一种基于柔性光纤检测动作捕捉系统及其捕捉方法

1.本发明涉及光纤传感技术、人体运动力学、人机交互技术等领域，特别是涉及一种基于柔性光纤检测动作捕捉系统及其捕捉方法。


背景技术：

2.柔性光纤检测动作捕捉技术是vr体感游戏、3d虚拟动画研究的方法之一，是元宇宙构想实现的重要研究。在未来，元宇宙将向沉浸式发展，vr设备则是现实世界通往虚拟世界的通道。目前，国内大多数利用机械式、光学式、声学式、惯性传感捕捉和基于视频的动作捕获技术，存在容易受外界干扰、成本昂贵、不利于穿戴、延迟误差高和实现难度大等缺陷。
3.在呈现端口，也出现对虚拟人物模型处理不够精细，骨骼模型与人体惯用动作不符合等问题。利用柔性光纤检测人体运动，精准捕获人体运动姿态，并实现虚拟模型执行人体动作的技术已成为进入元宇宙的重要途径。
4.

技术实现要素：

5.基于此，本发明提出了一种基于柔性光纤检测动作捕捉系统及其捕捉方法，能够快速穿戴配置，外界环境影响较小；采用无线数据传输方式，减少在使用动捕服进行场景模拟时的延迟；算法修正动作使精准呈现，人们可通过此系统进入虚拟世界实现完全沉浸体验。
6.本发明的第一方面，提供一种基于柔性光纤检测动作捕捉系统，包括d型柔性光纤、纵向弹性绑带、动作采集模块、一体化穿戴紧身服、动作捕捉软件；所述d型柔性光纤通过所述纵向弹性绑带连接所述动作采集模块的输入端和输出端形成数据传输端口，所述动作采集模块通过所述纵向弹性绑带固定于所述一体化穿戴紧身服上并配置在人体多个关节处，无线传输设备连接所述动作采集模块和所述动作捕捉软件。
7.进一步的，所述d型柔性光纤由3d打印设备打印而成，所述d型柔性光纤外径φ1为1.3mm，纤芯直径φ2为1mm，光纤长度为9-13cm。
8.进一步的，所述纵向弹性绑带长度12-15cm，厚度1-1.25mm。
9.进一步的，所述纵向弹性绑带与所述d型柔性光纤连接方式为依次穿过均匀分布定位孔首末端。
10.进一步的，所述动作采集模块能够获取所述d型柔性光纤形变量数据并转化为电压信号，所述动作采集模块包括集成放大电路模块、电源管理模块、串口通讯模块和光纤传感模块。
11.进一步的，所述动作采集模块设置于人体关节两侧，所述人体关节包括肘关节、肩关节、髋关节和膝关节。
12.进一步的，所述一体化穿戴紧身服紧密贴合人体皮肤，采用弹性材质较小束缚人
体运动，内层具有绑带设计，在各关节处采用闭环反馈控制，使得动作采集模块可复制于人体不同关节处、肩胛区。
13.进一步的，所述一体化穿戴紧身服与pc端进行无线通讯，接入游戏平台，能够将人体运动姿态在虚拟游戏场景中呈现，进行沉浸式交互体验。
14.进一步的，所述动作捕捉软件用于呈现穿戴者的身体运动姿态，所述动作捕捉软件包括vr体感游戏平台、医疗康复诊断场所、体育训练测试平台、影视虚拟动画展现。
15.本发明的第二方面，提供一种上述基于柔性光纤检测动作捕捉系统的捕捉方法，d型柔性光纤依次穿过纵向弹性绑带的四个孔位，其两端连接动作采集模块的输入端和输出端，形成可复制性动作采集模块，12个动作采集模块通过纵向弹性绑带固定于一体化紧身衣内侧，使其位置固定于关节两侧，具体位置为左肘关节两侧、左肩关节两侧、左肩与左上胸连接处两侧、左侧髋关节两侧、左正髋关节两侧、左膝关节两侧、右肘关节两侧、右肩关节两侧、右肩与右上胸连接处两侧、右侧髋关节两侧、右正髋关节两侧、右膝关节两侧；光纤恰好平展时位于初始位置，人体运时会引起关节发生不同程度弯曲带动d型柔性光纤产生弯曲形变，运动采集模块检测此变化并将采集到的数据通过无线传输设备传送到上位机进行处理，终端设备运用blender软件分析数据，在搭建的动作捕捉软件中实现人体运动姿态的复现。
16.与现有技术相比，本发明的优势如下：本发明的基于柔性光纤检测动作捕捉系统及其捕捉方法，能够实现动捕数据和复现动作数据的结合，既能够准确采集人体各个部位的运动数据，又能够使用相关动捕数据在动捕软件中进行实时互动。
17.附图说明
18.图1是本发明的基于柔性光纤检测动作捕捉系统的结构示意图；图2为图1所示捕捉系统的d型柔性光纤的立体结构示意图；图3为图1所示捕捉系统的d型柔性光纤的一视角的剖面图；图4为图1所示捕捉系统的动作采集模块的结构示意图；图5为图1所示捕捉系统佩戴于使用者人体正面结构图；图6为图1所示捕捉系统佩戴于使用者人体侧面结构图。
19.具体实施方式
20.下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚，完整的描述，所描述的实例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
21.请参阅图1-图6，本发明的第一方面，提供一种基于柔性光纤检测动作捕捉系统，包括d型柔性光纤1、纵向弹性绑带2、动作采集模块3、一体化穿戴紧身服4、动作捕捉软件5；所述d型柔性光纤通过所述纵向弹性绑带连接所述动作采集模块的输入端和输出
