴衔粰C上。管理節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖如圖3（a）所示（實線部分），實物圖如圖3（b）所示。

四、系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，必須選擇一種無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸標準。目前常見的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議有WiFi，、Wireless USB、Bluetooth、Zigbee等。不同的協(xié)議適合不同的應(yīng)用領(lǐng)域，一般而言，Zigbee協(xié)議可以理解為一種短距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與控制協(xié)議，主要用于傳輸控制信息，數(shù)據(jù)量相對來說比較小，特別使用于電池供電的系統(tǒng)，此外，相對于其他標準，Zigbee協(xié)議實現(xiàn)成本較低。因此，本系統(tǒng)中，采用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由于慣性傳感器能直接輸出姿態(tài)角信息，數(shù)據(jù)處理量不大，因此傳感器節(jié)點和管理節(jié)點上的處理器采用的都是CC2530，但是由于傳感器節(jié)點和管理節(jié)點的功能不同，因此軟件設(shè)計思路也不同。對于管理節(jié)點而言，系統(tǒng)上電后，首先建立網(wǎng)絡(luò)，然后以廣播形式向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，收到傳感器節(jié)點返回的姿態(tài)角數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機，程序流程圖如圖6所示。對于傳感器節(jié)點，首先要加入傳感器網(wǎng)絡(luò)，收到管理節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)后，讀取JY901的姿態(tài)角數(shù)據(jù)，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到管理節(jié)點，程序流程圖如圖5所示。

五、結(jié)語

近年來，隨著虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)的發(fā)展，動作捕捉技術(shù)有了更廣闊的應(yīng)用空間。對于一款高質(zhì)量的VRHYPERLINK"http：//www.vrzy.com/"游戲來說，動作捕捉技術(shù)能夠令角色的動作更加自然，同時減少人工設(shè)計所耗費的精力和時間。目前基于慣性傳感器的動作捕捉系統(tǒng)代表性產(chǎn)品有諾亦騰開發(fā)的Perception Neuron和國承萬通開發(fā)的StepVR，已經(jīng)成功應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實以及機器人等領(lǐng)域。隨著VR產(chǎn)品的進一步商用以及對體感交互的應(yīng)用需求，相信會有更多的普通大眾將會享受到這一技術(shù)帶給大家的新體驗。

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作者簡介：劉莉?。?980），女，碩士，主要研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。