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整合能力強(qiáng)、的實(shí)時(shí)3D運(yùn)動(dòng)捕捉分析系統(tǒng)，可集成各捕捉分析硬件，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步分析，用于涉及復(fù)雜運(yùn)動(dòng)分析的臨床、生物力學(xué)、神經(jīng)控制和運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)應(yīng)用。
支持各種外圍設(shè)備：實(shí)現(xiàn)人體動(dòng)作捕捉分析所有方面
幫助科學(xué)家解決神經(jīng)系統(tǒng)、感覺(jué)和肌肉骨骼系統(tǒng)以及身體在物理中的運(yùn)動(dòng)之間的功能聯(lián)系問(wèn)題
三、康復(fù)與人體工程學(xué)：
1.2.1步態(tài)分析的技術(shù)分類
目前主流的步態(tài)分析技術(shù)主要有以下幾種：基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的人體步態(tài)捕捉與分析、基于慣性傳感器的人體步態(tài)捕捉與分析、基于無(wú)線信號(hào)的人體步態(tài)捕捉與分析?；谟?jì)算機(jī)視覺(jué)的人體步態(tài)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(gè)世紀(jì)的技術(shù)路線還有基于機(jī)械式的步態(tài)捕捉。其他的技術(shù)路線還有基于電磁式的步態(tài)捕捉。
1.2.1.1基于紅外攝像頭的光學(xué)步態(tài)捕捉
紅外光學(xué)動(dòng)作捕捉技術(shù)經(jīng)歷數(shù)十年的持續(xù)發(fā)展，目前常用的紅外光學(xué)動(dòng)作捕捉技術(shù)都是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理[4]。紅外攝像頭的光學(xué)步態(tài)捕捉主要分為被動(dòng)式和主動(dòng)式。被動(dòng)式是在人體關(guān)鍵部位粘貼反光標(biāo)記點(diǎn)，主動(dòng)式是在人體主要部位佩戴上可發(fā)射紅外線的主動(dòng)式攝像頭。本節(jié)主要說(shuō)明被動(dòng)形式的光學(xué)步態(tài)捕捉。在人體的主要骨骼部位以及關(guān)節(jié)處粘貼反光標(biāo)記點(diǎn)，利用架設(shè)好的紅外攝像頭追蹤反光標(biāo)記點(diǎn)（Markers），從而計(jì)算出反光標(biāo)記點(diǎn)在空間中的位置。反光標(biāo)記點(diǎn)和紅外攝像頭分別如圖1-1和圖1-2所示。
紅外攝像頭一般采用RJ45接口，通過(guò)網(wǎng)線連接匯聚到交換機(jī)，再由交換機(jī)統(tǒng)一將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到計(jì)算機(jī)。
計(jì)算機(jī)的上位機(jī)軟件經(jīng)過(guò)一系列的算法識(shí)別還原出人體的步態(tài)。
基于紅外攝像頭的光學(xué)步態(tài)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟度高，采樣頻率高，加之目前的高性能計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理速度*快所以延遲很低，且精度很高，使用范圍廣，應(yīng)用領(lǐng)域眾多。主要缺點(diǎn)是對(duì)光照特別敏感，不能在光變化較大的環(huán)境下使用，周?chē)荒苡泻凸鈱W(xué)標(biāo)記點(diǎn)相近的物體或光斑，所以光學(xué)步態(tài)捕捉一般只在室內(nèi)使用。由于攝像頭的視場(chǎng)角有局限性，且人在運(yùn)動(dòng)時(shí)有的標(biāo)記點(diǎn)很容易受到其他物體及自身的遮擋，這就造成被遮擋部位數(shù)據(jù)的丟失。后期數(shù)據(jù)處理工作量很大，由于數(shù)據(jù)量大且需要處理丟失、跳幀等問(wèn)題，需要較長(zhǎng)的后期處理時(shí)間。缺點(diǎn)還在于需要架設(shè)相機(jī)，相機(jī)一般架設(shè)到鋼架結(jié)構(gòu)上，這就造成使用場(chǎng)景一般比較固定，不能輕易的挪動(dòng)。一般的場(chǎng)景至少需要6個(gè)攝像頭，如果需要追蹤更大的場(chǎng)景，需要的攝像頭數(shù)量高達(dá)幾十個(gè)，且單個(gè)攝像頭價(jià)格十分價(jià)貴，比如Vicon公司生產(chǎn)的單個(gè)攝像頭價(jià)格高達(dá)十萬(wàn)元，這就造成紅外光學(xué)式步態(tài)捕捉還是應(yīng)用到科學(xué)研究方面，無(wú)法走進(jìn)大眾。
