南频-白皮书-人体运动捕捉

白皮书-人体运动捕捉

摘要:为了支持实时的，无飘移的多个紧密互动的演员的人体运动捕捉,?X Sens发明了一个创新的产品:MVN MotionGrid.?此系统是基于紧密耦合的UWB，基于位置和惯性运动捕捉，它做为一个选项增加在Xsens MVN全身运动捕捉系统。此组合能革除基于单一的惯性传感器运动捕捉不可避免的增量飘移，而不影响MVN的独特优势，也就是说对堵塞免疫，大面积采集的成本优势，灵活地使用。此白皮书介绍了X Sens MVN MotionGrid的基本原理，架构和性能。

一,介绍

惯性传感器的使用在人体运动跟踪运用已成为一个通用的惯例。此方法的独特优势和光学跟踪系统相比，包括阻塞和标记交换，在非常广区域的跟踪能力，非常精密和平滑的关节角，由于不需任何基础设施安装的灵活使用。鉴于此，本技术实际上可以在任何环境条件下使用。但是，任何基于惯性的系统会随着时间和穿过的距离,积累位置跟踪误差。在Xsens MVN系统中，基于人体模型的生物力学关节约束是用来革除每个身体部分相对于其它的集合飘移。用World脚接触部分的外部点的检测是用来限制整体框架中,组合的身体模型的集合飘移。因为所有的部分是通过生物力学模型统计而连接的，接触约束将无疑地更新所有部分的动力学，继而降低了整体定位的不确定性。但是，有些惯性位置飘移在水平面是仍然存在的，通常介乎于横跨距离的1%和2%之间。

预期位置的飘移的出现不会一直是个问题，取决于特定的应用；例如，在单一演员的场合，虚拟环境可能会调整,来和演员的动作相一致。但是，在此情况下，任何的实时运作就被排除了，极大地限制了此技术能够使用的潜在场景的数量。

在数个情景下，多演员的同时的动作捕捉变得必须。这对单独用惯性运动完成是一个特别令人担心的，假如演员们需要和其它演员或和同一对象互动，因为他们不会遭受同样的飘移。而且在此情况下，至少在某种程度，相对飘移可以通过后处理（比如通过编辑脚接触）来修正。但是，这引入了手工的后编辑，而且再次，实时应用被排除在外。其它要求无飘移的运动捕捉场景包括：和道具互动，集合其它技术（比如在室外场景用GPS），和虚拟摄像头系统。

(UwB基站:155mm x 355mm x 355mm, 重2公斤)

基于这些动机，增加一个辅助技术给MVN系统，能够去除水平位置飘移,对于数个应用是必需的。但是，辅助技术的选择不应该限制MVN系统优势的独特性。实际上，增加一个辅助定位技术给MVN也意味着给参考框架建立引入安装的硬件。便是，需要安装的硬件的数量在使用的技术种类之间有巨大的差异。比如，基于声学信号(比如超声波)的系统或磁跟踪,由于它们的限制范围,只会给到一个小容量的可工作的和经济的方案.光学系统可以放大到可观的大容量，但是需要很多的硬件来完成，且明显地有巨大的引入堵塞的劣势，极大地限制了此技术能够使用到的应用的场景。

(UwB穿戴标签?13mm x 36mm x 33mm, 22克重)

我们选择了基于脉冲的UWB超宽带射频技术用于MVN，此新兴技术有独特的能力和优势。相比于其它定位系统，完美地适合于MVN的特性：

1,UWB信号不需要视距，继而天生就比光学更强壮于阻塞；实际上，UWB射频波能通过轻的阻碍容易地繁殖，比如薄的混泥土，木头，玻璃墙。这个可能在基于视觉的系统是被排外了的。

2,?用类似的基础建议和光学系统相比，可以构建大很多的无飘移的全身体运动捕捉区域。实际上，一个标准的UWB系统能轻松地覆盖２０米*２０米，而一个对应的光学系统只能覆盖数米的运动捕捉面积（比如３米*３米）

