使用多個(gè)慣性傳感器進(jìn)行動(dòng)作捕捉相關(guān)設(shè)計(jì)方案(防止老年人跌倒)

1介紹

本論文基于正在進(jìn)行的“瀑布與近瀑布評(píng)估研究與評(píng)估”(大張旗鼓)項(xiàng)目，該項(xiàng)目的目標(biāo)是結(jié)合不同的瀑布與近瀑布研究技術(shù)，保護(hù)老年人不跌倒。

本章首先介紹了運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)和選擇慣性傳感器的原因。然后給出本文工作的目標(biāo)和主要貢獻(xiàn)，然后是論文的提綱。

1.1的動(dòng)力

由于生活水平的提高和醫(yī)療保健的進(jìn)步，越來(lái)越多的加拿大老年人獨(dú)自生活在家中，幾乎沒(méi)有受到任何監(jiān)督。然而，這些老年公民中的大多數(shù)在發(fā)生緊急情況時(shí)仍需要某種程度的監(jiān)測(cè)。在這種緊急情況下，醫(yī)務(wù)人員不可能持續(xù)監(jiān)測(cè)這些人。一個(gè)主要的擔(dān)憂(yōu)是這些在家辦公的老人可能會(huì)摔倒并受傷——這是日常生活中經(jīng)常發(fā)生的意外事件。超過(guò)三分之一的65歲以上的人每年至少會(huì)摔倒一次，其中約有10%到15%會(huì)造成嚴(yán)重傷害[1,2]。為防止老年人提前跌倒，應(yīng)考慮近墜檢測(cè)。

近墜檢測(cè)對(duì)于醫(yī)學(xué)研究幫助醫(yī)生診斷與跌倒相關(guān)的疾病是非常重要的，同時(shí)也可以幫助醫(yī)生和患者(家庭)警惕近墜，提前保護(hù)老年人，防止與跌倒相關(guān)的傷害。近降是指在下降和正�；顒�(dòng)之間的一種狀態(tài)，可以認(rèn)為是潛在的下降。由于不同的人對(duì)近墜有不同的感受，所以很難給它下一個(gè)定義。從根本上說(shuō)，近距離摔倒可以看作兩步動(dòng)作:第一步是主體失去平衡，第二步是主體立即恢復(fù)平衡。在人們的日常生活中，隨時(shí)隨地都可能發(fā)生近墜現(xiàn)象。如果人們不能控制自己的平衡，那么一個(gè)接近的下跌很容易變成一個(gè)真正的下跌。因此，研究和檢測(cè)近震是非常重要和必要的。

現(xiàn)有的研究主要集中在跌落檢測(cè)方面，而對(duì)近跌落檢測(cè)的研究很少。以[3]為例，提出了一種基于單帶運(yùn)動(dòng)傳感器的跌落檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以檢測(cè)出四種類(lèi)型的跌落(向前、向后、向左、向右傾斜)以及其他預(yù)先選定的正常活動(dòng)，準(zhǔn)確率為97%。在[4]中，C. Dinh等人提出了基于模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)跌落檢測(cè)方法。通過(guò)在人體上安裝一個(gè)加速度計(jì)，它可以檢測(cè)到四種類(lèi)型的跌落(向前、向后、橫向和崩塌)，準(zhǔn)確率高達(dá)94%。提出了一種基于模糊一類(lèi)支持向量機(jī)的跌落檢測(cè)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，使用兩臺(tái)攝像機(jī)來(lái)捕捉運(yùn)動(dòng)，結(jié)果表明99%的瀑布都能被正確檢測(cè)到。雖然這些系統(tǒng)可以以很高的精度捕獲不同的瀑布，但當(dāng)使用它們進(jìn)行接近瀑布檢測(cè)時(shí)，準(zhǔn)確率會(huì)顯著下降。目前的瀑布探測(cè)系統(tǒng)通常根據(jù)瀑布和正常活動(dòng)之間的不同特征來(lái)探測(cè)瀑布。然而，在接近瀑布時(shí)，人們身體的位置或方向、心率和血壓的變化并不像在瀑布時(shí)那么顯著。此外，近瀑布與其他日常生活活動(dòng)(adl)有許多相似之處，這使得近瀑布很難被識(shí)別和識(shí)別。與此同時(shí)，上述系統(tǒng)只能告訴醫(yī)生有跌落發(fā)生，但無(wú)法提供更多關(guān)于跌落是如何發(fā)生的以及受試者在跌落發(fā)生前做了什么事情的信息。由于人體可能有不同的生理特征，比如走路的方式和坐姿，所以只有被檢測(cè)到的跌倒并不能幫助醫(yī)生診斷個(gè)別受試者跌倒的原因。此外，研究人員無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中找到產(chǎn)生“真正的”近地墜落”的好方法，這使得近地墜落的研究非常困難。

從臨床角度來(lái)看，為了研究和檢測(cè)近墜，最有效和直接的方法是監(jiān)測(cè)人體在近墜發(fā)生時(shí)的運(yùn)動(dòng)，比如視頻。然而，在現(xiàn)實(shí)生活中，不可能在人們的房子里安裝攝像頭，并在考慮到保護(hù)人們隱私的基礎(chǔ)上不斷地捕捉運(yùn)動(dòng)。為了避免這一問(wèn)題，同時(shí)還能記錄有用的運(yùn)動(dòng)信息，本研究采用了運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)。近落點(diǎn)探測(cè)是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的課題，也是整個(gè)大張旗鼓項(xiàng)目的目標(biāo)。作為大張旗鼓項(xiàng)目的一部分，本文的目標(biāo)是使用動(dòng)作捕捉技術(shù)來(lái)持續(xù)記錄受試者正�；顒�(dòng)的動(dòng)作，并通過(guò)計(jì)算機(jī)化身來(lái)展示這些動(dòng)作。通過(guò)觀看阿凡達(dá)播放這些ADL動(dòng)作，醫(yī)生可以直觀的研究和分析正�；顒�(dòng)的相關(guān)特征，以后可以用于正�；顒�(dòng)中的準(zhǔn)跌落檢測(cè)和識(shí)別。運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)也可以與跌落檢測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，以提高精度。通常墜落檢測(cè)系統(tǒng)不是100%準(zhǔn)確。通過(guò)結(jié)合動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，一旦檢測(cè)到摔倒，醫(yī)生可以使用收集到的動(dòng)作信息生成一個(gè)虛擬化身，重復(fù)這個(gè)動(dòng)作，進(jìn)一步檢測(cè)它是真正的摔倒還是正常的活動(dòng)。

運(yùn)動(dòng)捕捉是一種實(shí)時(shí)記錄人體或其他系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)信息，并使用記錄信息顯示運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。它被用于機(jī)器人[6,7]、合成環(huán)境以及教育[8]、培訓(xùn)[9,10]和娛樂(lè)[11,12]的工具。它也顯示了在近地下降探測(cè)應(yīng)用中的巨大優(yōu)勢(shì)。有了運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，可以避免不斷監(jiān)測(cè)受試者的心率、肌肉強(qiáng)度或血壓。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)捕捉提供了身體各部分的運(yùn)動(dòng)信息，便于近身檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)。

近年來(lái)，在虛擬現(xiàn)實(shí)、生物力學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，為人體運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)開(kāi)發(fā)了大量的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)。這些系統(tǒng)包括機(jī)械傳感系統(tǒng)、光學(xué)傳感系統(tǒng)、聲學(xué)傳感系統(tǒng)、磁傳感系統(tǒng)和慣性運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)。機(jī)械運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，如吉普賽[13]和測(cè)量和ShapeWrap[14]使用外骨骼連接到鉸接的身體部分來(lái)測(cè)量關(guān)節(jié)角度。然而，佩戴外骨骼不僅會(huì)限制表演者的實(shí)際動(dòng)作，而且會(huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)讓人不舒服。光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)通常是基于測(cè)量光源發(fā)出的光或物體反射的光。典型的系統(tǒng)是Vicon[15]和Qualisys[16]。它受到計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)界和電影業(yè)的青睞。但它的缺點(diǎn)也很明顯:它依賴(lài)于一些復(fù)雜的設(shè)備，比如特殊的光源發(fā)生器、標(biāo)記或攝像頭，這些設(shè)備限制了房間空間的活動(dòng)范圍。聲學(xué)/超聲波跟蹤系統(tǒng)，如蟋蟀定位系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算發(fā)電機(jī)和標(biāo)記[17]之間的距離來(lái)檢測(cè)位置。它要求在測(cè)試環(huán)境中的不動(dòng)點(diǎn)上放置一個(gè)或多個(gè)聲音產(chǎn)生裝置，并在人體的部分上附加幾個(gè)聲音標(biāo)記。聲學(xué)傳感器通常比機(jī)械傳感器提供更大的探測(cè)范圍。然而，由于風(fēng)速、溫度和環(huán)境中的氣流等因素都影響聲速，從而影響距離檢測(cè)的準(zhǔn)確性，因此它們的準(zhǔn)確性會(huì)受到不同因素的影響。通過(guò)安裝在人體各節(jié)上的小磁傳感器來(lái)感知地球磁場(chǎng)或人工產(chǎn)生的磁場(chǎng)，還可以獲得位置和方向信息。多年來(lái)，這一直是一種流行的運(yùn)動(dòng)跟蹤方法。然而，不幸的是，這些磁性系統(tǒng)往往有很高的功耗，它們對(duì)環(huán)境中的鐵磁體極為敏感。

理想的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)必須滿(mǎn)足幾個(gè)要求。該系統(tǒng)成本低、功耗低，能夠承受光學(xué)、聲學(xué)或電磁噪聲等環(huán)境干擾，能夠跟蹤多個(gè)用戶(hù)并保持合理的精度，可在不同環(huán)境下使用，不受距離限制。上述運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)不能滿(mǎn)足描述的需求的主要原因是依賴(lài)于人工生成的“源”和標(biāo)記來(lái)確定方向和位置信息[18,19]。那些“來(lái)源”,并標(biāo)記在光學(xué)和聲學(xué)系統(tǒng)中,就可以很容易地看到它的光源(如激光、紅外和燈泡)或聲音發(fā)電機(jī)應(yīng)首先放在固定的點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和標(biāo)記應(yīng)附加測(cè)試人員接收的信號(hào)“來(lái)源”。

摘要近年來(lái)，隨著微電子機(jī)械慣性傳感器的發(fā)展，基于被動(dòng)測(cè)量物理量來(lái)確定傳感器的定位成為可能。慣性傳感器避免了與當(dāng)前技術(shù)相關(guān)的問(wèn)題，最終允許在幾乎無(wú)限的范圍內(nèi)捕捉運(yùn)動(dòng)。慣性傳感器運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)通常使用加速度計(jì)測(cè)量重力相關(guān)矢量和陀螺儀測(cè)量角速度的變化。目前有各種各樣不同的慣性傳感系統(tǒng)被提出和發(fā)展，以解決特定的問(wèn)題。例如，在[20]中使用可穿戴微慣性傳感器(加速度計(jì)和陀螺儀)提出了一種無(wú)處不在的人體上肢運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)。在[21]中，一個(gè)三軸加速度計(jì)被用來(lái)監(jiān)測(cè)某些人的運(yùn)動(dòng)和姿勢(shì)。此外，在[22]中還提供了一個(gè)同時(shí)使用加速度計(jì)和陀螺儀的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)，用于識(shí)別四種靜態(tài)姿勢(shì):站立、彎曲、坐臥。現(xiàn)有的慣性運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)通常檢測(cè)人體的某些部位，或只檢測(cè)特定類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)。本文提出了一種利用慣性傳感器的無(wú)線(xiàn)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以捕捉到我們?nèi)粘Ｉ�活中幾乎所有的基本日�；顒?dòng)。同時(shí)，所記錄的運(yùn)動(dòng)信息可進(jìn)一步用于醫(yī)學(xué)研究中的近地落點(diǎn)檢測(cè)。

1.2目標(biāo)與貢獻(xiàn)

本文提出了一種基于慣性傳感器的無(wú)線(xiàn)運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)，用于記錄相關(guān)運(yùn)動(dòng)信息并捕獲選定的10個(gè)adl。適應(yīng)的可移植性和多種戶(hù)外要求人體動(dòng)作捕捉系統(tǒng),所以那些被監(jiān)控仍然能夠執(zhí)行日�；顒�(dòng)-傳感器單元包含一個(gè)tri-axis加速度計(jì)和tri-axis陀螺儀,不需要任何額外的光源或聲音發(fā)電機(jī)。這個(gè)基于慣性傳感器的運(yùn)動(dòng)捕捉項(xiàng)目的主要目標(biāo)包括:

?使用低成本和低功耗可穿戴動(dòng)作捕捉系統(tǒng)捕捉ADLs接近摔倒的研究。

?發(fā)展低基于歐拉角算法ADL動(dòng)作捕捉。?構(gòu)建視覺(jué)計(jì)算機(jī)阿凡達(dá)模型顯示主體的動(dòng)作。

本項(xiàng)目提出的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的主要貢獻(xiàn)如下:

?這個(gè)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)可以捕獲完整的人類(lèi)身體動(dòng)作有些以前的研究只能檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的一部分。實(shí)驗(yàn)中選取的10個(gè)adl幾乎涵蓋了老年人日常生活中的所有基本活動(dòng)，而以往的研究只關(guān)注其中的一些運(yùn)動(dòng)。

?可以減少硬件成本只用加速度計(jì)和陀螺儀等相結(jié)合的磁力計(jì)Quaternion-based動(dòng)作捕捉系統(tǒng)(23、24)。前者可以降低硬件的復(fù)雜性和成本。

