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摘要本课题主要论述了基于MEMS传感器的人体手部运动捕捉数据的实时可视化软件的设计与实现。课题采用多线程处理设计，三个线程分别处理数据接收、数据处理和模型绘制，可以更有效的利用系统资源，提高了程序响应速度，使得实时性更优化。通过绑定在手部的 MEMS 传感器捕捉手部的运动，经由无线传输模块接收手部运动的数据，同时进行实时的处理分析，PC 机将收到的数据进行修正和编辑，求得各个关节坐标之后，将处理后的数据提供给骨骼模型构建模块建立手部骨骼模型，并按照一定帧率更新传感器数据和节点姿态，实现手部运动捕捉的实时可视化。27592
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毕业论文关键词 运动捕捉；多线程；实时可视化；骨骼模型
Title Real time visualization software development ofhuman motion capture systemAbstractThis paper mainly discusses the design and implementation of real-timevisualization software based on human hand motion data captured by MEMS sensors.The subject adopts multi-thread design and includes three threads. One thread isused to receive data, and one processes data, while the other one draws the scene.This design can use system resources more effectively and improve the responsespeed of the program, optimizing the real-time visualization. The MEMS sensorsare bound in the hand and capture hand movement, transferring the data to thecomputer by wireless transmission module. After getting data, the computerprocesses and analyzes it. And then, the coordinate of each joint is calculated.Based on the data provided by computer, skeletal model building blocks build thehand skeleton model and update sensor data and node attitude in a certain rate,realizing real-time visualization of hand motion capture.Keywords Motion capture; Multi-thread; Real-time visualization; Bone model
目次
1绪论..1
1．1课题应用背景.1
1．2实时可视化技术研究现状..1
1．3本论文主要内容及现实意义.2
2基于OSG的实时三文可视化技术..3
2．1OSG技术.3
2．2实时可视化技术4
3需求分析5
3．1系统结构分析.5
3．2MEMS传感器模块..6
3．3手部骨骼模型.7
4详细设计9
4．1无线传输模块9
4．2数据处理模块.10
4．3手部模型构建模块..13
5实验及结果分析.16
结论19
致谢20
参考文献..21
1 绪论1．1 课题应用背景如今计算机应用领域中，研究计算机自主识别和判断外部信息从而提供更方便快捷的服务，已逐渐迈入程序编写者们的眼帘。人体行为识别是人体运动捕捉的重要组成部分，主要指利用计算机对人体运动目标做的动作进行识别并分析。目前，人体行为识别在计算机视觉的前沿领域中正越来越受到人们的关注，而分析并处理含有人体运动数据是行为识别的重点之处。人体行为识别的研究成果在虚拟现实、感知接口、智能监控等方面均有广阔的应用前景[1]。现在，随着计算机技术的不断发展，为人类提供各种有用的信息和便捷的服务需要不断加强研究计算的自主识别的功能与对于外部信息检测，人们大量地分析和研究了展现运动姿态的方法，对于体感传感器姿态的标定，处理运动捕捉数据的方法以及对于姿态动作的识别与捕捉等方面，同时对于运动数据的实时可视化的研究也是越来越热门。青少年对于游戏体验的进一步要求，观众们对酷炫的电影、轻松欢快的动画片甚至常见的广告中的视觉感受有了更高的要求，可视化在这种背景下也慢慢的被提出来，并且许多人对其展开了深入的研究。在实时计算领域内,随着人体运动捕捉和实时可视化的提出,由于它的实时性、灵活性以及逼真性非常好,而且实现非常简单,这使得它被广泛应用于虚拟现实、三文游戏制作、网络娱乐等领域。1．2 实时可视化技术研究现状目前，可视化表达实验数据和反映真实的方法有动态彩色图标、动态彩色三文数据图、三文视景显示等。从软件实现的角度，三文视景可视化的实现方法基本包含了其他表达方式的实现方法。可视化技术大多以应用PC 软件的形式体现出来，建模的软件、平台类软件和应用类软件是常见的三类。建造实体模型是三文可视化的关键之处，以上软件都是以实体模型为基础，进行演示、分析、存储等操作；但是应用类的软件更加侧重于某一处的使用，现在比较流行的智慧城市、景观仿真、小区演示都是此类软件的代表。三文可视化软件的优化紧紧依赖于计算机图形学与可视化技术的发展。程序员们对计算机三文可视化技术的讨论与研究可以追溯到 1887 年有着运动图片之父称号的 EadweardMnybridge 在动画电影之中的工作，从而 Directx 和 OpenGL 等三文可视化工具类软件也是应运而生。浙江大学与微软视觉感知联合实验室提出了一种基于视频的人体动画技术，通过在人体各个关节点贴上标志点，利用多个摄像机拍摄人体运动过程，实时跟踪各个标志点，从而完成动画的制作，取得了较好的效果[4]。本系统所使用的 OSG （OpenSceneGraph） 是一套基于我们所熟悉的 C++平台的程序接口，它能够让程序编写者们以更加快捷的速度、更加简便的操作进行三文交互图形程序的设计。1．3 本论文主要内容及现实意义本系统以人体运动捕捉系统为背景，研究运动捕捉数据可视化技术，了解人体运动捕捉系统的基本需求，基于人体运动学和三文图形技术，采用三文图形软件包实现运动捕捉数据的可视化，设计实现一个人体运动捕捉数据的可视化软件。由于人类自身行为动作的复杂度之高还有三文可视化技术的发展局限，所以涉及人体运动方面的运动捕捉实时可视化研究基本上都处在实验阶段，在实际生活中将此类技术应用的更是几乎没有。但随着近年来人们对实时可视化技术和人体运动模拟方向研究程度的不断加深以及相关理论的不断完善，可以预示人体行为识别领域将会在不久的将来得到进一步的发展。随着人机交互技术的不断蓬勃发展，人与 PC 机之间的无键盘交互即自然、多模式的交互方式将成为主流趋势。 但是以上的假设都必须建立在PC 机能够准确快捷的捕捉和识别人体的动作，人体运动捕捉正是在这样的环境下提出来。通过人体运动捕捉技术，计算机可以准确快捷的捕捉人体动作，并进行分析和识别其动作，然后使用者就可以通过之前设定的动作指令向计算机发出指令、传达信息等，因此人体运动捕捉是人机交互中的重要技术之一。除了在人机交互领域有着不可或缺的作用之外,人体运动捕捉技术在运动行为分析、 人体模型编码、3D 虚拟现实、动画电影制作、摄像头智能监控系统、大型3D 游戏制作等方向有着重要的作用。如果将运动捕捉技术应用于大型互动式游戏,比如 XBOX 上的健身运动游戏，使参与者的各种动作能够被主机识别， 从而作用于游戏环境中扮演的虚拟角色的动作,为游戏者带来一种更加实在的参与体验和游戏快感,同时也加强了参与者在玩游戏的过程中的真实感和互动性。对于 3D 动画和大型游戏制作,人体运动捕捉技术将会很方便的捕捉真人的运动姿态，对动画和游戏中模型的建立的效率和真实性的提升有着不可估量的作用，并降低了其开发成本。 对于专业的体育训练,人体运动捕捉技术可以很方便的通过运动员在训练过程中的实时录像，运动员刚从训练场上下来，她刚刚训练过程中的动作、速度、加速度、位移等量化信息就会实时反映在PC 机上，教练可以结合人体生物力学的原理,从量化的角度去分析刚刚训练过程中运动员的动作并根据其现状提出更加有科学依据的改进方法。由上可知人体的动作捕捉实时可视化的技术具有广阔的应用前景和巨大的商用价值。
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