端形成数据传输端口，所述动作采集模块通过所述纵向弹性绑带固定于所述一体化穿戴紧身服上并配置在人体多个关节处，通过无线传输设备连接所述动作采集模块和所述动作捕捉软件。
22.其中，所述d型柔性光纤根据光纤中光线逸出量变化，用于检测人体关节动作；所述纵向弹性绑带，用于固定柔性光纤位置；所述动作采集模块，用于接收采集硬件实时数据，并将数据通过无线方式发送至上位机；所述一体化穿戴紧身服，用于固定传感器位置，很大程度上提高了体验时舒适度；所述动作捕捉软件，用于接收动作采集模块数据，进行数据处理后呈现最终捕捉效果。
23.其中，所述一体化穿戴紧身服为弹性布料，可根据不同人体体格调节。
24.进一步的，所述d型柔性光纤由3d打印设备打印而成，所述d型柔性光纤外径φ1为1.3mm，纤芯直径φ2为1mm，光纤长度为9-13cm。
25.进一步的，所述纵向弹性绑带长度12-15cm，厚度1-1.25mm。
26.进一步的，所述纵向弹性绑带与所述d型柔性光纤连接方式为依次穿过均匀分布定位孔首末端。
27.进一步的，所述动作采集模块能够获取所述d型柔性光纤形变量数据并转化为电压信号，所述动作采集模块包括集成放大电路模块7、电源管理模块8、串口通讯模块9和光纤传感模块10。
28.其中，所述动作采集模块接收光纤传感器采集的数据，并对数据进行不同人体姿态的拆除分解及优先级合成，通过集成放大电路将信号进行简单处理，并利用无线传输方式驱动虚拟人物。
29.进一步的，所述动作采集模块设置于人体关节两侧，所述人体关节包括肘关节11、肩关节12、髋关节13和膝关节14。
30.其中，所述动作采集模块安装的具体位置为：左肘关节两侧、左肩关节两侧、左肩与左上胸连接处两侧、左侧髋关节两侧、左正髋关节两侧、左膝关节两侧、右肘关节两侧、右肩关节两侧、右肩与右上胸连接处两侧、右侧髋关节两侧、右正髋关节两侧、右膝关节两侧；分别对应一个安装位置，共需要12个可复制动作采集模块。
31.进一步的，所述一体化穿戴紧身服紧密贴合人体皮肤，采用弹性材质较小束缚人体运动，内层具有绑带设计，在各关节处采用闭环反馈控制，使得动作采集模块可复制于人体不同关节处、肩胛区。
32.其中，所述一体化穿戴紧身服贴合人体关节，动作采集模块设置在人体肘关节两侧、肩关节两侧、正髋关节两侧和膝关节两侧安装位置处于同一直线上；设置在人体的两个上臂处的四个安装位置以及两个腿部处的六个安装位置关于人体中轴线呈对称设置。
33.进一步的，所述一体化穿戴紧身服与pc端进行无线通讯，接入游戏平台，能够将人体运动姿态在虚拟游戏场景中呈现，进行沉浸式交互体验。
34.其中，所述一体化穿戴紧身服利用人体运动力学特征，将光纤传感器捕获人体运动时可将人类肢体运动简化为刚体运动，各关节受肌肉伸缩控制，在关节处绑定可更精确检测人体整体姿态。
35.进一步的，所述动作捕捉软件用于呈现穿戴者的身体运动姿态，所述动作捕捉软件包括vr体感游戏平台、医疗康复诊断场所、体育训练测试平台、影视虚拟动画展现。
36.其中，所述动作捕捉软件依据现实世界建立虚拟场景，构建3d人物模型并设置相关角色，将接收穿戴者的动作姿态通过算法处理后的数据导入人物模型，实现实时控制并提高沉浸式体验感。
37.本发明的第二方面，提供一种上述基于柔性光纤检测动作捕捉系统的捕捉方法，d型柔性光纤依次穿过纵向弹性绑带的四个孔位，其两端连接动作采集模块的输入端和输出端，形成可复制性动作采集模块，12个动作采集模块通过纵向弹性绑带固定于一体化紧身衣内侧，使其位置固定于关节两侧，具体位置为左肘关节两侧、左肩关节两侧、左肩与左上胸连接处两侧、左侧髋关节两侧、左正髋关节两侧、左膝关节两侧、右肘关节两侧、右肩关节两侧、右肩与右上胸连接处两侧、右侧髋关节两侧、右正髋关节两侧、右膝关节两侧；光纤恰好平展时位于初始位置，人体运时会引起关节发生不同程度弯曲带动d型柔性光纤产生弯曲形变，运动采集模块检测此变化并将采集到的数据通过无线传输设备传送到上位机进行处理，终端设备运用blender软件分析数据，在搭建的动作捕捉软件中实现人体运动姿态的复现。
38.其中，通过所述d型柔性光纤1和所述动作采集模块2放置于所述一体化穿戴紧身服4所设置的关节处，当光纤恰好平展时位于初始位置，人体运时会引起关节发生不同程度弯曲带动d型柔性光纤1产生弯曲形变，动作采集模块2检测此变化并将采集到的数据通过无线传输设备传送到动作捕捉软件5进行处理、分析数据，在搭建的动作捕捉软件中实现人体运动姿态的复现。
39.与现有技术相比，本发明的优势如下：本发明的基于柔性光纤检测动作捕捉系统及其捕捉方法，能够实现动捕数据和复现动作数据的结合，既能够准确采集人体各个部位的运动数据，又能够使用相关动捕数据在动捕软件中进行实时互动。
40.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限于本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。