目前市面上生產(chǎn)紅外攝像頭的光學(xué)步態(tài)捕捉的公司有英國(guó)的Vicon公司、美國(guó)NaturalPoint公司、美國(guó)MotionAnalysis公司、中國(guó)的青瞳視覺(jué)公司等。NaturalPoint公司生產(chǎn)的Optitrack系統(tǒng)如圖1-5所示。
1.2.1.2基于3D深度攝像頭的動(dòng)作捕捉
隨著3D深度相機(jī)技術(shù)的成熟，有許多研究者開(kāi)始研究基于深度相機(jī)的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)[5][6]。3D深度攝像頭與2D攝像頭的區(qū)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(shù)目前廣泛應(yīng)用在人體步態(tài)識(shí)別、三維重建、SLAM等領(lǐng)域。目前主流的3D深度攝像頭的技術(shù)路線有：（1）雙目立體視覺(jué)；（2）飛行時(shí)間（Timeoffly，TOF）；（3）結(jié)構(gòu)光技術(shù)等。
雙目立體視覺(jué)即使用兩個(gè)2D平面攝像頭。兩個(gè)平面攝像頭獲得兩幅圖像，通過(guò)兩幅圖像算出深度信息。飛行時(shí)間即由雷達(dá)芯片發(fā)射出紅外激光散點(diǎn)，照射到物體后反射回雷達(dá)芯片的時(shí)間，由于光速已知，發(fā)射返回時(shí)間已知即可測(cè)量出攝像頭距物體的距離， 。結(jié)構(gòu)光是攝像頭發(fā)出特定的圖案，當(dāng)被攝物體反射回這一圖案時(shí)，深度攝像頭再次接收這一圖案，通過(guò)比較發(fā)射出的圖案和接收的圖案從而測(cè)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(duì)比如表1-1所示。
表1-1 3D深度攝像頭方案對(duì)比
利用結(jié)構(gòu)光方案的產(chǎn)品有微軟公司推出的Kinect，其廣泛的應(yīng)用在體感交互、人體骨架識(shí)別、步態(tài)分析等領(lǐng)域。
基本原理是首先找到圖像中移動(dòng)的物體，然后會(huì)對(duì)移動(dòng)的物體進(jìn)行深度評(píng)估，識(shí)別出人體的部位，然后將其從背景環(huán)境中分割出來(lái)。分割之后要做的工作就是模式匹配，將其匹配到骨骼系統(tǒng)上。算法流程如圖1-7所示。
以上三種方案的3D深度攝像頭方案大部分用在娛樂(lè)級(jí)別方面，比如臉部識(shí)別解鎖、人機(jī)互動(dòng)，且由于其探測(cè)距離較近，很難用在大空間上。目前基于3D深度攝像頭的芯片在不斷地研究改進(jìn)中。其硬件芯片仍是目前的難點(diǎn)，再其次是算法的復(fù)雜度，大量的圖像計(jì)算對(duì)硬件的主控芯片的計(jì)算能力有較高的要求，在功耗上很難做到低功耗的工作，受制于目前的電池技術(shù)，單個(gè)傳感器的工作時(shí)間比較短。其優(yōu)勢(shì)在于不需要用戶穿戴任何傳感器和粘貼標(biāo)記點(diǎn)。利用Kinect進(jìn)行人體下肢骨架識(shí)別如圖1-8所示。
1.2.1.3基于2D攝像頭的動(dòng)作捕捉
利用2D攝像頭實(shí)現(xiàn)3D運(yùn)動(dòng)軌跡的捕捉是目前的技術(shù)研究。2D攝像頭即平面攝像頭，沒(méi)有深度信息。目前基于2D攝像頭的動(dòng)作捕捉主要采用卷積神經(jīng)網(wǎng)路（CNN）將稀疏的2D人體姿態(tài)凸顯檢測(cè)的原理。但是此種捕捉方案需要長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)算，并不適合實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)分析，且輸出精度低?；?D攝像頭的動(dòng)作捕捉目前可以捕捉人體局部的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，且捕捉之間需要采集大量的數(shù)據(jù)樣本作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。2D攝像頭在深度信息的預(yù)測(cè)上存在著偏差，任何一點(diǎn)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)都會(huì)導(dǎo)致很大的偏差，穩(wěn)定性*差。的挑戰(zhàn)在于攝像頭的遮擋以及快速的運(yùn)動(dòng)都是2D攝像頭很難追蹤到的。其優(yōu)點(diǎn)在于不需要任何的穿戴，且所需要的2D攝像頭觸手可得，成本*低，這對(duì)大眾化的應(yīng)用是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。利用2D平面攝像頭的姿態(tài)捕捉應(yīng)用如圖1-9所示。
