動作運動測量數據采集分析系統,18618101725(微信同),QQ:736597338 ,信箱sl...
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典型應用簡介:
1、生物力學與生命科學
二、神經科學與運動控制
三、康復與人體工程學:
1.2.1步態分析的技術分類
目前主流的步態分析技術主要有以下幾種:基于計算機視覺的人體步態捕捉與分析、基于慣性傳感器的人體步態捕捉與分析、基于無線信號的人體步態捕捉與分析。基于計算機視覺的人體步態捕捉又分為基于紅外攝像頭、基于2D攝像頭、基于3D深度攝像頭等多種。上個世紀的技術路線還有基于機械式的步態捕捉。其他的技術路線還有基于電磁式的步態捕捉。
1.2.1.1基于紅外攝像頭的光學步態捕捉
計算機的上位機軟件經過一系列的算法識別還原出人體的步態。
目前市面上生產紅外攝像頭的光學步態捕捉的公司有英國的Vicon公司、美國NaturalPoint公司、美國MotionAnalysis公司、中國的青瞳視覺公司等。NaturalPoint公司生產的Optitrack系統如圖1-5所示。
1.2.1.2基于3D深度攝像頭的動作捕捉
隨著3D深度相機技術的成熟,有許多研究者開始研究基于深度相機的動作捕捉系統[5][6]。3D深度攝像頭與2D攝像頭的區別在于,除了能夠獲取平面圖像外還可以獲得深度信息。3D深度技術目前廣泛應用在人體步態識別、三維重建、SLAM等領域。目前主流的3D深度攝像頭的技術路線有:(1)雙目立體視覺;(2)飛行時間(Timeoffly,TOF);(3)結構光技術等。
雙目立體視覺即使用兩個2D平面攝像頭。兩個平面攝像頭獲得兩幅圖像,通過兩幅圖像算出深度信息。飛行時間即由雷達芯片發射出紅外激光散點,照射到物體后反射回雷達芯片的時間,由于光速已知,發射返回時間已知即可測量出攝像頭距物體的距離, 。結構光是攝像頭發出特定的圖案,當被攝物體反射回這一圖案時,深度攝像頭再次接收這一圖案,通過比較發射出的圖案和接收的圖案從而測量出攝像頭距離被攝物體的深度信息。3D深度攝像頭方案對比如表1-1所示。
1.2.1.3基于2D攝像頭的動作捕捉
慣性動作捕捉系統主要是將慣性傳感器綁定在人身體主要骨骼上,如足、小腿、大腿,實時測量出每段骨骼的旋轉,利用正向運動學(Forward kinematics,FK)和反向運動學(Inverse kinematics,IK)實時推導計算出整個人身體的運動參數。慣性動作捕捉系統的優勢在于他是一種無源的動作捕捉系統,不需要借助任何外部信息,即不受外界環境的干擾。缺點則是由于慣性傳感器普遍存在累計漂移會使慣性系統無法測量出運動的位移。其全身穿戴效果如圖1-10所示。
基于MEMS慣性傳感器的動作捕捉系統的步態分析有很大的優勢,主要體現在由于慣性動作捕捉系統采用的是MEMS芯片,成本較低,每個芯片只需要十元左右,整套系統的價格在幾萬元級別。由于慣性動作捕捉系統是一種無源的系統,整套系統的重量在幾千克的范圍內,所以便于攜帶,且不需要架設繁雜的相機。慣性傳感器只需要開機后就可以使用,沒有繁雜的校準、標定等操作步驟,所以使用十分便捷。慣性動作捕捉系統不受使用環境的影響,不管在室內、還是室外都可以正常使用。 但是MEMS傳感器的精度相比于光學動作捕捉系統來講,精度較低,但對于大眾人群已經完全滿足其需求。由于MEMS式陀螺儀存在零偏且在動態情況下積分累計誤差會隨著時間的推移而產生較大的漂移。MEMS加速度計在不同的狀態下也存在誤差,特別是在高動態下。磁力計很容易受到強磁環境的干擾。但是這一系列的誤差問題都可以通過算法來補償。MEMS式慣性傳感器補償后的靜態精度一般可達到:俯仰角/橫滾角≤0.2°,偏航角≤1°;動態精度:俯仰角/橫滾角≤0.5°, 偏航角≤2°,步態位移誤差可達5%。已滿足步態參數計算的精度要求。
機械式動作捕捉依靠穿戴在人身體的機械裝置來測量關節角度以及位移。人體運動帶動機械裝置的運動,從機械裝置上的角度傳感器可以知道運動角度,根據角度和機械部位的長度從而計算出移動位移。這一技術早出現在20世紀,由于機械結構的笨重,在步態分析方面機械動作捕捉早已退出發展的主流。但利用機械外骨骼的搬運發展成了主流。其形狀如圖1-12所示。
其他的技術路線還有基于聲學式的動作捕捉,基于電磁式的動作捕捉等。