?相比傳統(tǒng)的歐拉angle-based算法[25],一個(gè)最佳的旋轉(zhuǎn)算法獲得精度高。

?創(chuàng)建的《阿凡達(dá)》動(dòng)畫(huà)可以極大地幫助醫(yī)生在研究和分析正�；顒�(dòng)的特點(diǎn),基于這醫(yī)生可以進(jìn)一步研究near-falls的特性。同時(shí)，這個(gè)動(dòng)畫(huà)可以給醫(yī)生直觀的圖片，告訴他們跌倒是如何發(fā)生的，并幫助他們?cè)\斷與跌倒相關(guān)的疾病。

如上所示，該慣性傳感器運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)不僅在醫(yī)學(xué)研究中顯示出巨大的潛力，在近距離探測(cè)中，也在其他應(yīng)用，如計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)，視頻游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)。

1.3論文大綱

本文的其余部分結(jié)構(gòu)如下:第二章回顧了剛體定位的不同表示方法。介紹了現(xiàn)有的人體運(yùn)動(dòng)建模算法。第三章介紹了基于歐拉角的人體運(yùn)動(dòng)捕獲算法。詳細(xì)討論了單旋轉(zhuǎn)順序算法和最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法。第四章討論了用于人體運(yùn)動(dòng)捕捉實(shí)驗(yàn)的微光傳感器系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。本章還介紹了SHIMMER平臺(tái)中使用的TinyOS環(huán)境和NESC語(yǔ)言。第五章介紹了實(shí)驗(yàn)的環(huán)境和實(shí)驗(yàn)步驟。實(shí)驗(yàn)的一些準(zhǔn)備工作在實(shí)施前已經(jīng)完成，包括傳感器的校準(zhǔn)、過(guò)夜漂移測(cè)試和測(cè)量。第六章介紹了基于歐拉角的人體運(yùn)動(dòng)捕獲算法的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、數(shù)據(jù)處理和仿真分析進(jìn)行了討論。并與以往的慣性運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)進(jìn)行了比較。最后一章是簡(jiǎn)短的總結(jié)和結(jié)論。同時(shí)也為進(jìn)一步的研究提供了建議。

2運(yùn)動(dòng)捕捉

20世紀(jì)70年代和80年代，運(yùn)動(dòng)捕捉(或運(yùn)動(dòng)跟蹤)最初是生物力學(xué)研究中的一種攝影測(cè)量分析工具。隨著[26]技術(shù)的成熟，這一技術(shù)后來(lái)擴(kuò)展到教育、培訓(xùn)、體育，最近又?jǐn)U展到電視、電影和視頻游戲的電腦動(dòng)畫(huà)。運(yùn)動(dòng)捕捉的主要任務(wù)是及時(shí)記錄系統(tǒng)(在本例中是人體)的相關(guān)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，以便即時(shí)或延遲分析和回放。除了捕捉身體運(yùn)動(dòng)的方位和位置信息外，該技術(shù)還被應(yīng)用于面部和肌肉塊的變形檢測(cè);例如區(qū)分手勢(shì)[27]。

本節(jié)介紹了人體運(yùn)動(dòng)捕捉的背景，包括人體運(yùn)動(dòng)捕捉中坐標(biāo)系的概念和剛體方向表示方法。在此基礎(chǔ)上，討論了現(xiàn)有的幾種運(yùn)動(dòng)捕獲算法以及已有的幾種運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)。

2.1人體運(yùn)動(dòng)捕捉中的坐標(biāo)系

為了表示剛體的方向，通常選擇附加在合適慣性坐標(biāo)系上的坐標(biāo)系，然后描述這些坐標(biāo)系內(nèi)的所有向量。人體運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)通常有兩種坐標(biāo)系:參考坐標(biāo)系和人體坐標(biāo)系。參考坐標(biāo)通常指向一些在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有改變的固定方向。因此，在參考坐標(biāo)系中，其他坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和位移都可以表示為一些動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)序列。而體坐標(biāo)系是根據(jù)安裝的傳感器來(lái)定義的，為運(yùn)動(dòng)分析提供了測(cè)量依據(jù)。

在討論人體運(yùn)動(dòng)捕捉方法之前，有必要定義幾種方法

- - - - - -

論文中使用的符號(hào)。在這里，選擇earth作為reference, let -， - and

軸線(xiàn)分別為向南、向東、向向上輻射的正交參考坐標(biāo)系。是

身體坐標(biāo)的正交三軸對(duì)齊到傳感器電路板的X, Y, z軸。由于傳感器板附著在體節(jié)上，忽略運(yùn)動(dòng)中肌肉的任何變形，因此體節(jié)可以表示為在體坐標(biāo)系中不變的向量。地-體坐標(biāo)系對(duì)構(gòu)成描述人體運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系。

Z e                                                                      Z b

yexb

X e                                                                      Y b

圖2.1地球坐標(biāo)系和人體坐標(biāo)系

圖2.1顯示了人體運(yùn)動(dòng)捕捉中使用的地球坐標(biāo)系和人體坐標(biāo)系。將重力方向與加速度計(jì)和陀螺儀測(cè)得的角信息相結(jié)合，可以把身體運(yùn)動(dòng)看作是在地球坐標(biāo)系中的身體坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)。運(yùn)動(dòng)捕獲的主要任務(wù)是利用慣性信息找到兩個(gè)坐標(biāo)系之間的關(guān)系。

2.2剛體方向表示方法

人體可以被建模為一組相關(guān)的剛體。剛體是忽略變形的有限尺寸實(shí)體的理想化。在不變形的情況下，連桿、關(guān)節(jié)、肢節(jié)和軀干可以簡(jiǎn)化為固定形狀的節(jié)段，排列成樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。指定身體的姿勢(shì)或姿態(tài)涉及到描述每一節(jié)的位置和方向。結(jié)構(gòu)中各個(gè)環(huán)節(jié)之間的自然關(guān)系將決定各個(gè)部分的位置和方向是單獨(dú)描述還是相對(duì)描述。具體來(lái)說(shuō)，肌肉和骨骼結(jié)構(gòu)限制了各個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)范圍。因此，要正確模擬人體運(yùn)動(dòng)，必須考慮許多因素。這些因素包括表示所有方向、計(jì)算效率、存儲(chǔ)容量和算法的能力。

剛體為固體，完全非彈性，為可變形體提供了方便的簡(jiǎn)化模型，對(duì)運(yùn)動(dòng)建模的限制較少。有許多方法用來(lái)表示剛體的方向，但每一個(gè)都有一些警告�？赡艿姆椒ò�括方向余弦，歐拉角，齊次矩陣和四元數(shù)和矢量角對(duì)。

2.2.1方向余弦

向量的方向余弦是向量與三個(gè)坐標(biāo)軸[28]之間的角度的余弦。

Z e

圖2.2方向余弦

那么，

(2.1)

其中，表示與對(duì)應(yīng)軸對(duì)齊的單位向量。。方向余弦是

和

(2.2)

(2.3)

(2.4)

(2.5),

在哪里，方向角，向量和正向量之間的角

——設(shè)在。

方向角表示簡(jiǎn)單直觀。然而，由于它不能描述剛體的動(dòng)態(tài)變化，特別是當(dāng)坐標(biāo)隨時(shí)間變化時(shí)，因此在體運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)中并不常用。

2.2.2歐拉角旋轉(zhuǎn)

傳統(tǒng)的方向表示方法之一稱(chēng)為歐拉角，它描述剛體的方向使用三個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于指定的軸。利用歐拉角，任何坐標(biāo)系都可以看作是參考坐標(biāo)系[29]連續(xù)旋轉(zhuǎn)的集合。

圖2.3歐拉角

如圖2.3所示，歐拉角為與、軸對(duì)應(yīng)的三個(gè)旋轉(zhuǎn)角。歐拉角是通過(guò)考慮旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的

所述的平移角可表示為橫搖(或橫搖)、俯仰(或由橫軸、橫軸、橫軸、橫軸、橫軸、橫軸等組成

仰角)和偏航(或方位角)分別。

用歐拉角來(lái)表示旋轉(zhuǎn)是很簡(jiǎn)單的。新坐標(biāo)中的向量可以用舊坐標(biāo)中的相同向量乘以相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣來(lái)表示。然而，三角函數(shù)的奇異性是歐拉角旋轉(zhuǎn)的主要缺點(diǎn)。

2.2.3同構(gòu)矩陣的轉(zhuǎn)換

齊次矩陣是既包含位置信息又包含旋轉(zhuǎn)信息的矩陣。在機(jī)器人技術(shù)中，參考坐標(biāo)中的位置被定義為位置向量[30]

(2.6)

(2.7)

X e

然后,

圖2.4向量[30]的一般變換

(2.9)

wh

代表                                                                       atrix是齊次變換，

通常表示為。該方法既包含了剛體的位置信息，又包含了剛體的方向信息，可以更直接、更全面地描述剛體的運(yùn)動(dòng)。然而，齊次矩陣也存在奇點(diǎn)問(wèn)題。

2.2.4四元數(shù)和矢量角對(duì)

四元數(shù)是一個(gè)擴(kuò)展復(fù)數(shù)的數(shù)字系統(tǒng)。1843年，愛(ài)爾蘭數(shù)學(xué)家威廉·羅文·漢密爾頓爵士首次對(duì)其進(jìn)行了描述，并將其應(yīng)用于三維空間[31]中的力學(xué)。

四元數(shù)使用三個(gè)“虛構(gòu)”部分和一個(gè)“真實(shí)”部分。虛部通常被認(rèn)為是一個(gè)向量。實(shí)部稱(chēng)為標(biāo)量。四元數(shù)可以由

(2.11)

或

(2.12)

其中，為三維空間的標(biāo)準(zhǔn)正交基，為虛部向量，為實(shí)部。直觀上，這三個(gè)虛部描述了a

矢量和實(shí)部表示矢量的旋轉(zhuǎn)角度。四元數(shù)具有以下[31]性質(zhì)

(2.13) (2.14) (2.15) (2.16)

對(duì)于任何給定的四元數(shù)，都有兩個(gè)可以使用的單位四元數(shù)

    (2.17)

表示它。他們是

它們都表示相同的方向。在這里，被用作單位四元數(shù)和

(2.18)

同樣，四元數(shù)也可以寫(xiě)成復(fù)數(shù)的三角函數(shù)，

9)

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1 = ? ? ? ? ? ? 1?1                                                                       (2.20)

上述方程的平移，其中向量。

圖2.5顯示了一個(gè)圍繞矢量旋轉(zhuǎn)的幾何接口

圖2.5四元數(shù)旋轉(zhuǎn)算子幾何[32]的事實(shí)，向量可以認(rèn)為是四元數(shù)與

作為一個(gè)問(wèn)題                                                                        實(shí)部被

零。這種表示被稱(chēng)為矢量角對(duì)，它只使用一個(gè)矢量和一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度來(lái)描述三維空間中的旋轉(zhuǎn)。這種方法避免了奇點(diǎn)，只涉及兩個(gè)三角函數(shù)而不是三個(gè)連續(xù)的歐拉旋轉(zhuǎn)。然而，這種方法需要更多的方向信息來(lái)評(píng)價(jià)新的旋轉(zhuǎn)四元數(shù)除了地球引力。為了獲得這一信息，人們通常使用加速度計(jì)、陀螺儀和磁強(qiáng)計(jì)作為傳感器節(jié)點(diǎn)，它不僅可以檢測(cè)重力的方向，還可以檢測(cè)地球磁場(chǎng)的方向。

方向余弦、歐拉角、齊次變換矩陣和四元數(shù)、矢量角對(duì)在圖形和機(jī)器人領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。方向余弦既簡(jiǎn)單又直觀。但是，在表示動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)了一些困難。齊次變換矩陣既包含旋轉(zhuǎn)方向又包含位置信息，可以直接、全面地描述運(yùn)動(dòng)。而使用矩陣將不可避免地增加計(jì)算復(fù)雜度。四元數(shù)和向量對(duì)只需要存儲(chǔ)7個(gè)數(shù)字，而在齊次矩陣中需要存儲(chǔ)16個(gè)數(shù)字來(lái)表示旋轉(zhuǎn)。雖然這種方法在運(yùn)動(dòng)捕獲應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用，但是為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)添加磁強(qiáng)計(jì)將涉及到硬件和軟件的復(fù)雜性。

2.3現(xiàn)有的身體運(yùn)動(dòng)捕捉算法

近年來(lái)，利用加速度計(jì)、陀螺儀等慣性傳感器跟蹤人體各部位運(yùn)動(dòng)的嘗試越來(lái)越多。加速度計(jì)根據(jù)重力測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的加速度，陀螺儀測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速度。這些傳感器還可以與磁強(qiáng)計(jì)結(jié)合使用，磁強(qiáng)計(jì)可以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中探測(cè)到地球磁場(chǎng)的方向。由于對(duì)這一領(lǐng)域的研究已經(jīng)進(jìn)行了多年，在此基礎(chǔ)上討論了多種基于不同方向表示方法的算法。例如，四元數(shù)姿態(tài)濾波器在[18,33]中得到了應(yīng)用，目前在慣性傳感器和磁傳感器聯(lián)合使用時(shí)被廣泛應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)捕捉。另一個(gè)例子是使用在[34]中可以找到的齊次矩陣。這種方法在機(jī)器人技術(shù)中很流行，它既考慮了每個(gè)部分的方向，也考慮了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中整個(gè)身體的位置變化。

相對(duì)于其他方法，方向余弦更容易在三維空間中描述靜態(tài)方向，但動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)表示的困難也很明顯。本文討論了基于四元數(shù)的姿態(tài)濾波器和基于均勻矩陣的運(yùn)動(dòng)捕捉方法。它們都使用三個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)(即，加速度計(jì)，陀螺儀和磁強(qiáng)計(jì))，用于定位跟蹤和定位檢測(cè)。

2.3.1基于四元數(shù)的姿態(tài)濾波器用于全身運(yùn)動(dòng)捕捉

圖2.6是[18]中使用的互補(bǔ)四元數(shù)姿態(tài)估計(jì)濾波器的框圖。這個(gè)過(guò)濾器接受三個(gè)獨(dú)立傳感器的輸入，加速度計(jì)，磁強(qiáng)計(jì)和陀螺儀。它們中的每一個(gè)都是一個(gè)三軸裝置，這些軸對(duì)齊在一起形成一個(gè)正交的三維體坐標(biāo)系(，，)相對(duì)于參考坐標(biāo)系(，，)。濾波器的輸入由陀螺儀(，，)測(cè)得的三個(gè)角速度、加速度計(jì)(，，)測(cè)得的三個(gè)加速度和體坐標(biāo)系中磁矢量(，，)測(cè)得的三個(gè)磁矢量組成。其輸出為單元四元數(shù)，包含剛體的方向信息。

圖2.6

基于四元數(shù)的姿態(tài)濾波器[18]

從圖2.6的方框圖中可以看出，四分之一是根據(jù)陀螺儀采集的角速度數(shù)據(jù)估算出來(lái)的。

用此關(guān)系式可以得到速率四元數(shù)

  (2.21)

其中所示積為四元數(shù)積，為體坐標(biāo)系[18]中陀螺儀測(cè)量的角速度。

新的估計(jì)可以

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算，其中

[18]:

?