3，和光学系统相比,一个UWB系统可以很容易地升级成非常巨大的体积，而只需小部分的成本和基础建设安装。

４,由于相对有限的基建要求数量，使得系统非常容易设置和再布局，它是便携式的。

５，UWB不会遭受光线和其它环境条件的限制（比如压力，水份，温度）。这就使得该系统特别灵活，适合于“非实验室”的环境使用。

６，和其它射频系统（比如GPS，WiFi）相比，UWB有提供厘米级精度的独特优势，甚至在室内的多通路场景，感谢其使用的巨大的信号带宽，通常都是超过Ghz的。此独特的性能是其它任何无线技术不可比拟的。使得UWB对来自比如金属基建出现在环境中的反射有免疫力。

另外，一个使用UWB用于定位辅助的重大优势是基本上不依赖于指南针（磁力计）了；这样，系统对于磁场干扰就非常强壮。此X sens产品，基于紧密耦合了惯性运动捕捉和UWB射频，是可以做为MVN系统的附件而做为一个选项的，它名叫Motion Grid.此白皮书描述了基本的原理，架构和此系统的性能，本文是作如下组织的。在第二章，基于位置预测的UWB概念被简要介绍。第三章描述了MVN Motion Grid的硬件，架构和系统设置。在第四章，介绍了MVN Motion Grid的工作原理。第五章讨论了基于广泛的测量数据集整体系统性能，且和传统的光学系统的对比所达到的跟踪精度。最后在第六章，表达了总结。

未完待续...将在本公众号继续发布

二,?UWB定位的通用原理

UWB射频是一个新兴的无线技术，它独特的性能就是用数GHZ的带宽,非常低功耗地且非常短的周期脉冲（纳秒级）传输。这个独特的性能就提供了该技术一个非常高的空间解析度，使得UWB基于TOA到达时间预测，完美应用于厘米级的定位应用，甚至在具备挑战性的多通路环境（比如建筑内部）。鉴于此，下面就引入基于TOA的UWB定位的通用原理。

A,?基于TOA的位置预测

基于TOA的位置，基于预测依赖于射频信号从发射器传送到接收器的飞行时间。在概念地大多数简单的情形，两个节点有一个共同的时钟，接收器节点能确定到来信号的TOA，然后从发射器直接计算距离，通过乘以在空气中的光速的预计的TOA(在减去发送的已知时间之后)。这样，预计的范围允许用参考节点在中心来划一个圆（在二维），半径等于预测的范围。通过收集在未知位置的目标节点和已知位置的参考节点之间的至少三次测量, 然后相交于定义的圆, 是可以确定待定位目标的位置的。须注意此非常简单的使用到的操作, 是通过严格的系统时序要求, 而非常严苛制成的; 实际上，有3纳秒的时序误差就会产生约一米的距离误差.

(图1:基于TDOA的UWB测距来定位的传统方法的几何阐述)

假如在目标和参考节点之间没有同步的话，而只是在参考节点之间,传输的时间也是未知的。一个通用的方法来解决此问题是依赖于TDOA到达时间差技术：两个信号在目标和两个参考节点的旅行TDOA是预测出的；这就确立了一个双曲线，焦点在两个参考节点，如图１所示;双曲线的交叉点提供了目标的位置。此方法通常是被UWB硬件厂商所遵循的；此方法的不利点就是所构建的TDOA测量不再独立地分布了。作为一个替换方法，在参考节点（同步了的）和目标之间的时间修正,是可以看作在定位方程式的非线性系统的一个另外的未知。因为我们会在下一章继续讨论，这就是MVN Motion Grid所使用的方法。

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南频代理的料号用于UwB定位标签&基站的清单和优势:

一, 本案讨论的UWB收发器,dw1000法国造UwB模块ISP151001外形图16*9*1.86mm;定位精度+/-10cm;距离远;高级电源管理可以纽扣电池工作数年;实时定位;带NFC;中心频率6.4896Ghz;BLE距离100米;LGA QFN 97脚;Cortex M4处理器;

内置Nordic的蓝牙SoC nRF52832以及天线,decawave的UwB收发器dw1000和天线,即插即用,免RF设计,过FCC,CE,IC ,SIG认证

二, Sol-Chip光电池芯片, QFN 13*13*3mm,室内光也可以生电

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2, SCP-2800: 两颗光电池Saturn 800; 2.5倍于SCP-R2450的电量输出; 3.2*2.5*1.9厘米;代替锂电池,纽扣电池