基于MEMS惯性地磁测量组件的人体运动跟踪与捕捉方法(2)
2.2.5 四元数算法整体流程 16
2.3 基于FQA算法的姿态捕捉方法 16
2.3.1 俯仰角解算方法 17
2.3.2 橫滚角解算方法 18
2.3.3 方位角解算方法 19
2.4 四元数算法与FQA算法结合的姿态捕捉方法 20
2.4.1 四元数算法与FQA算法转换条件 21
2.4.2 四元数算法与FQA算法结合算法整体流程 22
2.5 本章小结 23
三 人体姿态捕捉系统软件实现 24
3.1 MATLAB软件介绍 24
3.2 软件设计方案 25
3.2.1主程序设计 25
3.2.2四元数算法软件设计 26
3.2.3 FQA算法软件设计 27
3.2 本章小结 28
四 姿态捕捉与跟踪算法的实验验证 29
4.1 传感器简介 29
4.1.1 传感器性能指标 29
4.1.2 传感器误差分析 30
4.2 算法准确性测试 30
4.2.1 四元数与FQA结合算法中转换条件的设定 31
4.2.2 静态姿态捕捉与跟踪准确性测试 36
4.2.3 动态姿态捕捉与跟踪的准确性测试 39
4.3 本章小节 42
结 论 44
致 谢 45
参 考 文 献 46
一 绪论
运动捕捉，英文Motion capture,简称Mocap。技术涉及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面的问题，可以由计算机处理数据并解算姿态。运动捕捉技术是通过在运动物体的关键部位设置跟踪器与计算机相连，经过计算机处理后可得到人体运动姿态信息。可以应用在动画制作，步态分析，生物力学，人机工程等领域。本章从综述的角度，简要介绍了各种运动捕捉方法的基本情况。同时还概括性地介绍了本课题研究内容及方法，为后续章节奠定基础。
1.1 论文研究背景及意义
人体运动姿态的实时跟踪与捕捉是一项在国际上广泛应用的高新技术。在康复医学、舞蹈训练、体育运动分析、电影特技、虚拟现实、动画和游戏制作等领域都具有广泛的应用价值。如：3D动画片中卡通人物的制作过程就是通过人体运动跟踪捕捉技术来达到较真实的画面感；近几年流行起来的体感游戏，即一种通过肢体动作变化来进行（操作）的新型电子游戏，也应用了人体运动跟踪与捕捉技术来达到虚拟与现实结合的效果。近几年来，在促进影视特效和动画制作发展的同时，运动捕捉技术的稳定性、操作效率、应用弹性等均得到了迅速提高，而系统成本则在日益降低。如今的运动捕捉技术可以迅速记录人体的动作，进行延时分析或多次回放，通过被捕捉的信息，可生成某一时刻人体的空间位置，甚至可以计算出任何面部或躯干肌肉的细微变形，然后直观地将人体的真实动作实时反映出来。
MEMS惯性技术是一种实现人体运动跟踪与捕捉的有效技术。该技术采用三轴正交的MEMS陀螺仪与加速度计分别测量运动的角速率与加速度。该技术再结合磁传感器，通过基于四元数算法的姿态解算可实时确定人体躯干或肢体的位置与运动状态。随着MEMS技术的发展，基于 MEMS传感器的姿态测量系统以其实时性好、使用方便、成本低廉、体积较小等优点而得到了广泛的应用。
1.2 国内外研究现状
1.2.5 本论文研究方法现状
由于上述人体运动姿态测量方法应用中均有限制，本文拟采用基于MEMS惯性/地磁测量组件的人体运动跟踪与捕捉方法。利用MEMS惯性技术既避免了机械设备的尺寸以及重量大导致的使用起来不便的问题，也没有光学式或声学式运动捕捉技术对使用环境的严格要求，且时时性好。