，定義為

(2.23)

得到每步的四元數(shù)后，通過(guò)Eq.(2.20)計(jì)算得到相應(yīng)的方向。

在無(wú)誤差、無(wú)噪聲的環(huán)境中，單位四元數(shù)只能用陀螺儀來(lái)計(jì)算。然而，在現(xiàn)實(shí)中，角速率傳感器獲取數(shù)據(jù)時(shí)總是存在誤差。這種誤差會(huì)在每一步累積，使得方向計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值相差很大。因此，為了修正誤差，利用加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)的數(shù)據(jù)來(lái)得到不變的地球重力和磁場(chǎng)方向。每一步的誤差向量為

重力矢量和磁場(chǎng)的實(shí)測(cè)值在哪里

(2.24)

基于當(dāng)前方向估計(jì)的計(jì)算值(在最后一步計(jì)算)。一旦獲得了誤差信息，這個(gè)誤差就可以用高斯-牛頓迭代法進(jìn)行修正。

基于四元數(shù)的姿態(tài)濾波器不受方向奇異性的影響，可以通過(guò)反饋不斷修正漂移誤差。這種濾波器的特性使得它特別適用于具有高線(xiàn)性加速度的人體捕獲應(yīng)用。為了提高這種基于四元數(shù)的姿態(tài)濾波器的精度，許多研究者開(kāi)始考慮在這種結(jié)構(gòu)中加入卡爾曼濾波器的其他最優(yōu)算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有較好的性能[35,36]。

2.3.2基于齊次矩陣的人體運(yùn)動(dòng)捕獲方法

提出了一種基于齊次矩陣的實(shí)時(shí)鉸接人體運(yùn)動(dòng)捕獲算法。如圖2.7所示，兩個(gè)連接段用兩個(gè)不同的體坐標(biāo)表示，其中段有三個(gè)正交-，

-和-軸和線(xiàn)段也有三個(gè)正交-、-和-軸。它們都由三軸加速度計(jì)、三軸磁強(qiáng)計(jì)和三軸陀螺儀組成。是相對(duì)于部分旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸。角的定義是關(guān)節(jié)角度，通過(guò)這個(gè)角度，節(jié)段相對(duì)于節(jié)段旋轉(zhuǎn)。

圖2.7物理段模型及其正交定義

坐標(biāo)[34]

根據(jù)關(guān)節(jié)角度和旋轉(zhuǎn)軸的方向表示，得到了節(jié)段坐標(biāo)系與節(jié)段坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣

可以表示為[30]嗎

讓和                                                                        為坐標(biāo)中的重力分量

——分別由加速度計(jì)測(cè)量。

nd                                                                        地球磁場(chǎng)是組成部分嗎

分別用附在線(xiàn)段和線(xiàn)段上的磁力儀測(cè)量。那么，段的旋轉(zhuǎn)可以表示為

(2.26)

和

   (2.27)

在哪里

框架

e簡(jiǎn)化為[34]

由式(2.26)可得

29)

在哪里

角速度測(cè)量系統(tǒng)的組成部分-。讓

卡爾曼濾波器中的狀態(tài)向量。

e

紅色由坐標(biāo)中的陀螺儀控制

,

哪個(gè)可以用作

當(dāng)考慮剛體的位置時(shí)，這里使用齊次矩陣來(lái)描述位置信息，定義為

其中為節(jié)段的物理長(zhǎng)度，為關(guān)節(jié)角。連接段的方向可以描述為這些齊次矩陣的乘積。

該方法在均勻矩陣中表示單個(gè)或連通段的方向和位移。但是，質(zhì)量矩陣的乘法運(yùn)算降低了計(jì)算效率。

3基于歐拉角度的身體運(yùn)動(dòng)捕捉

算法

如第二章所述，基于四元數(shù)的姿態(tài)濾波器和基于均勻矩陣的方法都需要三個(gè)傳感器:陀螺儀、磁強(qiáng)計(jì)和加速度計(jì)。然而，在一個(gè)傳感器板上構(gòu)建這三個(gè)傳感器將大大增加硬件技術(shù)和算法計(jì)算的復(fù)雜性。雖然現(xiàn)在有一些商業(yè)產(chǎn)品將三個(gè)傳感器組合成一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，但是價(jià)格通常很高。為了降低成本，降低復(fù)雜程度，降低精度不確定，提出了一種利用三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀跟蹤十種adl的運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)。采用了基于歐拉角的體運(yùn)動(dòng)捕獲算法，而不是基于四元數(shù)的姿態(tài)濾波器或基于同構(gòu)矩陣的方法，具有簡(jiǎn)單直觀、計(jì)算復(fù)雜度低的特點(diǎn)。本章討論了兩種基于歐拉角的體運(yùn)動(dòng)捕獲算法。

歐拉角和旋轉(zhuǎn)矩陣廣泛用于表示動(dòng)態(tài)方向的變化。每個(gè)旋轉(zhuǎn)都可以寫(xiě)成一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣。如果一個(gè)向量旋轉(zhuǎn)到不同的方向，它可以表示為一個(gè)向量乘以相應(yīng)的矩陣具有一定的順序。歐拉角通常對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)更加熟悉，它們的值更加直觀和可預(yù)測(cè)，這些角可以很容易地從陀螺儀收集到的旋轉(zhuǎn)速率轉(zhuǎn)換。該方法主要考慮的是奇異性，因?yàn)樾�轉(zhuǎn)矩陣中的所有元素都是三角函數(shù)。在數(shù)學(xué)中，奇異性通常發(fā)生在分母為零，而分子等于一個(gè)常數(shù)的時(shí)候，或者是一些函數(shù)，比如正切函數(shù)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度相交時(shí)，它會(huì)從原點(diǎn)跳到原點(diǎn)。然而，本文討論的基于歐拉角的算法不涉及正切函數(shù)，所有的adl都是正常的活動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)中，傳感器的采樣率為每秒50個(gè)采樣。由于每個(gè)試樣的體段的旋轉(zhuǎn)速度幾乎不能達(dá)到90度，所以沒(méi)有發(fā)生奇點(diǎn)。

3.1運(yùn)動(dòng)捕捉采用單旋轉(zhuǎn)順序算法

基本的測(cè)試環(huán)境很簡(jiǎn)單。佩戴多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的測(cè)試對(duì)象可以執(zhí)行可跟蹤、記錄和監(jiān)視的特定操作。對(duì)于每一個(gè)動(dòng)作，被試都有一個(gè)開(kāi)始的姿勢(shì);這個(gè)線(xiàn)段的初始位置可以表示為地球坐標(biāo)系中的一組向量，其中，2,n代表不同的樣本。由于附著在物體段上的傳感器在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)隨物體段一起變化，所以物體段向量，其中，2,n為樣本，在物體坐標(biāo)系中，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終是固定的。忽略體段傳感器方向的微小偏移量，體坐標(biāo)等于運(yùn)動(dòng)前的地球坐標(biāo)，即,。

3.1.1歐拉角在地球坐標(biāo)系和物體坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)

圖3.1顯示了地球坐標(biāo)和身體坐標(biāo)之間的三個(gè)基本旋轉(zhuǎn)。其中，roll，為參考x軸的旋轉(zhuǎn)，俯仰，為參考y軸的旋轉(zhuǎn)，偏航，為參考z軸的旋轉(zhuǎn)。

用地球參考坐標(biāo)系為，，體坐標(biāo)系為，，，對(duì)應(yīng)的rota

關(guān)于矩陣由:

(3.1)

(3.2)

(3.3)

s是y軸以一定角度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣，為

x軸以一個(gè)角度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣。歐拉角通常定義為:首先旋轉(zhuǎn)x軸坐標(biāo)，然后旋轉(zhuǎn)y軸坐標(biāo)，最后旋轉(zhuǎn)z軸坐標(biāo)。因此，總旋轉(zhuǎn)矩陣可以寫(xiě)成，即相對(duì)于參考坐標(biāo)(地球坐標(biāo))旋轉(zhuǎn)身體坐標(biāo):

在地球系統(tǒng)中，表示為

(3.5)

或

(3.6)

Eq.(3.5)和Eq.(3.6)反映了人體運(yùn)動(dòng)捕捉應(yīng)用中人體與地球坐標(biāo)系的關(guān)系。本章的算法基于這些基本方程。

3.1.2單旋轉(zhuǎn)順序算法

圖3.2顯示了使用陀螺儀描述身體部分方向跟蹤的方框圖。由陀螺儀采集的角速度記為

對(duì)應(yīng)于X Y Z軸。積分(時(shí)間)后，這些角速度轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)角度，即，俯仰，偏航和橫搖。旋轉(zhuǎn)矩陣是基于這些旋轉(zhuǎn)角度，可以計(jì)算出新的方向。

圖3.2單旋轉(zhuǎn)順序算法框圖

是由陀螺儀傳感器收集的嗎

步進(jìn)，角速度

同位角由

r和

(3.7)(3.8)(3.9)

(3.11)

其中，是物體坐標(biāo)系到地球坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，并且

(3.12)

因此，向量的每一個(gè)當(dāng)前位置都可以由原向量乘成一系列旋轉(zhuǎn)矩陣來(lái)計(jì)算。這種方法非常直觀，因?yàn)樗�有的方向信息都是由旋轉(zhuǎn)角度直接轉(zhuǎn)換的。理想情況下，如果傳感器節(jié)點(diǎn)中使用的陀螺儀具有足夠高的靈敏度和精度，那么僅使用角速度數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)方向跟蹤。但由于靈敏度和環(huán)境干擾的限制，陀螺儀數(shù)據(jù)往往含有噪聲和漂移，導(dǎo)致誤差累積。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)序列的確定也比較困難。這里，假設(shè)旋轉(zhuǎn)首先是X軸，然后是Y軸，最后是Y軸。然而，在現(xiàn)實(shí)中，由于三個(gè)更新后的角速度是同時(shí)得到的，很難說(shuō)哪個(gè)軸首先旋轉(zhuǎn)。

3.2運(yùn)動(dòng)捕捉采用最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法

在上述單旋轉(zhuǎn)順序算法中，先假設(shè)旋轉(zhuǎn)X軸，然后是Y軸，最后是Z軸。然而，在真正的人體運(yùn)動(dòng)中并不總是如此。雖然仿真前可以選擇不同的順序，但在計(jì)算過(guò)程中總是固定不變的。在本節(jié)中，我們將討論順序如何影響方向檢測(cè)結(jié)果，以及具有更好性能的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法。

3.2.1旋轉(zhuǎn)順序如何影響方向

慣性運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)利用加速度計(jì)和陀螺儀來(lái)確定物體的方向。這樣一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)可以看作是不同身體部分的一系列旋轉(zhuǎn)。由陀螺儀采集的角速度數(shù)據(jù)包含了給定身體部分的旋轉(zhuǎn)信息。時(shí)間積分之后，一個(gè)角速度被轉(zhuǎn)換成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的角度。三個(gè)歐拉角對(duì)應(yīng)三個(gè)軸:俯仰、偏航、橫搖，如圖3.1所示。如果旋轉(zhuǎn)序列是

設(shè)為:先旋轉(zhuǎn)x軸，再旋轉(zhuǎn)y軸，最后旋轉(zhuǎn)z軸，其旋轉(zhuǎn)矩陣如式(3.4)所示。

歐拉角序列可以自然地分為兩類(lèi):一類(lèi)序列沒(méi)有重復(fù)軸(即， XYZ, YZX, ZXY, ZYX, XZY, YXZ);類(lèi)型2序列重復(fù)第一個(gè)軸作為最后一個(gè)軸(即， XYX, XZX, YXY, YZY, ZXZ, ZYZ)�？偣灿�12個(gè)可能的旋轉(zhuǎn)序列。由于實(shí)驗(yàn)中每個(gè)樣本都考慮了這三個(gè)軸，因此這里只討論類(lèi)型1序列。

圖3.3顯示了旋轉(zhuǎn)順序如何影響旋轉(zhuǎn)向量的示例�？紤]一個(gè)從方向開(kāi)始的向量??=(0,1,0).在圖3.3 (a)中，??首先對(duì)x軸旋轉(zhuǎn)45°,然后45°z軸。這就產(chǎn)生了一個(gè)結(jié)果變換向量??1 =(0.5、0.5?0.707)。在圖3.3 (b)中，反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的順序，即,對(duì)z軸旋轉(zhuǎn)45°和45°軸獲得

。

很明顯這與旋轉(zhuǎn)順序不同。

n z軸的旋轉(zhuǎn)45°

圖3.3旋轉(zhuǎn)矢量

由不同的訂單

3.2.2最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法

由于旋轉(zhuǎn)順序會(huì)對(duì)方向檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，因此需要一種確定物體節(jié)段旋轉(zhuǎn)順序的方法。陀螺儀和加速度計(jì)的組合在運(yùn)動(dòng)捕捉應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。由于地球重力場(chǎng)的方向不隨時(shí)間變化，通過(guò)加速度計(jì)提供參考，以檢查陀螺方向估計(jì)的結(jié)果。在使用角速度進(jìn)行動(dòng)作捕捉時(shí)，一個(gè)重要的考慮因素是旋轉(zhuǎn)順序或旋轉(zhuǎn)順序。

在實(shí)驗(yàn)中，陀螺儀傳感器同時(shí)收集X、Y、Z軸的三個(gè)角速度，因此很難確定旋轉(zhuǎn)發(fā)生的順序。圖3.4給出了使用陀螺儀和加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)的方向跟蹤過(guò)程的框圖。

圖3.4最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法框圖

在圖3.4中，考慮了所有六個(gè)可能的旋轉(zhuǎn)序列，即:X-Y-Z, Y-Z-X, Y-X-Z, Z-X-Y, Z-Y-X, X-Z-Y。因此，根據(jù)上述序列可以生成6個(gè)不同的旋轉(zhuǎn)矩陣，記為，，，，

,

和。讓我們參考地球坐標(biāo)和重力方向

表示在體坐標(biāo)系中估計(jì)的地球重力。重力方向是地球坐標(biāo)系中的一個(gè)固定向量。通過(guò)將所有六個(gè)可能的旋轉(zhuǎn)矩陣(獨(dú)立地)相乘，得到了樣本的六個(gè)估計(jì)重力向量

30.

