拋棄磁場(chǎng)傳感器，用6軸IMU玩轉(zhuǎn)最小手臂動(dòng)捕系統(tǒng)

日前，由得捷電子贊助，Supplyframe China 主辦，與非網(wǎng)承辦的 Hackaday Prize 2019 中國(guó)區(qū)賽事已落下帷幕，最終角逐出 6 個(gè)參賽作品作為今年賽事的前 6 強(qiáng)，而《最小手臂動(dòng)捕系統(tǒng)》就是其中之一。接下來(lái)跟著與非網(wǎng)一起來(lái)走近這個(gè)作品，了解作品背后的知識(shí)吧。

作者簡(jiǎn)介

雷凡，德國(guó)不來(lái)梅大學(xué)電氣自動(dòng)化系畢業(yè)，在德國(guó)一家智能眼鏡公司工作兩年后選擇回國(guó)創(chuàng)業(yè)，目前是蘇州星創(chuàng)動(dòng)電子科技有限公司的合伙人之一，主要研究方向是人機(jī)交互和機(jī)器人領(lǐng)域。

《最小手臂動(dòng)捕系統(tǒng)》作品簡(jiǎn)介

最小手臂動(dòng)捕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路來(lái)源于作者在德國(guó)工作的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)時(shí)他們?cè)O(shè)計(jì)的動(dòng)捕產(chǎn)品著重于工業(yè)場(chǎng)景下的應(yīng)用，像給員工提示、培訓(xùn)等。但在剛回到國(guó)內(nèi)時(shí)，發(fā)現(xiàn)無(wú)論從體量還是質(zhì)量的角度，動(dòng)捕系統(tǒng)都處于初期階段，于是就萌發(fā)了做一款“動(dòng)捕屆的 Arduino”的想法，以更低的平臺(tái)和大眾的價(jià)格吸引更多的玩家加入，促進(jìn)國(guó)內(nèi)動(dòng)捕行業(yè)的發(fā)展。

話不多說(shuō)，下面從多維度出發(fā)給大家介紹一下這款最小手臂動(dòng)捕系統(tǒng)作品。

動(dòng)捕系統(tǒng)工作原理：

作為人機(jī)交互的一個(gè)分支，動(dòng)作捕捉系統(tǒng)是一種利用傳感器技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)生成三維模型，然后將生成的模型通過(guò)虛擬引擎高度還原人體的真實(shí)動(dòng)作的系統(tǒng)。

本作品的工作原理是將 6 軸 IMU 采集的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳送給 PC 機(jī)，通過(guò)“動(dòng)態(tài)初始化”快速計(jì)算出每顆 IMU 的坐標(biāo)系與對(duì)應(yīng)手臂骨骼模型坐標(biāo)系之間的偏差關(guān)系，并結(jié)合初始化結(jié)果和 IMU 的實(shí)時(shí)姿態(tài)，計(jì)算出手臂模型的骨骼姿態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)手臂的動(dòng)作捕捉。

動(dòng)捕系統(tǒng)分類(lèi)：

現(xiàn)代動(dòng)作捕捉系統(tǒng)基于捕捉原理的不同，包括聲學(xué)式、電磁式、光學(xué)式、機(jī)械式、視頻捕捉式和慣性式，目前市場(chǎng)上有兩類(lèi)主流動(dòng)作捕捉系統(tǒng)。

一類(lèi)是基于光學(xué)的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是采樣率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作捕捉需求，缺點(diǎn)是易受光照等環(huán)境因素的干擾，造價(jià)昂貴，因此普及率低。

另一類(lèi)是基于慣性傳感器的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是采集信號(hào)量少帶來(lái)的實(shí)時(shí)性高、慣性傳感器體積小、易于佩戴、價(jià)格低，缺點(diǎn)是存在測(cè)量噪聲、漂移誤差，無(wú)法對(duì)人體姿態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間精確跟蹤，但由于價(jià)格因素，普及率高。

