專利名稱：獲取運動捕獲數(shù)據(jù)的方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及運動捕獲數(shù)據(jù)的獲取，特別是涉及一種運動捕獲數(shù)據(jù)的獲取方法，其中利用顏色標記來捕獲人或動物的行動，并且可以在所捕獲動作的基礎上產(chǎn)生三維運動數(shù)據(jù)。
背景技術：
隨著動畫和游戲產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了集中興趣于能產(chǎn)生自然運動的技術的三維建模、繪制和仿真技術。
為了適應這種興趣，已經(jīng)提出了一種運動捕獲技術，該技術能夠直接捕捉人的動作，用數(shù)字表示這些動作，把結(jié)果運動數(shù)據(jù)輸入計算機，并在所輸入運動數(shù)據(jù)的基礎上移動一個角色，等等。
在這種運動捕獲技術中，最重要的是快速獲取有關自然身體運動的數(shù)據(jù)。
多數(shù)傳統(tǒng)的運動捕獲系統(tǒng)適用于將標記或傳感器加到人的身體上，分析傳感器輸出的數(shù)據(jù)或由相機拍攝的標記圖像，并根據(jù)分析的結(jié)果計算相應人體關節(jié)的位置和方位。
這樣的傳統(tǒng)運動捕獲系統(tǒng)，根據(jù)所用標記或傳感器的操作類型，可以分為四類，即聲學型、機械型、磁學型和光學型。其中，磁學型和光學型系統(tǒng)是現(xiàn)在運動用最廣泛的兩種系統(tǒng)。
以上不同類型的傳統(tǒng)運動捕獲系統(tǒng)有以下的特征和問題。
聲學型運動捕獲系統(tǒng)包括多個聲學傳感器和三個聲學接收器。所述聲學傳感器設置在運動者的相應關節(jié)以連續(xù)產(chǎn)生聲波，所述聲學接收器與所述聲學傳感器分開放置，以接收所述聲學傳感器產(chǎn)生的聲波。這種運動捕獲系統(tǒng)適用于通過利用所述聲學接收器收到所述聲學傳感器產(chǎn)生的聲波所需時間計算傳感器和接收器之間的距離。在三維空間中，每一個傳感器的位置是用三個接收器分別計算出的值在三角測量原理的基礎上得到的。這種聲學型系統(tǒng)的弊端在于，采樣頻率低，同時可使用的聲音發(fā)生器的數(shù)量很小。而且，運動者的動作可能因為所述傳感器的體積太大而變得不自然。此外，聲學型運動捕獲系統(tǒng)因為聲音裝置的特征而受到聲音反射的極大影響。
機械型的運動捕獲系統(tǒng)包括一個電位器與滑尺的組合來測量一個運動者關節(jié)的動作。因為這種運動捕獲系統(tǒng)沒有接收器，所以它可以提供一種不受任何環(huán)境干擾和影響的絕對測量裝置。因此，與聲學型的系統(tǒng)相比，機械型的系統(tǒng)幾乎不需要初始標定，也不需要昂貴的播音設備。進而言之，與其他類型運動捕獲系統(tǒng)比較，機械型系統(tǒng)成本低，并且有很高的采樣頻率。然而，機械型運動捕獲系統(tǒng)有一個缺點，就是運動者的動作將因為加在其上的機械元件而變得不自然。此外，機械型系統(tǒng)的測量精度取決于機械元件安裝在運動者相應關節(jié)上的位置有多精確。
磁學型運動捕獲系統(tǒng)包括多個安裝在運動者相應關節(jié)上的傳感器以檢測磁場。當所述運動者圍繞一個磁場發(fā)生器移動時，所述傳感器檢測磁場的變化，然后將此變化轉(zhuǎn)換成空間數(shù)值以進行動作的測量。所述傳感器，磁場發(fā)生器和系統(tǒng)實體通過線纜或者，最近也應用無線，連接起來。磁學型運動捕獲系統(tǒng)的優(yōu)點是成本相對低，有很好的性價比，而且能夠進行實時處理。然而，當所述傳感器是有線型時，所述運動者就只能在由其身上傳感器所引出的連接線纜限制的區(qū)域內(nèi)活動，這就使得運動者很難自然地表達出他或她的復雜和快速的動作。對于一個用無線發(fā)送器代替線纜的無線系統(tǒng)，因為安置在運動者身上的發(fā)送器體積很大，所以運動者也不能自然地運動。再者，所述運動者必須在限制的區(qū)域內(nèi)活動，因為他或她必須保持在磁場范圍內(nèi)。