(3.15)

產(chǎn)生最小誤差的旋轉(zhuǎn)矩陣(如上所述)隨后作為步進(jìn)旋轉(zhuǎn)矩陣使用。下一個(gè)步驟的姿態(tài)，被計(jì)算為

(3.16)

與單旋轉(zhuǎn)順序算法相比，最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法利用加速度計(jì)獲得的數(shù)據(jù)檢測(cè)地球重力方向，作為估計(jì)真實(shí)旋轉(zhuǎn)序列的參考。因此，它將得到更精確的運(yùn)動(dòng)捕捉結(jié)果。

身體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)架構(gòu)

在這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)捕捉研究中使用的慣性無(wú)線(xiàn)傳感器是在最新版本的SHIMMER(用智能模塊化、移動(dòng)性和實(shí)驗(yàn)可重用性來(lái)感知健康)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的。SHIMMER是Realtime Technologies Ltd.推出的一款小型無(wú)線(xiàn)傳感器平臺(tái)，設(shè)計(jì)為可穿戴傳感器單元，它可以將無(wú)線(xiàn)心電圖(ECG)、肌電圖(EMG)、GSR(皮膚電反應(yīng))加速度計(jì)、陀螺儀、傾斜傳感器和磁傳感器結(jié)合在一起，實(shí)時(shí)記錄和傳輸生理和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

在本研究中，一個(gè)三軸加速度計(jì)和一個(gè)三軸陀螺儀被合并到一個(gè)微光單元來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。本節(jié)概述SHIMMER硬件體系結(jié)構(gòu)并討論所包含的硬件子系統(tǒng)。介紹了在SHIMMER平臺(tái)中使用的軟件。

4.1 SHIMMER系統(tǒng)硬件圖

圖4.1顯示了閃爍基板連接和集成設(shè)備[38]的框圖。SHIMMER系統(tǒng)由低功耗MSP430F1611單片機(jī)，三軸加速度計(jì)，三軸陀螺儀，無(wú)線(xiàn)通信模塊，IO和內(nèi)存擴(kuò)展(高達(dá)2GByte MicroSD)組成。微控制器控制設(shè)備的完整操作，并提供操作警報(bào)和消息。角速度和地球重力分別由陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量。數(shù)據(jù)可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接發(fā)送到計(jì)算機(jī)或存儲(chǔ)在MicroSD設(shè)備中。SHIMMER還具有功率控制功能，包括軟功率開(kāi)關(guān)、功率監(jiān)控和低電量關(guān)機(jī)。

圖4.1微光系統(tǒng)示意圖

本章將詳細(xì)討論每個(gè)子系統(tǒng)的功能描述。它們是微控制器，加速度計(jì)，陀螺儀，無(wú)線(xiàn)通信模塊，IO和內(nèi)存擴(kuò)展。

4.1.1 MSP430F1611混合信號(hào)單片機(jī)

SHIMMER系統(tǒng)使用的處理器是德州儀器公司的16位超低功耗微控制器MSP430F1611，它是在便攜式測(cè)量應(yīng)用中設(shè)計(jì)的。它有兩個(gè)內(nèi)置的16位定時(shí)器，一個(gè)快速的12位ADC，雙12位DACs，一個(gè)或兩個(gè)通用同步/異步接收器/發(fā)射機(jī)(USART)， I2C, DMA和48 I/O引腳。MSP430F1611單片機(jī)為內(nèi)存密集型應(yīng)用程序和大型C-stack需求[39]提供了擴(kuò)展的10Kbyte RAM和48Kbyte flash。在這個(gè)身體動(dòng)作捕捉系統(tǒng)中，使用8通道12位ADC將陀螺儀測(cè)量的數(shù)據(jù)從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。三軸陀螺儀數(shù)據(jù)和三軸加速度計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換使用了單片機(jī)內(nèi)置ADC的6通道。

4.1.2 MMA7361三軸MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))加速度計(jì)

MMA7361L是飛思卡爾半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種低功耗、低剖面電容式三軸微機(jī)械加速度計(jì)。典型的特征包括信號(hào)調(diào)節(jié)，單極低通濾波器，溫度補(bǔ)償，自我測(cè)試，0g-detect(探測(cè)到線(xiàn)性自由落體)和g-select(允許在兩種靈敏度之間進(jìn)行選擇)。零-g偏置和靈敏度是出廠設(shè)置，不需要外部設(shè)備。MMA7361L也有睡眠模式，使其理想的手持電池供電電子[40]。

這種微小的三軸加速度計(jì)已經(jīng)在許多不同的應(yīng)用中得到應(yīng)用，例如在3d游戲中傾斜和運(yùn)動(dòng)感知、圖像穩(wěn)定性、手機(jī)中的文本滾動(dòng)和運(yùn)動(dòng)撥號(hào)、導(dǎo)航中的電子羅盤(pán)傾斜補(bǔ)償以及在筆記本電腦或PC上的下降和接近下降檢測(cè)。

4.1.3陀螺儀

陀螺儀是一個(gè)微光擴(kuò)展模塊，提供三軸角速率傳感與剛性板實(shí)現(xiàn)，以確保垂直z軸。它集成了雙軸角速率陀螺儀來(lái)執(zhí)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)傳感應(yīng)用。陀螺板采用下一代MEMS技術(shù)，提供更高的性能。所述陀螺板通過(guò)內(nèi)部連接器銷(xiāo)連接到所述微光主板，并包含在微光外殼內(nèi)。在固定的參考輸出下，陀螺儀板運(yùn)行一個(gè)二次低跌落電源調(diào)節(jié)器(LDO)，以改進(jìn)電源噪聲抑制[41]。主要功能包括[42]:

?零信號(hào)偏移校準(zhǔn)參考水平

?Auto-zero控制精密傳感應(yīng)用程序?陀螺溫度傳感監(jiān)測(cè)精度

?二級(jí)電力經(jīng)常拒絕系統(tǒng)噪聲?可編程的指標(biāo)

?針孔重置

陀螺儀提供500度/秒的全量程和2.0mV/度/秒的靈敏度。當(dāng)與SHIMMER的集成加速度計(jì)結(jié)合時(shí)，兩者都提供了完整的6度自由運(yùn)動(dòng)捕捉。

4.1.4無(wú)線(xiàn)通信模塊

作為一個(gè)無(wú)線(xiàn)平臺(tái)，SHIMMER確保了802.15.4和藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)電解決方案的高質(zhì)量通信，但這兩個(gè)無(wú)線(xiàn)電不能同時(shí)操作。

IEEE 802.15.4是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，它指定了低速率無(wú)線(xiàn)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(lr - wpan)的物理層和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制，主要關(guān)注于設(shè)備之間的低成本、低速無(wú)所不在的通信。重點(diǎn)是附近設(shè)備的低成本通信，幾乎沒(méi)有底層基礎(chǔ)設(shè)施，打算利用這一點(diǎn)進(jìn)一步降低功耗。

藍(lán)牙(IEEE 802.15.1)是一種專(zhuān)有的開(kāi)放無(wú)線(xiàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用于在固定和移動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行短距離(使用短波長(zhǎng)的無(wú)線(xiàn)電傳輸)數(shù)據(jù)交換，創(chuàng)建具有高安全[44]級(jí)別的個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(pan)。802.15.4與藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)電的關(guān)鍵特性比較如表4.1所示。選擇應(yīng)該基于應(yīng)用程序需求和可用資源。

表4.1 802.15.4和藍(lán)牙[38]的特點(diǎn)

雖然IEEE 802.15.4由于能耗低、范圍寬、對(duì)更多設(shè)備的容忍度高，有利于遙測(cè)系統(tǒng)，但藍(lán)牙保持較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于有10個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器將大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)，所以在這次運(yùn)動(dòng)捕捉實(shí)驗(yàn)中選擇藍(lán)牙進(jìn)行通信�，F(xiàn)在大多數(shù)醫(yī)療設(shè)備都與藍(lán)牙兼容，這使得結(jié)合其他醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行近距離探測(cè)研究變得更加容易。

4.1.5 IO和內(nèi)存擴(kuò)展

SHIMMER平臺(tái)提供內(nèi)部和外部擴(kuò)展。內(nèi)部擴(kuò)展用于內(nèi)部傳感器子板，其中可以選擇更多的傳感器。外部擴(kuò)展是一個(gè)18引腳頭，可用于用戶(hù)充電，編程和拴傳感器擴(kuò)展。通過(guò)外部擴(kuò)展頭，可以配置一個(gè)SPI(串行外圍接口)和一個(gè)UART(通用異步收發(fā)器)接口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)MicroSD卡中的數(shù)據(jù)。MicroSD卡可以手動(dòng)安裝在閃爍底板上，以合并額外的內(nèi)存資源。容量可達(dá)2Gbytes，這允許在閃爍器運(yùn)行時(shí)、網(wǎng)絡(luò)中斷或更換電池時(shí)額外存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。還增加了SD主機(jī)數(shù)據(jù)旁路功能，以提高可用性。它結(jié)合了寬帶模擬多路復(fù)用器和三態(tài)邏輯緩沖的某些信號(hào)路由到外部連接器提供直接和立即訪(fǎng)問(wèn)閃存使用外部SD-flash卡控制器高速數(shù)據(jù)傳輸[38]。

4.2 SHIMMER系統(tǒng)軟件環(huán)境

SHIMMER平臺(tái)使用TinyOS操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、測(cè)試和驗(yàn)證SHIMMER嵌入式軟件(固件)。TinyOS是為低功耗無(wú)線(xiàn)設(shè)備設(shè)計(jì)的基于開(kāi)源組件的操作系統(tǒng)[38,45]。用TinyOS編寫(xiě)的語(yǔ)言稱(chēng)為NESC (Network Embedded Systems C)[46]，它是一種基于組件的、事件驅(qū)動(dòng)的編程語(yǔ)言，用于為T(mén)inyOS平臺(tái)構(gòu)建應(yīng)用程序。它是C編程語(yǔ)言的擴(kuò)展，組件“連接”在TinyOS上運(yùn)行應(yīng)用程序。TinyOS操作系統(tǒng)在SHIMMER平臺(tái)上的功能包括:

?MicroSD閃存?脂肪文件系統(tǒng)

?內(nèi)部IP堆棧802.15.4。提供服務(wù)

?藍(lán)牙配置、連接管理和流媒體數(shù)據(jù)傳輸?實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊

?外圍控制和配置?電源監(jiān)控

TinyOS是用NESC編程語(yǔ)言編寫(xiě)的嵌入式操作系統(tǒng)，是一組協(xié)作的任務(wù)和過(guò)程。這個(gè)編程環(huán)境支持各種低功耗設(shè)備，具有幾千字節(jié)的內(nèi)存和無(wú)線(xiàn)通信能力[45]。它是為網(wǎng)絡(luò)傳感器設(shè)計(jì)的，硬件要求最低。NESC是C的一個(gè)擴(kuò)展，旨在體現(xiàn)TinyOS[47]的結(jié)構(gòu)概念和執(zhí)行模型，并使用定制的NESC編譯器。

圖4.2

NESC應(yīng)用[40]

圖4.2顯示了NESC應(yīng)用的基本思想。應(yīng)用程序由一個(gè)或多個(gè)連接在一起的組件組成，以形成可執(zhí)行文件。對(duì)于每個(gè)應(yīng)用程序，都有一個(gè)連接內(nèi)部組件的頂級(jí)配置。NESC應(yīng)用程序的基本要素如下:

組件:提供并使用定義良好的雙向接口來(lái)構(gòu)建NESC應(yīng)用程序塊。每個(gè)組件都有一個(gè)“規(guī)范”，一個(gè)代碼塊，聲明它提供(實(shí)現(xiàn))的函數(shù)和它使用(調(diào)用)的函數(shù)。NESC有兩種組件:配置和模塊。