而在 Hackaday Prize 2019 獲獎(jiǎng)的《最小手臂動(dòng)捕系統(tǒng)》就是屬于第二類(lèi)：基于慣性傳感器的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)。

《最小手臂動(dòng)捕系統(tǒng)》方案說(shuō)明

《最小手臂動(dòng)捕系統(tǒng)》采用基于“三顆 MPU6050+MCU”的硬件方案實(shí)現(xiàn)手臂的動(dòng)作捕捉，其中 MCU 使用的是 TI 的 MSP430F5259，數(shù)據(jù)傳輸方式采用板載 USB 或藍(lán)牙串口透?jìng)鞫x一的方式。在功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，直接調(diào)用 MPU6050 內(nèi)置的 DMP 驅(qū)動(dòng)，采集每顆傳感器的姿態(tài)（四元數(shù)格式），并發(fā)送至上位機(jī)。通過(guò)“動(dòng)態(tài)初始化”的方式將傳感器與 3D 環(huán)境下的骨骼模型進(jìn)行綁定，即確定傳感器與對(duì)應(yīng)骨骼模型之間的姿態(tài)偏差。結(jié)合反向運(yùn)動(dòng)學(xué)，實(shí)時(shí)計(jì)算骨骼姿態(tài)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)作捕捉。

《最小手臂動(dòng)捕系統(tǒng)》特點(diǎn)展示

優(yōu)點(diǎn)：

a)硬件沒(méi)有使用磁場(chǎng)傳感器，用 6 軸 IMU 替代 9 軸 IMU，可以做到“即穿即用”，有效避開(kāi)了重復(fù)校準(zhǔn)磁場(chǎng)傳感器、磁干擾等問(wèn)題；

b)在初始化過(guò)程中可以融合其它帶有姿態(tài)數(shù)據(jù)的設(shè)備，如谷歌 Daydream 的遙控器（內(nèi)置 9 軸 IMU）等；

c)直接調(diào)用 MPU6050 內(nèi)置的 DMP 驅(qū)動(dòng)，降低 MCU 計(jì)算壓力，進(jìn)一步壓縮成本。

缺點(diǎn)：

a)DMP 驅(qū)動(dòng)的啟動(dòng)過(guò)程較慢，大約需要 15 秒的時(shí)間，傳感器的姿態(tài)方能穩(wěn)定下來(lái)；

b)DMP 驅(qū)動(dòng)計(jì)算出的姿態(tài)容易漂移，效果不及 Mahony 或卡爾曼濾波的效果好；

c)DMP 采用 FIFO 的方式緩存計(jì)算結(jié)果，處理不當(dāng)容易造成數(shù)據(jù)溢出；

d)沒(méi)有融合磁場(chǎng)傳感器，不論采用哪種姿態(tài)計(jì)算方式，漂移的現(xiàn)象都會(huì)存在，但漂移明顯時(shí)，可通過(guò)重新初始化的方式來(lái)改善飄逸問(wèn)題。

《最小手臂動(dòng)捕系統(tǒng)》使用方法

將三顆 IMU（MPU6050）分別佩戴在手背、下臂近手腕及上臂近手肘的位置，其中直接布局在 MCU 主板上的 IMU 需要戴在下臂近手腕處，其余兩顆 IMU 則是兩個(gè)獨(dú)立模塊，分別佩戴在手背和上臂手肘處。

演示視頻如下：

慣性動(dòng)捕產(chǎn)業(yè)分析

隨著計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們?cè)谌藱C(jī)交互方面的研究也不斷深入，動(dòng)作捕捉作為人機(jī)交互方面的一個(gè)分支，在近幾年也得到了飛速的發(fā)展。