慣性傳感器主要包括加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)。其中加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)多采用MEMS形式，所以稱之為MEMS慣性傳感器。三軸加速度計(jì)可以測(cè)量載體的三個(gè)軸向上的加速度，是一矢量，通過(guò)加速度我們也可以計(jì)算出載體靜止時(shí)的傾角。三軸陀螺儀可以測(cè)量出載體的三個(gè)軸向上角速度，通過(guò)對(duì)角速度積分我們可以得到角度， 。三軸磁力計(jì)可以測(cè)量出周?chē)拇艌?chǎng)強(qiáng)度及與地球磁場(chǎng)的夾角。通過(guò)融合加速度、角速度、磁力值的數(shù)據(jù)我們可以精準(zhǔn)的得到載體的旋轉(zhuǎn)。融合后的數(shù)據(jù)一般用四元數(shù)或歐拉角來(lái)表示。其中四元數(shù)形式如 ，歐拉角包含俯仰角（Pitch）、橫滾角（Roll）、偏航角（Yaw）。得到載體的旋轉(zhuǎn)后再擬合各個(gè)骨骼的運(yùn)動(dòng)，從而計(jì)算出穿戴部位的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。通過(guò)對(duì)加速度、角速度的積分可以測(cè)量出穿戴者的步速、步距、步長(zhǎng)等參數(shù)。上的MEMS慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)研發(fā)生產(chǎn)公司國(guó)外有荷蘭Xsens、國(guó)內(nèi)的北京孚心科技公司等。綜述其原理如圖1-11所示。
基于MEMS慣性傳感器的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的步態(tài)分析有很大的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在由于慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采用的是MEMS芯片，成本較低，每個(gè)芯片只需要十元左右，整套系統(tǒng)的價(jià)格在幾萬(wàn)元級(jí)別。由于慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)是一種無(wú)源的系統(tǒng)，整套系統(tǒng)的重量在幾千克的范圍內(nèi)，所以便于攜帶，且不需要架設(shè)繁雜的相機(jī)。慣性傳感器只需要開(kāi)機(jī)后就可以使用，沒(méi)有繁雜的校準(zhǔn)、標(biāo)定等操作步驟，所以使用十分便捷。慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)不受使用環(huán)境的影響，不管在室內(nèi)、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(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)來(lái)講，精度較低，但對(duì)于大眾人群已經(jīng)完全滿足其需求。由于MEMS式陀螺儀存在零偏且在動(dòng)態(tài)情況下積分累計(jì)誤差會(huì)隨著時(shí)間的推移而產(chǎn)生較大的漂移。MEMS加速度計(jì)在不同的狀態(tài)下也存在誤差，特別是在高動(dòng)態(tài)下。磁力計(jì)很容易受到強(qiáng)磁環(huán)境的干擾。但是這一系列的誤差問(wèn)題都可以通過(guò)算法來(lái)補(bǔ)償。MEMS式慣性傳感器補(bǔ)償后的靜態(tài)精度一般可達(dá)到：俯仰角/橫滾角≤0.2°,偏航角≤1°；動(dòng)態(tài)精度：俯仰角/橫滾角≤0.5°, 偏航角≤2°，步態(tài)位移誤差可達(dá)5%。已滿足步態(tài)參數(shù)計(jì)算的精度要求。
1.2.1.5其他技術(shù)路線
機(jī)械式動(dòng)作捕捉依靠穿戴在人身體的機(jī)械裝置來(lái)測(cè)量關(guān)節(jié)角度以及位移。人體運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)，從機(jī)械裝置上的角度傳感器可以知道運(yùn)動(dòng)角度，根據(jù)角度和機(jī)械部位的長(zhǎng)度從而計(jì)算出移動(dòng)位移。這一技術(shù)早出現(xiàn)在20世紀(jì)，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的笨重，在步態(tài)分析方面機(jī)械動(dòng)作捕捉早已退出發(fā)展的主流。但利用機(jī)械外骨骼的搬運(yùn)發(fā)展成了主流。其形狀如圖1-12所示。