模塊:提供應(yīng)用程序代碼，實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)接口。

配置:將其他組件組裝在一起，將組件使用的接口連接到其他組件提供的接口，即“連接”。

接口:聲明接口提供程序必須實(shí)現(xiàn)的一組稱(chēng)為“命令”的函數(shù)，以及接口用戶(hù)必須實(shí)現(xiàn)的另一組稱(chēng)為“事件”的函數(shù)。接口是雙向的，它是訪(fǎng)問(wèn)組件的唯一點(diǎn)。

命令:接口提供程序必須實(shí)現(xiàn)的函數(shù)。

事件:由接口提供程序聲明，但接口用戶(hù)必須根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)它們。

TinyOS和NESC更詳細(xì)的信息可以在[45-47]中找到。

5運(yùn)動(dòng)捕捉實(shí)驗(yàn)

由于大張旗鼓的項(xiàng)目是針對(duì)老年人跌倒和接近跌倒的檢測(cè)，從理論上講，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該對(duì)老年人進(jìn)行測(cè)試。然而，涉及到老年人的實(shí)驗(yàn)可能有一些健康考慮。例如，他們是否可以根據(jù)自己的身體狀況佩戴這些傳感器進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)，是否有保護(hù)措施防止他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中意外受傷。相反，年輕人通常比老年人強(qiáng)壯和健康得多，研究年輕人的正�；顒�(dòng)可以幫助醫(yī)生了解老年人的行為。同時(shí)，本文提出的人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)只是一個(gè)比較大張旗鼓項(xiàng)目目標(biāo)的原型，需要大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其可行性、可靠性和安全性。在未來(lái)，一旦系統(tǒng)通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)得到很好的測(cè)試，并且方法在年輕人身上得到驗(yàn)證，老年人可以在醫(yī)生的指導(dǎo)下在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)中，兩名男性受試者(受試者#1和#2)和一名女性受試者(受試者#3)在20 - 30歲之間進(jìn)行選擇adl的測(cè)試。為了在電腦中創(chuàng)造出一個(gè)完整的身體化身，我們選取了10個(gè)微光傳感器，對(duì)人體進(jìn)行計(jì)數(shù)，并采集運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。十是一個(gè)最小的數(shù)字，根據(jù)這個(gè)數(shù)字可以生成一個(gè)全身化身。在該系統(tǒng)中增加傳感器可以提高捕獲結(jié)果的準(zhǔn)確性，但減少傳感器的數(shù)量將直接影響adl的識(shí)別。所有微光傳感器的采樣率為每秒50個(gè)樣品。進(jìn)行的動(dòng)作捕捉實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖5.1所示。

圖5.1人體運(yùn)動(dòng)捕捉實(shí)驗(yàn)流程圖

實(shí)驗(yàn)前完成傳感器標(biāo)定，使傳感器誤差最小化，并記錄尺度參數(shù)。傳感器標(biāo)定后，由于傳感器易發(fā)生數(shù)據(jù)漂移誤差，如果漂移顯著，則無(wú)法保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此需要進(jìn)行隔夜傳感器漂移測(cè)試。另外，在實(shí)驗(yàn)前還需要確定傳感器節(jié)點(diǎn)的安裝位置。為了進(jìn)一步的工作，需要記錄測(cè)試對(duì)象的相應(yīng)的身體段測(cè)量數(shù)據(jù)。接下來(lái)，執(zhí)行10個(gè)ADL實(shí)驗(yàn)，在此過(guò)程中，測(cè)試對(duì)象按照?qǐng)D5.1中所示的每個(gè)ADL測(cè)試的虛線(xiàn)塊中的步驟進(jìn)行操作。本節(jié)的其余部分將對(duì)每一個(gè)步驟進(jìn)行更詳細(xì)的解釋。

5.1傳感器校準(zhǔn)

傳感器標(biāo)定是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟，可以最大限度地減少傳感器本身引起的誤差。利用加速度計(jì)和陀螺儀標(biāo)定微光節(jié)點(diǎn)意味著可以獲得參數(shù)，這些參數(shù)可用于將傳感器采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有物理意義的單元數(shù)據(jù)。理想情況下，這可以通過(guò)使用每個(gè)傳感器數(shù)據(jù)表中的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)，而無(wú)需進(jìn)行任何校準(zhǔn)。然而，在現(xiàn)實(shí)中，傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)可能因設(shè)備而異�？赡艿脑�因包括正常的制造波動(dòng)，環(huán)境溫度和電源電壓。由于傳感器有兩種:加速度計(jì)和陀螺儀，因此它們的校準(zhǔn)將分別進(jìn)行。

5.1.1加速度計(jì)標(biāo)定

對(duì)于加速度計(jì)的標(biāo)定，三個(gè)軸分別標(biāo)定[40,48,49]。當(dāng)在一個(gè)軸上校準(zhǔn)加速度計(jì)時(shí)，首先，讓加速度計(jì)坐在一個(gè)水平的桌子上，選擇的軸向下指向大約20秒。由地球重力引起的加速度被測(cè)量為。然后，翻轉(zhuǎn)傳感器，讓軸向上指向20秒，測(cè)量值是

�；�于這兩個(gè)值，期望值???對(duì)應(yīng)于0g(中點(diǎn)

的價(jià)值

和)可以很容易地計(jì)算。記錄了這個(gè)0g值

它將會(huì)從真正的實(shí)驗(yàn)值中去掉。

acc

式中為加速度計(jì)數(shù)據(jù)標(biāo)定值，其單位為(1 =重力加速度，9.81 m/s2)。為軸加速度計(jì)原始值。為軸的計(jì)算中點(diǎn)。在這里，和的值只對(duì)一個(gè)傳感器的特定軸有效，它們應(yīng)該在校準(zhǔn)時(shí)為每個(gè)傳感器中的每個(gè)軸找到并記錄。

5.1.2陀螺儀標(biāo)定

陀螺儀以單位度/秒來(lái)測(cè)量角速度。可以通過(guò)以下步驟[50]進(jìn)行校準(zhǔn):

度/秒的價(jià)值:

(5.2)

其中，為靜止陀螺儀返回的值，為1843。這個(gè)值來(lái)自于廠家和2.731號(hào)。對(duì)10個(gè)傳感器重復(fù)上述步驟，記錄每個(gè)傳感器每軸的靜止值，這些值可用于計(jì)算實(shí)驗(yàn)中真實(shí)的旋轉(zhuǎn)值。

當(dāng)所有的傳感器都被很好地校準(zhǔn)并且相應(yīng)的值被正確地記錄時(shí)，慣性傳感器就為實(shí)驗(yàn)做好了準(zhǔn)備。

5.2隔夜傳感器漂移測(cè)試

在對(duì)所有傳感器進(jìn)行標(biāo)定后，還要考慮另一個(gè)影響傳感器精度的因素:漂移。在ADLs運(yùn)動(dòng)捕獲實(shí)驗(yàn)前，進(jìn)行了夜間漂移試驗(yàn)。在這個(gè)測(cè)試中，所有10個(gè)微光傳感器整夜都處于活動(dòng)狀態(tài)，以監(jiān)視在孤立環(huán)境中漂移的數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)室中，十個(gè)微光傳感器被放置在一個(gè)平面上，在漂移測(cè)試期間保持在一個(gè)位置，沒(méi)有任何移動(dòng)。然后，在每個(gè)傳感器上逐個(gè)打開(kāi)藍(lán)牙連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。連接完成后，所有傳感器可連續(xù)采集數(shù)據(jù)到車(chē)載SD卡，采樣率為每秒50個(gè)采樣。然后，讓這些傳感器(將數(shù)據(jù)寫(xiě)入SD卡)連續(xù)運(yùn)行大約16個(gè)小時(shí)，從下午5:28到次日上午09:54(16小時(shí)26分鐘)。在測(cè)試期間，總共提供了約296萬(wàn)個(gè)樣品。圖5.2 (a)為傳感器#1加速度計(jì)的x軸數(shù)據(jù)(見(jiàn)表5.2)，圖5.2 (b)為同一傳感器陀螺儀在測(cè)試期間的x軸數(shù)據(jù)。圖中紅線(xiàn)表示漂移試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)采集的數(shù)據(jù)，藍(lán)線(xiàn)表示漂移試驗(yàn)結(jié)束時(shí)(16小時(shí)后)采集的數(shù)據(jù)。

(a)加速度計(jì)x軸數(shù)據(jù)

(b)陀螺儀x軸數(shù)據(jù)

圖5.2傳感器1采集的x軸原始數(shù)據(jù)

從上面的兩幅圖可以看出，在夜間漂移測(cè)試開(kāi)始時(shí)收集的數(shù)據(jù)和在測(cè)試結(jié)束時(shí)收集的數(shù)據(jù)幾乎是重疊的。

顯然，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，沒(méi)有明顯的漂移。表5.1為傳感器1 X軸漂移試驗(yàn)結(jié)果。

表5.1傳感器1的加速度計(jì)和陀螺儀平均漂移

對(duì)于其他傳感器，漂移試驗(yàn)結(jié)果與此相似，表明實(shí)驗(yàn)中使用的傳感器具有合理的漂移性能，傳感器采集的數(shù)據(jù)精度較高。

5.3人體測(cè)量點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)位置的確定

在實(shí)驗(yàn)中，傳感器需要正確且牢固地安裝在受試者的身體部位。人體上傳感器節(jié)點(diǎn)位置的選擇對(duì)于實(shí)驗(yàn)是至關(guān)重要的，因?yàn)槿梭w不同部分的運(yùn)動(dòng)有很大的差異。在將傳感器節(jié)點(diǎn)安裝到測(cè)試對(duì)象的身體上之前，先測(cè)量并記錄每個(gè)身體部分的長(zhǎng)度，以確定傳感器的最佳位置。圖5.3顯示了10個(gè)傳感器的測(cè)量點(diǎn)和傳感器安裝位置。這些傳感器位置是在醫(yī)生的指導(dǎo)下挑選出來(lái)的，以使受試者在運(yùn)動(dòng)中穿著時(shí)感到舒適，并減少運(yùn)動(dòng)中身體變形的影響。在實(shí)驗(yàn)中，所有的傳感器都用帶子固定在測(cè)試對(duì)象的身體上。

傳感器節(jié)點(diǎn)由10個(gè)矩形框表示，分別為:2、4、8、10、16、12、13、18、21和23。為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，將每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)匹配到特定的體段位置，而不為不同的主體替換傳感器位置。圖中為每個(gè)測(cè)點(diǎn)和傳感器位置的編號(hào)方案

5.3如表5.2所示。根據(jù)圖5.3所示，所有的傳感器都應(yīng)該被附加

牢牢地放在身體各部分的中間。監(jiān)測(cè)傳感器在中間的部分，確保傳感器的數(shù)量最少，以跟蹤整個(gè)身體的運(yùn)動(dòng)捕捉。

圖5.3傳感器位置及測(cè)量點(diǎn)[51]表5.2測(cè)量點(diǎn)及傳感器位置

圖5.3顯示了在受試者#1上測(cè)量的體節(jié)長(zhǎng)度信息。如圖5.3所示，肩部長(zhǎng)度為第5點(diǎn)到第7點(diǎn)的測(cè)量距離。這些長(zhǎng)度數(shù)據(jù)將用于計(jì)算機(jī)頭像模型的建立，并且每個(gè)主題都不同。

表5.3受試者1的體節(jié)長(zhǎng)度

5.4十種adl的人體運(yùn)動(dòng)捕捉實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)標(biāo)定和漂移試驗(yàn)，所有傳感器準(zhǔn)備好進(jìn)行運(yùn)動(dòng)捕捉實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在物理治療實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。其中，兩名男性受試者(指受試者#1和受試者#2)和一名女性受試者(指受試者#3)接受測(cè)試，以執(zhí)行全部10個(gè)選定adl。由于三個(gè)受試者在實(shí)驗(yàn)中使用相同的adl進(jìn)行測(cè)試，所以在數(shù)據(jù)處理中只使用從受試者#1中收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)，稍后將對(duì)此進(jìn)行討論。

為了模擬人們?nèi)粘Ｉ�活中最常�?jiàn)的活動(dòng)，我們選擇了以下10個(gè)adl進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)人的日�；顒�(dòng)都包含一個(gè)或多個(gè)adl。

(1)從躺到站(2)從站到坐

(3)先坐著，然后彎腰系鞋帶

(4)先站著，然后往前走，轉(zhuǎn)身，最后向后走

(5)先站好，然后身體彎曲，從地上撿起一個(gè)物體(球)。(6)先站好，然后用右手向前伸

(7)先站好，然后用右手向上伸

(8)先站好，然后踩在凳子上，保持5秒鐘，最后從凳子上走下來(lái)

(9)先站起來(lái)，然后用11級(jí)的臺(tái)階爬上樓梯，然后轉(zhuǎn)身堅(jiān)持5秒鐘，最后從樓梯上走下來(lái)，再轉(zhuǎn)身回去

(10)動(dòng)作順序如下:先站起來(lái)，然后躺下，站起來(lái)，坐下來(lái)，系鞋帶，站起來(lái)，向前走，彎腰從地板上撿起物體(球)，前伸，上伸，從凳子上踩下。

實(shí)驗(yàn)前應(yīng)正確測(cè)量和記錄體節(jié)段長(zhǎng)度(見(jiàn)表5.3)，并建立10個(gè)傳感器的安裝位置，如圖5.3所示。每個(gè)受試者的實(shí)驗(yàn)分為四個(gè)步驟:復(fù)位和安裝傳感器、啟動(dòng)傳感器、受試者執(zhí)行adl和停止傳感器。其中，第(1)步執(zhí)行一次，對(duì)每個(gè)ADL執(zhí)行第(2)步到第(4)步。