光學型運動捕獲系統(tǒng)包括多個相應安裝在運動者主要關節(jié)上的反射標志用以反射紅外線，還包括多個相機，每個相機都裝有3到16個紅外濾光鏡。所述相機用以產(chǎn)生所述反射標志圖像的二維坐標。一個專用的程序用來分析由相機捕捉到的二維坐標并把它們轉(zhuǎn)換成三維立體坐標作為分析的結(jié)果。這種傳統(tǒng)的光學型運動捕獲系統(tǒng)的缺點在于其強調(diào)對物體運動的逼真表現(xiàn)，于是就需要大量的數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的高品質(zhì)的計算機。
發(fā)明目的和技術方案因而，本發(fā)明鑒于上述問題而產(chǎn)生，本發(fā)明的一個目的在于提供一種獲取運動捕獲數(shù)據(jù)的方法，其能夠通過只抽取和處理隨運動變化的坐標值來處理數(shù)量較少的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種獲取運動捕獲數(shù)據(jù)的方法，其能夠很簡單方便地對運動的捕獲進行初始標定。
本發(fā)明進一步的目的在于提供一處獲取運動捕獲數(shù)據(jù)的方法，其中所需處理的數(shù)據(jù)數(shù)量很小，只需廉價的個人計算機，攝放像機和USB相機，無需復雜和昂貴的外設，從而可以實現(xiàn)一種低成本，高效率的系統(tǒng)。
本發(fā)明的又一個目的在于提供一種獲取運動捕獲數(shù)據(jù)的方法，其中運動者和運動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間沒有線纜連接，因而有可能方便地抽取運動者的動作，包括劇烈的動作。
本發(fā)明的再一個目的在于提供一種獲取運動捕獲數(shù)據(jù)的方法，能夠精確地測量運動者的動作，無論周圍的環(huán)境如何，如周圍有光照干擾，無線電干擾，等等。
根據(jù)本發(fā)明，上述以及其他的目的能夠由一個運動捕獲數(shù)據(jù)的獲取方法來實現(xiàn)，這種方法可以用計算機處理的形式記錄人或物體的運動。該方法建立在大量不同的技術要求的基礎上，即顏色抽取算法，顏色位置跟蹤算法，運用多個具有不同顏色數(shù)值的顏色標志來跟蹤運動者運動的技術，用USB相機實現(xiàn)的每秒可以感知到24到30幀圖像的圖像處理技術，以及將所抽取出來的二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維數(shù)據(jù)的技術。
這種運動捕獲技術具有一種基本的在逼真地表現(xiàn)物體的運動之前取得與物體運動有關數(shù)據(jù)的接口功能。
由于實際上運動捕獲技術是一種接口方法，所以本發(fā)明提供了一種能夠快速地獲取有關運動者動作的方法。


本發(fā)明上述的以及其他目的，特征和優(yōu)點可以通過下述結(jié)合附圖詳細描述的實施例更清楚地理解，其中圖1是實施依據(jù)本發(fā)明的運動捕獲數(shù)據(jù)獲取方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2是依據(jù)本發(fā)明的為獲取三維數(shù)據(jù)的相機配置圖；圖3是通過如圖2所示前置相機探測X和Z坐標數(shù)值的示意草圖；圖4是通過如圖2所示左置相機探測X，Y和Z坐標數(shù)值的示意草圖；圖5是通過如圖2所示右置相機探測X，Y和Z坐標數(shù)值的示意草圖；圖6是其行動將要被捕獲的物體的實際運動區(qū)域的示意圖；圖7至9是圖2中前置，左置和右置相機相應死區(qū)的示意圖并示意了死區(qū)中數(shù)據(jù)的探測。