如上文中所述，現(xiàn)代動(dòng)作捕捉系統(tǒng)基于捕捉原理的不同，包括聲學(xué)式、電磁式、光學(xué)式、機(jī)械式、視頻捕捉式和慣性式。聲學(xué)式和電磁式的捕捉系統(tǒng)精度比較差，且受環(huán)境噪聲和磁場(chǎng)的影響比較大；光學(xué)式的捕捉系統(tǒng)精度高，但安裝復(fù)雜，成本高和對(duì)環(huán)境要求高；機(jī)械式的動(dòng)作系統(tǒng)穿戴困難，且會(huì)影響人體的自由活動(dòng)；視頻捕捉式的捕捉系統(tǒng)雖然不需要在人體身上佩戴傳感節(jié)點(diǎn)，但算法復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度大?；趹T性傳感器的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其具有便攜穿戴、操作簡(jiǎn)單和成本低廉的特點(diǎn)，能夠不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，持續(xù)不斷地采集人體各個(gè)部位的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)信息，在跌倒監(jiān)測(cè)、體育訓(xùn)練、軍事訓(xùn)練、體感 游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)方面都得到了廣泛應(yīng)用。

慣性動(dòng)捕行業(yè)目前還屬于小眾產(chǎn)業(yè)，國(guó)外起步較早，發(fā)展較為成熟。

•  美國(guó) Inertiallabs 公司已經(jīng)推出了商業(yè)化的慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng) 3Dsuit；

•  荷蘭的 Xsens 公司也推出了自己的 Xsens MVN 慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，兩者都可以實(shí)時(shí)采集人體各部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)，快速地完成人體姿態(tài)地測(cè)量，已經(jīng)廣泛應(yīng)用與國(guó)外的 CG 電影制作。

對(duì)比國(guó)外動(dòng)捕行業(yè)的發(fā)達(dá)，國(guó)內(nèi)動(dòng)捕系統(tǒng)的商業(yè)化程度較低，只有少數(shù)企業(yè)在做，如瑞立視、青瞳視覺(jué)等，但這些企業(yè)都是從事光學(xué)動(dòng)捕系統(tǒng)研發(fā)的，對(duì)于慣性動(dòng)捕產(chǎn)業(yè)而言，除了諾亦騰、星創(chuàng)動(dòng)等，大多數(shù)仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段：

•  諾亦騰在 SIGGRAPH 2019 大會(huì)發(fā)布了全身慣性動(dòng)捕系統(tǒng) Perception Neuron Studio，可配置、可定制，并且配有適用于高級(jí)動(dòng)捕應(yīng)用的硬件和軟件附件；

•  星創(chuàng)動(dòng)的研究領(lǐng)域是基礎(chǔ)慣性動(dòng)捕系統(tǒng)與機(jī)器人，目前處于項(xiàng)目定制階段；

•  浙江大學(xué)的李啟雷等人研發(fā)的慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，可以采集人體運(yùn)動(dòng)的加速度和磁力數(shù)據(jù)；

•  中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的汪俊等人所設(shè)計(jì)的慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，各慣性傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線 WiFi 模塊進(jìn)行連接，節(jié)點(diǎn)的體積較大；

•  馬杰和劉莉琛兩人所在的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于 Zigbee 通訊的慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，但 Zigbee 的通訊速率限制了捕捉系統(tǒng)的采樣速度與精度。

總結(jié)語(yǔ)

隨著 5G 時(shí)代的到來(lái)，更高的帶寬給動(dòng)捕產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了新的機(jī)遇，而最大的動(dòng)捕市場(chǎng)受眾群體在中國(guó)，面對(duì)市場(chǎng)需求與產(chǎn)業(yè)技術(shù)的懸殊差距，目前國(guó)內(nèi)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)應(yīng)對(duì)標(biāo)國(guó)外技術(shù)參數(shù)、立足創(chuàng)新，包括底層的算法和硬件的開(kāi)發(fā)，在關(guān)鍵技術(shù)方面各個(gè)擊破，才能走出動(dòng)捕產(chǎn)品基本靠進(jìn)口的窘境。

11 月 23 日，Hackadayprize 2019 China 大賽頒獎(jiǎng)儀式暨全球創(chuàng)客嘉年華活動(dòng)將在深圳舉辦，一起來(lái) Party 吧！

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