步驟(1)復(fù)位并安裝傳感器

這10個(gè)傳感器在連接到受試者的身體部分之前會(huì)被同時(shí)重置。正如SHIMMER硬件描述中提到的，每個(gè)傳感器中的16位計(jì)數(shù)器通過(guò)這個(gè)并行重置來(lái)計(jì)數(shù)和生成時(shí)間戳。時(shí)間戳每2.05秒滾動(dòng)一次，當(dāng)傳感器開(kāi)始收集數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)間戳?xí)�被�?biāo)注到數(shù)據(jù)上。由于所有傳感器同時(shí)復(fù)位，在ADLs實(shí)驗(yàn)中，不同傳感器產(chǎn)生的時(shí)間戳應(yīng)該是相同的。這個(gè)時(shí)間戳信息對(duì)于數(shù)據(jù)處理中的數(shù)據(jù)同步非常重要，稍后將對(duì)此進(jìn)行討論。當(dāng)所有的傳感器都同步復(fù)位后，它們就會(huì)被附著在被試身體的各個(gè)部分上，這些部分是在前幾部分確定的位置上。一旦傳感器被安裝，他們將保持附著在受試者的身體部分，直到整個(gè)十個(gè)ADLs實(shí)驗(yàn)完成。

步驟(2)啟動(dòng)傳感器

所有的傳感器都安裝在身體上之后，在受試者執(zhí)行任何ADL之前，首先需要將它們連接起來(lái)。在開(kāi)始時(shí)，受試者保持初始姿勢(shì)，等待中央主機(jī)通過(guò)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)向每個(gè)傳感器發(fā)送“開(kāi)始”命令。藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)通常只能同時(shí)連接7個(gè)終端(傳感器節(jié)點(diǎn))，連接速度會(huì)隨著終端數(shù)量的增加而減慢。由于總共有10個(gè)傳感器，所以實(shí)驗(yàn)中使用的方法是將命令從中央主機(jī)一次發(fā)送到傳感器，以減少單個(gè)計(jì)算機(jī)傳感器的延遲。一旦一個(gè)傳感器從主機(jī)接收到“開(kāi)始”命令，它就開(kāi)始測(cè)量加速度和角速度數(shù)據(jù)并記錄到SD卡。該傳感器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，與上位機(jī)的連接終止，下位傳感器以相同方式連接。當(dāng)所有傳感器都啟動(dòng)時(shí)，第一步就完成了。

步驟(3)受試者執(zhí)行ADL

通常情況下，測(cè)試對(duì)象應(yīng)該保持5秒鐘的起始姿勢(shì)，以確保所有10個(gè)傳感器都已啟動(dòng)，減少傳感器之間的漂移差異，甚至排除其獨(dú)立的數(shù)據(jù)波動(dòng)。在此之后，受試者將保持同樣的姿勢(shì)5秒，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，這段時(shí)間的數(shù)據(jù)將用于零誤差補(bǔ)償。然后，受試者開(kāi)始執(zhí)行特定的ADL，重復(fù)5次(第十次ADL除外)。在一個(gè)ADL中的兩個(gè)重復(fù)動(dòng)作之間，受試者保持5秒鐘的起始姿勢(shì)，根據(jù)這個(gè)姿勢(shì)，每個(gè)重復(fù)動(dòng)作都可以很容易地辨別出來(lái)。例如在ADL 2實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象坐下來(lái)站起來(lái)的時(shí)候，他/她會(huì)保持站著的姿勢(shì)，再等5秒鐘，然后重復(fù)5次，最后回到原來(lái)的姿勢(shì)。在ADL No. 10中，不同動(dòng)作之間也存在5秒間隔。然后整個(gè)ADL序列重復(fù)三次。每次重復(fù)步驟(2)到(4)，以確保從重復(fù)的ADL No. 10中收集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在三個(gè)不同的文件中。

步驟(4)停止傳感器

在受試者完成ADL后，一個(gè)“停止”命令被一個(gè)接一個(gè)地發(fā)送到每個(gè)傳感器，就像“開(kāi)始”命令一樣。受試者需要保持初始姿勢(shì)5秒鐘，以確保所有傳感器都斷開(kāi)連接。

在物理治療實(shí)驗(yàn)室里，有一個(gè)前置攝像頭和一個(gè)側(cè)置攝像頭記錄受試者的運(yùn)動(dòng)。每個(gè)ADL實(shí)驗(yàn)的視頻都是由這兩個(gè)攝像頭記錄下來(lái)的。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，將可視化的動(dòng)作捕捉結(jié)果與視頻進(jìn)行比較，判斷動(dòng)作捕捉是否成功。圖

5.4顯示受試者在執(zhí)行ADL No. 2時(shí)，側(cè)面攝像機(jī)所拍攝的視頻快照。

(一)站起來(lái)                                                                                                                  (b)坐下

圖5.4側(cè)攝相機(jī)實(shí)驗(yàn)快照

6實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將存儲(chǔ)在每個(gè)SHIMMER傳感器節(jié)點(diǎn)SD卡中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到被試的模擬動(dòng)作。閃爍傳感器的采樣率是每秒50個(gè)樣品。由于傳感器是串行初始化的(在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一個(gè)接一個(gè)地打開(kāi))，所以在進(jìn)行任何處理和模擬之前，有必要同步所有數(shù)據(jù)文件。在對(duì)所有傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步后，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)采用最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法。

6.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

SD卡中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)只是原始數(shù)據(jù)，首先要利用傳感器標(biāo)定得到的參數(shù)將其轉(zhuǎn)換為具有物理意義的數(shù)據(jù)。在應(yīng)用體運(yùn)動(dòng)捕捉算法之前，還需要做更多的數(shù)據(jù)預(yù)處理工作。它們是數(shù)據(jù)同步和零誤差補(bǔ)償。

但是數(shù)據(jù)同步

數(shù)據(jù)同步的目的是找出延遲??(即兩個(gè)傳感器在不同時(shí)間啟動(dòng)所造成的時(shí)差)基于傳感器采集的數(shù)據(jù)中的ADL運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)。數(shù)據(jù)不同步的主要來(lái)源是傳感器沒(méi)有同時(shí)啟動(dòng)，因此它們開(kāi)始在不同的時(shí)間將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡中。因此，有一個(gè)時(shí)間延遲??數(shù)據(jù)之間由任意兩個(gè)傳感器收集。理想情況下，如果在一個(gè)ADL中所有的body段開(kāi)始完全同時(shí)移動(dòng)，同步數(shù)據(jù)并丟棄這個(gè)時(shí)間延遲??，可以設(shè)置一個(gè)閾值來(lái)確定在傳感器數(shù)據(jù)文件中開(kāi)始移動(dòng)的位置。然而，在現(xiàn)實(shí)中，不同的身體部分并不是同時(shí)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的，而是有時(shí)差的??兩個(gè)身體部分之間開(kāi)始移動(dòng)。例如，在行走ADL時(shí)，受試者可以先移動(dòng)右腿，然后再移動(dòng)左腿。雖然這個(gè)時(shí)間差通常很小(不到2秒)，但是它仍然不能被忽略，這使得同步很難實(shí)現(xiàn)。

傳感器

(a)按時(shí)間戳劃分的傳感器數(shù)據(jù)

(b)樣品傳感器數(shù)據(jù)

傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)

一個(gè)誹謗聯(lián)盟運(yùn)動(dòng)

運(yùn)動(dòng)

起點(diǎn)

傳感器

起點(diǎn)

圖6.1從傳感器#1和傳感器#2收集的數(shù)據(jù)

圖6.1顯示了從傳感器#1和傳感器#2收集的數(shù)據(jù)示例。粗體波形表示ADL實(shí)驗(yàn)中存儲(chǔ)在SD卡中的加速度或角速度數(shù)據(jù)。運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)是身體部分開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)樣本。傳感器起始點(diǎn)是傳感器開(kāi)始將數(shù)據(jù)記錄到SD卡的數(shù)據(jù)樣本。對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)示例，都有一個(gè)相關(guān)的時(shí)間戳。時(shí)間戳是由傳感器中的內(nèi)部計(jì)數(shù)器在大約2秒的時(shí)間內(nèi)滾動(dòng)產(chǎn)生的。由于傳感器(因此計(jì)數(shù)器)是通過(guò)同時(shí)重置來(lái)啟動(dòng)的，所以在不同傳感器中同時(shí)測(cè)量的所有數(shù)據(jù)樣本都應(yīng)該與相同的時(shí)間戳相關(guān)聯(lián)。這是實(shí)現(xiàn)精細(xì)數(shù)據(jù)同步的重要線(xiàn)索(稍后將詳細(xì)討論)。在圖6.1 (a)中，一開(kāi)始，傳感器1和2被重置為同時(shí)計(jì)數(shù)，但傳感器1首先由計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接啟動(dòng)。因此，它的傳感器起點(diǎn)實(shí)際上比2號(hào)傳感器的起點(diǎn)要早。同時(shí)，傳感器2附著的體段比傳感器1附著的體段移動(dòng)的更早。同步的目標(biāo)是找出延遲。由于數(shù)據(jù)中沒(méi)有明顯的時(shí)間信息，同步只能基于數(shù)據(jù)樣本。圖6.1 (b)展示了基于樣本的傳感器數(shù)據(jù)，其中運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)是兩個(gè)傳感器之間尋找延遲的關(guān)鍵點(diǎn)。將討論一個(gè)兩步同步方案。第一步是粗同步，可以發(fā)現(xiàn)延遲??+ ??1基于不同傳感器數(shù)據(jù)中的運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)，第二步是精細(xì)同步，可以發(fā)現(xiàn)延遲??1 .基于時(shí)間戳。那么，延遲呢??很容易計(jì)算。通過(guò)消除延遲??在傳感器1中，這兩個(gè)傳感器是同步的。

在這里，由于一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中的加速度計(jì)和陀螺儀是同時(shí)啟動(dòng)的，所以它們的數(shù)據(jù)是同步的。因此，僅以傳感器#1和傳感器#2中陀螺儀采集的角速度數(shù)據(jù)為例，如圖6.2所示。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，只顯示x軸數(shù)據(jù)。

傳感器# 2(b)

在每個(gè)圖中，圓形突出顯示了附著在身體部分上的不同傳感器的運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)。顯然，兩個(gè)傳感器之間大約有250個(gè)樣品延遲。

為了同步數(shù)據(jù)，采用了粗同步和細(xì)同步兩步同步方案。將X、Y、z軸角速度數(shù)據(jù)的絕對(duì)值相加，將這三個(gè)軸的信息進(jìn)行組合，使波動(dòng)更加顯著，如圖6.3所示。

圖6.3傳感器1 (a)采集的X、Y、z軸角速度數(shù)據(jù)的絕對(duì)值和

傳感器2 (b)

1)粗同步

在粗同步過(guò)程中，需要通過(guò)分析SD卡中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，找出每個(gè)個(gè)體段開(kāi)始移動(dòng)的點(diǎn)(樣本)。為了找到起點(diǎn)，設(shè)置了H1和H2兩個(gè)閾值。如果一個(gè)樣本數(shù)據(jù)大于H1，那么它就是一個(gè)可能的起點(diǎn)，如果第二個(gè)條件是

(6.1)

若滿(mǎn)足，則起始點(diǎn)為X，否則，由于X點(diǎn)僅為噪聲峰值，將被丟棄，如圖6.3 (a)箭頭所示。

需要仔細(xì)決定。圖中的圓圈表示每段運(yùn)動(dòng)的正確起點(diǎn)。

2)良好的同步

每個(gè)傳感器數(shù)據(jù)文件的起始點(diǎn)之后，即，找到每段身體運(yùn)動(dòng)的開(kāi)始時(shí)間，現(xiàn)在整個(gè)身體的運(yùn)動(dòng)可以很容易的同步。對(duì)于精細(xì)同步，首先選取一個(gè)傳感器的起始點(diǎn)作為參考點(diǎn)(這里選擇傳感器#1)，然后根據(jù)其他傳感器粗同步得到的起始點(diǎn)，找到與參考時(shí)間戳相同的最近點(diǎn)。一旦獲得了這些點(diǎn)，兩個(gè)傳感器之間的延遲就通過(guò)直接減去一個(gè)點(diǎn)來(lái)計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)的第一部分(長(zhǎng)度等于延遲)與另一部分相比要提前連接�，F(xiàn)在，這兩個(gè)傳感器是同步的。然后，將此方法應(yīng)用于所有數(shù)據(jù)，并對(duì)ADL進(jìn)行同步，如圖6.4所示。

圖6.4傳感器1 (a)和傳感器X、Y、z軸角速度數(shù)據(jù)的絕對(duì)值和

2 (b)同步之后

6.1.2零誤差補(bǔ)償

如第五章所述，所有傳感器在實(shí)驗(yàn)前都經(jīng)過(guò)了仔細(xì)的校準(zhǔn)。然而，從傳感器采集的數(shù)據(jù)來(lái)看，受試者開(kāi)始移動(dòng)前采集的角速度數(shù)據(jù)不為零。相反，有一個(gè)偏移量是傳感器的零誤差。如果這個(gè)偏移量混入真實(shí)的角速度，運(yùn)動(dòng)捕捉會(huì)隨著時(shí)間的推移而變得更糟，因?yàn)檎`差會(huì)累積起來(lái)。因此，這個(gè)在一個(gè)ADL中假設(shè)為常數(shù)的零誤差應(yīng)該得到補(bǔ)償。