本發(fā)明最佳實施例如圖1和圖2，多個具有不同顏色數(shù)值的顏色指針被相應安放在數(shù)據(jù)提供者身體的主要關節(jié)部分和末端部分。三個或更多的相機等角地設置并彼此離開有規(guī)則的一段距離，以便攝取數(shù)據(jù)提供者的動作。一臺個人電腦用來將由所述相機獲得的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維坐標數(shù)值(X，Y和Z)，并由轉(zhuǎn)換得來的三維坐標數(shù)值探測安在所述數(shù)據(jù)提供者身上的顏色指針的位置變化，進而把探測到的位置變化作為運動捕獲數(shù)據(jù)存儲起來。
所述計算機通過緩沖器從所述相機接收圖像信號，并且從所接收到的圖像信號中僅僅抽取有關安裝在所述數(shù)據(jù)提供者相應身體部分的顏色指針運動的位置坐標數(shù)值。因為所述計算機并不是抽取和儲存所有的圖像信號，而僅僅是隨著安裝在所述數(shù)據(jù)提供者身上相應部分的顏色指針的運動而變化的位置坐標數(shù)值，所以需要處理數(shù)據(jù)的數(shù)量就大大減少了，結(jié)果處理速度得到提高。
以下將描述依據(jù)本發(fā)明的捕獲動作和從捕獲到的圖象中抽取三維運動數(shù)據(jù)的過程。下列表1給出把256種顏色中的13種原色分配給運動者的主要身體部分的實例。


在這里，分辨率設為160像素*120像素，色深設為16位，幀率設為30幀/秒，N表示顏色指針的數(shù)量。
在上述條件下，一臺相機從輸入圖像中抽取三種原色元素，即紅，綠和藍元素，并把它們送到個人電腦(PC)中。此時，從所述相機送到所述PC的數(shù)據(jù)數(shù)量是160像素*120像素*16位*30幀/秒＝9216000位/秒，因為數(shù)據(jù)量可以用分辨率，色深和幀率的乘積來表示。如果用字節(jié)為單位來計算這一數(shù)據(jù)量，結(jié)果為1152000字節(jié)/秒。進一步用K字節(jié)來計算這個結(jié)果為1152K字節(jié)/秒。結(jié)論是，每秒有1152K字節(jié)的數(shù)據(jù)從所述相機被傳送到所述計算機中。
因為以上述方法計算的數(shù)據(jù)量分別涉及紅，綠和藍元素，所以為所有顏色元素捕獲到的數(shù)據(jù)量為已計算的數(shù)據(jù)量的三倍，即1152000*3＝345600字節(jié)/秒。用M字節(jié)為單位計算結(jié)果是3.456M字節(jié)/秒。最后，計算機所處理的數(shù)據(jù)總量可以通過為所有的紅，綠和藍三種元素所捕獲的數(shù)據(jù)量與顏色指針數(shù)量的乘積得到。
也就是說，計算機處理的數(shù)據(jù)總量，如果N＝1，為3.456M字節(jié)/秒，如果N＝10，為34.56M字節(jié)/秒。
圖1至圖9中所示的坐標系統(tǒng)是可以為計算機三維(3D)圖畫和動畫技術所得到絕對坐標系統(tǒng)。從正面看如圖1至9所示的坐標系統(tǒng)，Z軸上下方向放置，X軸左右方向放置，Y軸前后方向放置。
接下來將結(jié)合附圖詳細描述依據(jù)本發(fā)明的獲取運動捕獲數(shù)據(jù)的方法。
首先，三個或更多的相機攝取數(shù)據(jù)提供者的運動并將結(jié)果圖像分別傳送到所連接的計算機中。所述計算機從相連相機傳送來的圖像中抽取多個安裝在數(shù)據(jù)提供者相應身體主要關節(jié)和末端部位的顏色指針的位置變量，并從所抽取的位置變量中得到二維運動數(shù)據(jù)的坐標數(shù)值。
其次，所述計算機將得到的二維運動數(shù)據(jù)的坐標數(shù)值通過一個內(nèi)部網(wǎng)絡傳送到一臺服務器中，所述服務器接著把所傳送過來的坐標數(shù)值根據(jù)一個三維合成功能引擎的合成程序轉(zhuǎn)換成三維運動捕獲數(shù)據(jù)。