對(duì)于每個(gè)ADL，在所有傳感器連接良好并等待另一段時(shí)間之前，受試者將保持一個(gè)啟動(dòng)姿勢(shì)。因此有一段時(shí)間從所有的10個(gè)傳感器被連接到主體開(kāi)始移動(dòng)。對(duì)于每個(gè)傳感器來(lái)說(shuō)，在一個(gè)特定的ADL中，角速度的零誤差可以認(rèn)為是這段時(shí)間的平均值，因?yàn)樵谑茉囌弑３殖跏甲藙?shì)時(shí)，不應(yīng)該有角速度。然后，用計(jì)算出的零誤差減去實(shí)際物體運(yùn)動(dòng)的角速度，即，保持初始姿勢(shì)周期的平均值。由于在不同的ADL實(shí)驗(yàn)中，零誤差會(huì)發(fā)生變化，不同的傳感器會(huì)有不同的誤差，所以這個(gè)過(guò)程應(yīng)該適用于每個(gè)單獨(dú)的角速度數(shù)據(jù)。表6.1比較了1號(hào)傳感器采用零誤差補(bǔ)償前后X、Y、z軸平均角速度數(shù)據(jù)的偏移量。顯然，在表6.1中，通過(guò)應(yīng)用這個(gè)數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程，平均偏移量大大減少。

表6.1零補(bǔ)償前后偏移量比較

傳感器1中的角速度數(shù)據(jù)

6.2人體運(yùn)動(dòng)捕捉仿真結(jié)果

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)同步和零誤差補(bǔ)償后，采用前面討論的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法，得到了每個(gè)ADL中受試者的身體運(yùn)動(dòng)。為了跟蹤被試的全身運(yùn)動(dòng)，首先需要計(jì)算每個(gè)身體部分的三維空間中的位置和方向信息。例如，圖6.5顯示了在第二次ADL中左腿的位置(最初站著坐著，如第5章所述)。

圖6.5左腿位置在三維空間使用最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序

算法

在這里，為了簡(jiǎn)化模擬，左大腿的長(zhǎng)度被縮放到1(單位長(zhǎng)度)

和向量                                                                        是用來(lái)表示原始位置的嗎

? ?? ?? ?? ?≈0樣本(例如,1500)。一旦獲得了一個(gè)體段的位置和方向數(shù)據(jù)，就可以很容易地?cái)U(kuò)展到其他體段和所有adl。

計(jì)算完所有的身體部分位置后，使用OpenGL語(yǔ)言生成一個(gè)簡(jiǎn)單的化身模型，可以在電腦屏幕上查看。該模型展示了受試者身體在每個(gè)ADL中的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，并再現(xiàn)了受試者的運(yùn)動(dòng)，與實(shí)驗(yàn)視頻類(lèi)似。化身模型的虛擬維度與實(shí)驗(yàn)前測(cè)量的實(shí)際測(cè)試對(duì)象的物理維度成正比。

(a)站立姿勢(shì)

(b)坐姿

圖6.6 ADL 2的視頻快照與頭像模型對(duì)比

在圖6.6 (a)和(b)中，將站立和坐立姿勢(shì)的avatar模型與視頻快照進(jìn)行對(duì)比。在圖中，成功實(shí)現(xiàn)了第二個(gè)ADL的運(yùn)動(dòng)捕獲。實(shí)際上，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的所有adl，使用最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法的avatar模型可以成功的跟蹤被試的運(yùn)動(dòng)。為了顯示所有ADL跟蹤的結(jié)果，圖6.7中使用了第5章中討論的ADL序列10，因?yàn)樵撔蛄邪�含�?shí)驗(yàn)中測(cè)試的大多數(shù)ADL。具體地說(shuō),在圖6.7中,話(huà)題# 1執(zhí)行以下動(dòng)作序列:最初站好(1),然后躺下(2 - 5),站起來(lái)(6 - 9),坐下來(lái),系鞋帶(10 - 12),站起來(lái),向前和向后走(13 - 16),彎腰撿一個(gè)對(duì)象(球)從地板上(17 - 18),(11日)伸向前,向上到達(dá)(研討會(huì))到最后一步,從凳子上(能力)。在這里，由于本研究中主體的絕對(duì)位移并不重要，因此將參考點(diǎn)設(shè)置為髖關(guān)節(jié)周?chē)�的交點(diǎn)，并固定在坐標(biāo)系中，如圖6.7(1)所示。

t

(1)(2)

(6)(7)

(11)(12)

(3)(4)(5)

(8)(9)(10)

(13)(14)(15)

(16)(17)

(21)(22)

(26)(27)

(18)(19)(20)

(23)(24)(25)

(28)(29)(30)

圖6.7捕獲受試者1第10號(hào)ADL的計(jì)算機(jī)模型

根據(jù)該ADL序列的運(yùn)動(dòng)捕獲結(jié)果，基于歐拉角的加速度和角速度的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法可以連續(xù)、準(zhǔn)確地跟蹤日常生活活動(dòng)。通過(guò)在每個(gè)身體部分安裝10個(gè)傳感器，受試者的移動(dòng)可以通過(guò)從傳感器收集的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上很好地捕捉到。這不僅在醫(yī)療保健應(yīng)用上、在電影拍攝上、在虛擬現(xiàn)實(shí)等方面提供了巨大的潛力。

6.3運(yùn)動(dòng)捕捉結(jié)果討論

在運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，有兩件事值得討論。首先是單旋轉(zhuǎn)順序與最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法的比較。二是在《阿凡達(dá)》模型中可以看到的一種現(xiàn)象

受試者轉(zhuǎn)身，發(fā)生在ADL 4號(hào)(向前走，轉(zhuǎn)身，向后走)和ADL 9號(hào)(上樓梯，轉(zhuǎn)身，下樓梯)。

6.3.1單級(jí)和最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法的比較

對(duì)于單旋轉(zhuǎn)順序算法，旋轉(zhuǎn)順序必須固定在六個(gè)旋轉(zhuǎn)順序之一:X-Y-Z, Y-X-Z, Z-X-Y, X-Z-Y, X-Z-Y或X-Z-Y。而在最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法中，旋轉(zhuǎn)順序是不固定的。它是通過(guò)估算和測(cè)量地球重力方向的比較來(lái)確定的。因此，最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法可以修正每步旋轉(zhuǎn)順序引起的誤差，避免單次旋轉(zhuǎn)順序算法產(chǎn)生的誤差累積。例如，圖6.8展示了用單級(jí)和最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法得到的ADL 9號(hào)(上下臺(tái)階)左大腿位置的比較。紅線(xiàn)是用最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序得到的位置信息，藍(lán)線(xiàn)是用單旋轉(zhuǎn)順序(即Z-X-Y)。

圖6.8左大腿位置使用單(Z-X-Y)和最佳旋轉(zhuǎn)順序

算法

在圖6.8中，對(duì)于單旋轉(zhuǎn)順序算法，當(dāng)受試者開(kāi)始移動(dòng)時(shí)，左大腿位置向量的z軸數(shù)據(jù)開(kāi)始偏離實(shí)際值，誤差隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)而累積。這個(gè)錯(cuò)誤也很容易反映在avatar模型的移動(dòng)中，如圖6.9所示。

(1) (2) (3) (4) (5) (a)采用最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法的運(yùn)動(dòng)捕獲結(jié)果

(6) (7) (8) (9) (10) (b)采用單旋轉(zhuǎn)順序算法的運(yùn)動(dòng)捕獲結(jié)果

圖6.9 ADL 9的運(yùn)動(dòng)捕捉結(jié)果對(duì)比

最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法

這里測(cè)試ADL 9號(hào)上下樓梯。圖6.9 (a)和(b)中的五位數(shù)分別對(duì)應(yīng)于受試者每次上樓前的站立姿勢(shì)。顯然，采用最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法計(jì)算的avatar模型能夠很好地恢復(fù)到原來(lái)的位置，而單次旋轉(zhuǎn)順序由于積累的誤差無(wú)法恢復(fù)到原來(lái)的位置。與單一旋轉(zhuǎn)算法相比，每一步計(jì)算6個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣會(huì)增加算法復(fù)雜度，但最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法具有更好的捕獲效果和更高的精度。在本文中，由于精度是直接影響醫(yī)生運(yùn)動(dòng)識(shí)別的關(guān)鍵因素，進(jìn)而影響近距離下降檢測(cè)結(jié)果，因此在每天ADLs捕獲的大張旗鼓項(xiàng)目中采用了最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法。單旋轉(zhuǎn)順序算法可以應(yīng)用于精度不高但算法復(fù)雜度低的應(yīng)用中。

6.3.2轉(zhuǎn)彎時(shí)的運(yùn)動(dòng)畸變°左右

對(duì)于所有adl的運(yùn)動(dòng)捕捉結(jié)果，所有日常生活活動(dòng)都可以進(jìn)行合理的跟蹤，但有一個(gè)例外，即，當(dāng)被攝體轉(zhuǎn)向in時(shí)

在

ADL 4號(hào)和ADL 9號(hào)如圖6.10和6.11所示。圖6.10 (a)顯示了一個(gè)模型在ADL 4中向前行走的序列，運(yùn)動(dòng)被很好地捕捉到了。然而，如圖6.10 (b)所示，在模型轉(zhuǎn)回后，回走模型發(fā)生了畸變。具體來(lái)說(shuō)，受試者的背部向后彎曲很多，而其他身體部分看起來(lái)都很正常。在圖6.11中發(fā)生了同樣的事情，其中一個(gè)模型正在上下樓梯。

(1)(2)

(3)(4)(5)

(一)向前走

(6) (7) (8) (9) (10)

(b)向后走

圖6.10 ADL 4號(hào)向前走并返回

(1)(2)

(6)(7)

圖6.11

(3)(4)(5)

(a)爬樓梯

             (8)(9)(10)

(b)下樓梯

ADL 9號(hào)上下樓梯

這種現(xiàn)象的原因是，當(dāng)兩個(gè)傳感器連接到受試者背部時(shí)，穿過(guò)它們的線(xiàn)實(shí)際上與受試者背部不平行。相反，這里有一個(gè)角度，如圖6.12所示。

主題模型

背面?zhèn)鞲衅?/p>

參考點(diǎn)

圖6.12向前走并返回

因此，假設(shè)受試者背部平行于z軸(z軸向上指向空間)，當(dāng)受試者轉(zhuǎn)身時(shí)，模型背部會(huì)向后彎曲

來(lái)

并返回，如圖6.12所示。

6.4與以往工作比較

表6.2顯示了該系統(tǒng)與以往一些慣性運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)的比較。觸覺(jué)運(yùn)動(dòng)服由Y. Fujimori等人在2009年[52]推出，其目的是將運(yùn)動(dòng)信息與接觸信息相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高精度的全身運(yùn)動(dòng)捕捉。加速度計(jì)跟蹤系統(tǒng)是由L. Dong等人開(kāi)發(fā)的，目標(biāo)是跟蹤所有的日常身體活動(dòng)，并具有良好的準(zhǔn)確性。在[54]中，S. Y. Sun等人使用微SMU(傳感器測(cè)量單元)進(jìn)行下肢運(yùn)動(dòng)捕捉。z.l Lin等人在[55]中提出了一種利用超小型化慣性測(cè)量單元(IMU)進(jìn)行上半身運(yùn)動(dòng)捕捉的方法。

表6.2中的一個(gè)挑戰(zhàn)是如何比較不同系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。現(xiàn)有的基于分類(lèi)的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)通常通過(guò)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)中正確跌倒和錯(cuò)誤跌倒的次數(shù)來(lái)檢測(cè)跌倒，在此基礎(chǔ)上可以很容易地計(jì)算出準(zhǔn)確率的百分比。然而，基于計(jì)算機(jī)生成的虛擬角色和真實(shí)的被試的動(dòng)作，很難獲得精確的準(zhǔn)確性。首先，電腦創(chuàng)造的化身通常比真人簡(jiǎn)單得多，所以他們有不同的體型。其次，在生成頭像時(shí)，沒(méi)有考慮人體的物理約束和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變形。最后，還沒(méi)有一種標(biāo)準(zhǔn)的方法可以測(cè)量化身和主體之間的位置和方向的差異。目前，一些研究使用基于慣性傳感器系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)頭像與基于光學(xué)和圖像傳感器的頭像進(jìn)行比較，以獲得更直觀的比較，因?yàn)楹笳呖梢赃_(dá)到非常高的精度，并已在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、模式識(shí)別等各種應(yīng)用中得到驗(yàn)證。然而，本文主要研究的是慣性傳感器運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)。如果在本研究中實(shí)現(xiàn)基于光學(xué)傳感器的avatar，整個(gè)工作將會(huì)加倍。在未來(lái)，光學(xué)傳感器可以包括在大張旗鼓的項(xiàng)目，進(jìn)一步比較和接近下降的檢測(cè)。這里定義了三個(gè)等級(jí)，根據(jù)臨床實(shí)際使用情況粗略比較準(zhǔn)確率:

(1)好。生成一個(gè)3D電腦頭像，捕捉整個(gè)身體的運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有明顯的失真，所有捕捉到的運(yùn)動(dòng)都可以被眼睛清晰的識(shí)別。

(2)媒介。生成3D電腦頭像，捕捉部分肢體動(dòng)作，不存在明顯失真，捕捉到的動(dòng)作都能被眼睛清晰識(shí)別，部分信息丟失。

(3)相對(duì)較低。生成一個(gè)2D電腦頭像，捕捉整個(gè)身體或部分身體動(dòng)作，沒(méi)有意義失真，所有捕捉到的動(dòng)作都能被眼睛識(shí)別。

在表6.2中，除了加速度計(jì)跟蹤系統(tǒng)外，之前的所有系統(tǒng)都使用加速度計(jì)、陀螺儀和磁力儀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集。與僅使用加速度計(jì)和陀螺儀的SHIMMER傳感器系統(tǒng)相比，在系統(tǒng)中加入磁強(qiáng)計(jì)作為觸覺(jué)運(yùn)動(dòng)服會(huì)增加成本，增加硬件設(shè)計(jì)和算法計(jì)算的復(fù)雜性。此外，磁力儀對(duì)環(huán)境中其他磁場(chǎng)的干擾非常敏感。觸覺(jué)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)要求受試者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中穿著西服，這會(huì)讓受試者感到不舒服并限制他們的運(yùn)動(dòng)。而在本論文中，十個(gè)微光傳感器通過(guò)獨(dú)立的帶子連接在身體的部分，這是靈活和輕，并允許自由運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有任何限制。對(duì)于加速度計(jì)跟蹤系統(tǒng)，雖然在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上比SHIMMER系統(tǒng)復(fù)雜度低，但使用2軸加速度計(jì)捕獲重力相關(guān)向量會(huì)損失1自由度(自由度)。同時(shí)，由于沒(méi)有角度信息的補(bǔ)償，存在漂移問(wèn)題，精度相對(duì)較低。