圖1是實施依據(jù)本發(fā)明的運動捕獲數(shù)據(jù)的獲取方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，三個或更多的相機攝取數(shù)據(jù)提供者的運動并將結(jié)果圖像分別傳送到所述的計算機中。所述計算機用以根據(jù)上述的算法處理從相關的相機中傳送過來的圖像并將處理結(jié)果通過一個內(nèi)部網(wǎng)絡送到一臺服務器中。所述服務器用以在上述計算機傳送來的數(shù)據(jù)的基礎上獲得三維運動捕獲數(shù)據(jù)。
圖2是依據(jù)本發(fā)明的為獲得三維數(shù)據(jù)的相機設置圖。如圖所示，三臺相機，即前置相機100，左置相機200和右置相機300圍繞著一個物體，或數(shù)據(jù)提供者放置。
所述三臺相機彼此成120度等角地設置。一個實區(qū)圍繞所述三臺相機的交叉視區(qū)設置在一個預定的范圍內(nèi)，該實區(qū)被計算機認作是一個坐標系統(tǒng)。
當所述三臺相機按如圖1所示方式設置，就能得到一個物體四周的Z坐標值。該物體的X和Y坐標值通過執(zhí)行一個適當?shù)乃惴ǖ玫?，X坐標值變量由所述前置相機100獲得，+X，-Y，+Y和-Y的數(shù)據(jù)由所述左置相機200和所述右置相機300獲得。該物體所有方位上的運動數(shù)據(jù)就能以這種方式獲得。
圖3是由圖2中所述前置相機100探測X和Z坐標值的示意草圖。所述物體前面指針的X和Z位置坐標值都通過所述前置相機100探測并將這些數(shù)據(jù)作為一個參考值與所述左置相機200和所述右置相機300探測到的數(shù)據(jù)進行比較。由所述前置相機100所探測到的X和Z坐標值也作為一個參考值用以校正由其他相機所探測到的數(shù)據(jù)。
圖4是由如圖2中的左置相機200探測X(30°)，Y(60°)和Z坐標值的示意圖。Z坐標值及所述物體左側(cè)和后側(cè)指針的X與Y坐標值由所述左置相機200探測。所探測到的X和Y坐標值以所探測到的Z坐標值為基礎旋轉(zhuǎn)，然后作為一個參考值與所述前置相機100和所述右置相機300探測到的數(shù)據(jù)進行比較。
圖5是由如圖2中的右置相機300探測Y(60°)，X(30°)和Z坐標值的示意圖。Z坐標值及所述物體右側(cè)和后側(cè)指針的X與Y坐標值由所述右置相機300探測。所探測到的X和Y坐標值以所探測到的Z坐標值為基礎旋轉(zhuǎn)，然后作為一個參考值與所述前置相機100和所述左置相機200探測到的數(shù)據(jù)進行比較。
圖6是運動被捕獲的一個物體的實際的運動區(qū)域(X和Y坐標系統(tǒng))。該實區(qū)圍繞所述三臺相機100，200和300的交叉視區(qū)設置在一個預定的范圍內(nèi)，物體所有的運動都被限制在這個實區(qū)中。所述每臺相機的死區(qū)通過所述另外兩臺相機的交叉視區(qū)被探測出來，于是正確的坐標數(shù)值通過調(diào)整和校正的操作得到。
所述三臺相機的死區(qū)由圖7到圖9分別示出。
如圖7中，位于所述前置相機100死區(qū)中指針的坐標值通過將由所述左置相機200和所述右置相機300探測到的數(shù)據(jù)彼此進行比較并在此基礎上對由所述前置相機100探測到的數(shù)據(jù)進行調(diào)整和校正得到。
如圖8中，位于所述左置相機200死區(qū)中指針的坐標值通過將由所述前置相機100和所述右置相機300探測到的數(shù)據(jù)互相進行比較并在此基礎上對由所述左置相機200探測到的數(shù)據(jù)進行調(diào)整和校正得到。
如圖9中，位于所述右置相機300死區(qū)中指針的坐標值通過將由所述前置相機100和所述左置相機200探測到的數(shù)據(jù)互相進行比較并在此基礎上對由所述右置相機300探測到的數(shù)據(jù)進行調(diào)整和校正得到。
工業(yè)實用性從上述的說明中可以明顯地看出，本發(fā)明提供了一種能夠通過僅僅抽取和處理代表一個運動者運動的顏色指針的數(shù)據(jù)來獲取運動捕獲數(shù)據(jù)的方法。于是，所要處理的數(shù)據(jù)量大大地降低，結(jié)果與處理整個圖像相比處理速度得到提升。再者，所用的廉價的個人計算機，攝放像機和USB相機無須復雜和昂貴的外設，這就實現(xiàn)了一個能夠在任何地方非常簡單和方便地對運動捕獲進行初始標定的成本更低，效率更高的系統(tǒng)。
而且，運動者和運動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間不存在有線和無線連接，運動者能不受空間限制地運動，因此有可能方便地抽取所述運動者的動作，包括劇烈的動作。
此外，本發(fā)明所有的運作能夠通過僅僅升級軟件而變得更加方便，相比而言，傳統(tǒng)模式運作的改善必須基于硬件的提高。
進一步講，因為上述特征，本發(fā)明可以廣泛地用于娛樂領域，虛擬現(xiàn)實領域及其他圖像制作領域。
盡管為說明目的公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是熟練的技術人員會懂得，在不背離在下述權利要求書中公開的本發(fā)明所涉及的范圍和精神的前提下，本發(fā)明還可能有各種不同的修改，增加和替代。
權利要求
1.一種獲取運動捕獲數(shù)據(jù)的方法，包括以下步驟a)將多個具有不同顏色數(shù)值的顏色指針分別安裝到運動者的主要身體部位；b)通過照相裝置攝取所述運動者的動作；并且c)將通過所述照相裝置獲得的圖象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維坐標數(shù)值(X，Y和Z)，從轉(zhuǎn)換得到的三維坐標數(shù)值中探測安裝在所述運動者相應身體部位的所述顏色指針的位置變量，進而從所探測到的位置變量中抽取基于所述顏色指針運動的三維位置坐標變量。
2.如權利要求1所述的獲取運動捕獲數(shù)據(jù)的方法，其中，所述照相裝置包括至少三臺彼此之間相隔規(guī)則距離的成等角設置的相機，所述三臺相機為圍繞所述運動者設置的一臺前置相機，一臺左置相機和一臺右置相機；其中，所述步驟c)包括以下步驟從所述的所有相機中獲得垂直運動(Z坐標)數(shù)據(jù)，從所述前置相機中獲得水平運動(X坐標)數(shù)據(jù)，通過對獲得的水平運動數(shù)據(jù)以及從所述左置相機及右置相機獲得的運動數(shù)據(jù)執(zhí)行一個預定算法，獲取向前和向后的運動數(shù)據(jù)；通過為來自所述各相機的補償數(shù)據(jù)執(zhí)行一個平行計算算法，得到有關所述相機相應死區(qū)的數(shù)據(jù)，并且在已獲得的死區(qū)數(shù)據(jù)的基礎上生成三維數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種獲取運動捕獲數(shù)據(jù)的方法,其可減少指示運動的數(shù)據(jù)量,在游戲角色生成、數(shù)字動畫生成等圖像生成領域容易地表現(xiàn)自然的運動,且因無線纜連到身體,數(shù)據(jù)提供者可不受空間限制地運動。多個具有不同色值的顏色指針連到數(shù)據(jù)提供者身上相應的主要關節(jié)和末端。三臺(100,200和300)或更多的數(shù)字相機攝取數(shù)據(jù)提供者的動作和運動。一臺計算機將相機獲得的圖像轉(zhuǎn)換成X,Y和Z坐標值。身體的運動根據(jù)顏色指針的運動作為三維位置坐標值被抽取出來。
文檔編號G06T1/00GK1340170SQ00803619
公開日2002年3月13日 申請日期2000年10月17日 優(yōu)先權日1999年11月11日
發(fā)明者黃炳翼 申請人:黃炳翼