以前的大多數(shù)系統(tǒng)都使用有線(xiàn)通信和傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸，或者傳感器和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，比如觸覺(jué)運(yùn)動(dòng)套裝、SMU和IMU。這種策略限制在一個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，在身體上佩戴金屬絲很容易阻礙受試者的運(yùn)動(dòng)。SHIMMER傳感器采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上都有SD卡，可以連續(xù)記錄運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，支持任何不受距離限制的運(yùn)動(dòng)捕捉。

在實(shí)驗(yàn)中，SHIMMER傳感器用10種adl捕捉了3名受試者的全身運(yùn)動(dòng)，這些adl涵蓋了老年人的所有基本日常活動(dòng)。而觸覺(jué)運(yùn)動(dòng)套裝只測(cè)試伸展和躺下的活動(dòng)，而SMU則專(zhuān)注于下半身的運(yùn)動(dòng)，比如彎曲和伸展大腿和小腿，IMU則研究上半身的運(yùn)動(dòng)，比如舉起手臂。

根據(jù)以上系統(tǒng)，所有的3D虛擬人都能準(zhǔn)確捕捉特定的運(yùn)動(dòng)。觸覺(jué)運(yùn)動(dòng)服將接觸信息與運(yùn)動(dòng)信息相結(jié)合，能夠高精度跟蹤全身運(yùn)動(dòng)。然而，硬件和軟件的成本和復(fù)雜性都相對(duì)較高。盡管SMU和IMU系統(tǒng)也很精確，但它們只關(guān)注部分的身體運(yùn)動(dòng)，而不是整個(gè)身體的運(yùn)動(dòng)。此外，使用磁力儀也會(huì)帶來(lái)干擾問(wèn)題。與其他系統(tǒng)相比，加速度計(jì)跟蹤系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本最低，但精度也相對(duì)較低。SHMMER傳感器系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和計(jì)算方面具有成本低、復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)。它的無(wú)線(xiàn)功能支持戶(hù)外或日�；顒�(dòng)，不受距離限制。它舒適靈活，在許多應(yīng)用中顯示出很高的潛力，特別適用于日常運(yùn)動(dòng)捕捉和近距離下降檢測(cè)。

表6.2與之前工作的比較

7結(jié)論與未來(lái)工作

7.1總結(jié)與結(jié)論

由于近距離跌倒與人們?nèi)粘Ｉ�活活�?dòng)的相似性，準(zhǔn)確捕捉人們的身體運(yùn)動(dòng)，幫助醫(yī)生研究正�；顒�(dòng)的特征，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)近距離跌倒是至關(guān)重要的。本文基于商用SHIMMER平臺(tái)，提出了一種基于可穿戴慣性傳感器(即加速度計(jì)和陀螺儀)的完整人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試。

在ADL實(shí)驗(yàn)前，10個(gè)微光傳感器被很好地校準(zhǔn)以獲得有用的單位數(shù)據(jù)，因?yàn)閭鞲衅鞑杉�的原始�?shù)據(jù)只是沒(méi)有單位的數(shù)字。然后對(duì)所有傳感器進(jìn)行過(guò)夜漂移測(cè)試，測(cè)試各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)漂移情況。在ADL實(shí)驗(yàn)中，首先測(cè)量了人體各節(jié)段的長(zhǎng)度。在測(cè)量的基礎(chǔ)上，在醫(yī)生的指導(dǎo)下仔細(xì)選擇人體上的所有傳感器位置，使受試者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中感到舒適，減少變形影響。在此之后，三個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)象在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行了9個(gè)預(yù)先定義的典型ADL和1個(gè)ADL序列。這些選擇的adl幾乎涵蓋了人們?nèi)粘Ｉ�活中的所有基本活�?dòng)。在數(shù)據(jù)處理中，采用單旋轉(zhuǎn)順序算法和最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法將傳感器采集到的慣性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為方向和位置信息。最后，OpenGL語(yǔ)言制作的電腦頭像顯示了所有捕捉到的動(dòng)作，這可以幫助醫(yī)生直觀地研究和分析這些adl。

根據(jù)夜間漂移的結(jié)果，加速度計(jì)和陀螺儀在采集加速度和角度數(shù)據(jù)時(shí)，精度較高，沒(méi)有明顯的數(shù)據(jù)漂移。同時(shí)，本項(xiàng)目中精心選擇的傳感器在人體上的安裝方案，可以得到全身的運(yùn)動(dòng)覆蓋，保證傳感器數(shù)量最少，是一種高效、最優(yōu)的布置方式。單旋轉(zhuǎn)算法與最優(yōu)旋轉(zhuǎn)算法的比較表明，雖然兩種算法都能捕捉到被試的所有運(yùn)動(dòng)，但后一種算法的精度更高。在單旋轉(zhuǎn)順序算法中，隨著時(shí)間的推移，虛擬形象的運(yùn)動(dòng)逐漸偏離實(shí)際主體的運(yùn)動(dòng)。這是因?yàn)楣潭ǖ木仃囆�轉(zhuǎn)順序會(huì)使旋轉(zhuǎn)誤差隨時(shí)間累積。而最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法通過(guò)在每一步使用最優(yōu)旋轉(zhuǎn)矩陣來(lái)減小誤差，從而使捕獲結(jié)果與時(shí)間無(wú)關(guān)。雖然最優(yōu)旋轉(zhuǎn)順序算法在每一步都需要進(jìn)行更多的計(jì)算，但是由于捕獲結(jié)果的準(zhǔn)確性較高，所以更適合于捕獲正常的活動(dòng)，因?yàn)楸辉嚨倪\(yùn)動(dòng)需要一直或長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)控。最后，動(dòng)畫(huà)顯示，所創(chuàng)建的avatar可以連續(xù)準(zhǔn)確的捕捉到所有受試者的動(dòng)作，準(zhǔn)確性足以幫助醫(yī)生研究基于avatar的那些活動(dòng)特征。

與表6.2所示的一些以前的慣性運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)的比較說(shuō)明了使用SHIMMER系統(tǒng)進(jìn)行全身運(yùn)動(dòng)捕獲的優(yōu)點(diǎn)。與其他慣性傳感器運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)僅采用加速度計(jì)和陀螺儀，而不采用磁力計(jì)和所述傳感器的組合，降低了硬件和算法計(jì)算的復(fù)雜度，但仍能達(dá)到較高的精度。無(wú)線(xiàn)通信和車(chē)載SD卡擴(kuò)展了日常運(yùn)動(dòng)捕捉的應(yīng)用，在adl和病人住所的位置沒(méi)有限制。此外，背帶是靈活和輕，確保自由的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有運(yùn)動(dòng)限制。在實(shí)驗(yàn)中，三個(gè)受試者測(cè)試了10個(gè)adl。選擇這些ADLs來(lái)涵蓋老年人日�；顒�(dòng)的所有基本活動(dòng)。然而，大多數(shù)以前的系統(tǒng)只選擇了一些adl。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該閃爍系統(tǒng)能夠連續(xù)準(zhǔn)確地捕捉到10個(gè)adl，且無(wú)明顯漂移。該慣性傳感器運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)不僅在醫(yī)學(xué)研究中顯示出巨大的潛力，而且在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、視頻游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)等其他應(yīng)用領(lǐng)域也顯示出巨大的潛力。

7.2未來(lái)的工作

對(duì)于這個(gè)body motion capture項(xiàng)目，雖然可以很好的捕捉被試的動(dòng)作，但是仍然存在一些問(wèn)題需要解決，在未來(lái)的工作中對(duì)于near falls檢測(cè)應(yīng)用的改進(jìn)。

7.2.1現(xiàn)行制度存在的問(wèn)題需要解決

現(xiàn)行制度需要解決的主要問(wèn)題有:

1。要解決回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的再現(xiàn)問(wèn)題。

如第6.3.2節(jié)所討論的，當(dāng)主體轉(zhuǎn)回的時(shí)候，后退行走的模型是扭曲的。由于很明顯，這個(gè)問(wèn)題來(lái)自于非平行的人通過(guò)背部的傳感器回到直線(xiàn)上，所以在實(shí)驗(yàn)中可以首先測(cè)量他們之間的角度來(lái)避免這個(gè)誤差。然后，它可以用來(lái)糾正前進(jìn)和后退的區(qū)別。

2。數(shù)據(jù)可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接傳輸?shù)街醒胫鳈C(jī)，而不是存儲(chǔ)在SD卡中。

對(duì)于目前的系統(tǒng)，傳感器采集的所有數(shù)據(jù)首先存儲(chǔ)在SD卡中，并在實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行讀出處理。該方案不能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模型的實(shí)時(shí)顯示。因此，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將被建立允許實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集和身體運(yùn)動(dòng)再現(xiàn)。

7.2.2未來(lái)應(yīng)用的改進(jìn)

除了當(dāng)前系統(tǒng)中存在的上述兩個(gè)問(wèn)題外，還可以進(jìn)行其他改進(jìn)以獲得更好的運(yùn)動(dòng)捕獲性能。

1。將監(jiān)測(cè)實(shí)際的日常生活活動(dòng)，而不是預(yù)先定義的adl

在這個(gè)項(xiàng)目中，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中測(cè)試了9個(gè)預(yù)先確定的ADL和1個(gè)固定的ADL序列。在未來(lái)，實(shí)驗(yàn)將擴(kuò)展到實(shí)際受試者的日常生活動(dòng)作中，這意味著受試者將不會(huì)被限制只能按照預(yù)先設(shè)定的動(dòng)作移動(dòng)。如果該系統(tǒng)能夠在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)跟蹤人們?nèi)粘Ｉ�活的每一�?xiàng)活動(dòng)，就可以應(yīng)用于近距離瀑布探測(cè)應(yīng)用。

2。老年人可以作為測(cè)試對(duì)象。

老年人將會(huì)參與到這個(gè)項(xiàng)目中來(lái)，而不僅僅是年輕人。然后可以研究年輕人和老年人的運(yùn)動(dòng)差異，并對(duì)系統(tǒng)硬件或運(yùn)動(dòng)捕捉算法進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

3所示。傳感器數(shù)量和傳感器大小可以減少。

雖然微光傳感器又小又輕，但是在身體上戴上十個(gè)微光節(jié)點(diǎn)是不方便的，尤其是對(duì)老年人來(lái)說(shuō)。同時(shí)，如果傳感器沒(méi)有附著在選定的位置上，或者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中傳感器沒(méi)有緊固在物體上，則會(huì)降低捕獲結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，可以進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)來(lái)研究傳感器編號(hào)與精度的關(guān)系，在保持精度的同時(shí)減少傳感器編號(hào)。此外，還可以使用更多的技術(shù)來(lái)減小傳感器節(jié)點(diǎn)的大小，甚至可以將傳感器嵌入衣服中，而不是使用帶子。

4所示�？梢越�立標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)體系來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性

與大多數(shù)現(xiàn)有的基于分類(lèi)結(jié)果直接顯示準(zhǔn)確率百分比的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)不同，動(dòng)作捕捉系統(tǒng)很難根據(jù)化身的動(dòng)作計(jì)算準(zhǔn)確率百分比。首先，阿凡達(dá)的外形通常比真人更簡(jiǎn)單。其次，沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方法來(lái)測(cè)量人體和化身之間的方位或位置差異。如今，基于光學(xué)傳感器或攝像機(jī)記錄信息的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)可以非常精確地捕捉到面部細(xì)微的動(dòng)作。在未來(lái)，可以生成基于攝像頭和光學(xué)傳感器的阿凡達(dá)，與創(chuàng)建阿凡達(dá)的慣性運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)進(jìn)行比較，以便進(jìn)一步比較。由于它們的形狀相同，可以放在相同的3D空間中，通過(guò)比較可以直觀地顯示出它們之間的差異，幫助計(jì)算精度。

5。結(jié)合其他傳感器實(shí)現(xiàn)近墜檢測(cè)

慣性運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)可以捕捉人們?nèi)粘Ｉ�活中的所有運(yùn)動(dòng)。然而，僅使用慣性傳感器很難區(qū)分接近瀑布和其他正�；顒�(dòng)的區(qū)別。在未來(lái)，應(yīng)該考慮其他技術(shù)，如壓力傳感器。由于近身墜落涉及到失去平衡和獲得平衡運(yùn)動(dòng)，因此檢測(cè)身體質(zhì)量中心的位置將有助于檢測(cè)平衡。當(dāng)一個(gè)人站著的時(shí)候，他/她只用兩只腳支撐全身，保持平衡。因此，身體的重心應(yīng)該在兩英尺之間。當(dāng)質(zhì)心離開(kāi)這個(gè)區(qū)域時(shí)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)可以被認(rèn)為是失去平衡。如果身體重心再次回到足部區(qū)域，這個(gè)動(dòng)作可以對(duì)應(yīng)于恢復(fù)平衡的動(dòng)作。壓力傳感器可以檢測(cè)到腳下的壓力，并根據(jù)收集到的壓力計(jì)算出身體的質(zhì)量中心。結(jié)合壓力傳感器和慣性運(yùn)動(dòng)捕獲系統(tǒng)，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中檢測(cè)到近地墜落。

國(guó)外的動(dòng)作捕捉論文.zip (15.29 MB, 下載次數(shù): 33)

2018-9-10 19:32 上傳

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