一种人体姿态可视化跟踪系统
阅读说明：本技术 一种人体姿态可视化跟踪系统 (Human body posture visual tracking system ) 是由 白茹 王杰 钱正洪 钱俊士 李俊 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种人体姿态可视化跟踪系统,该系统包括人体姿态检测模块、无线传输模块和OpenSim可视化处理模块,它是将多路人体姿态检测模块解算出的姿态角数据无线传输至PC端,再经过Matlab和OpenSim脚本处理后实现人体运动姿态可视化的跟踪过程；本发明利用九轴惯性传感器检测姿态角,大幅提高了检测精度,适用范围广,克服了市面上多数采用视频处理方式计算人体姿态而无法适应复杂场景的问题,同时使用Matlab和OpenSim进行可视化跟踪,便于测试开发,能广泛应用于医疗、娱乐等领域。(The invention relates to a human body posture visual tracking system, which comprises a human body posture detection module, a wireless transmission module and an OpenSim visual processing module, wherein the human body posture detection module wirelessly transmits posture angle data calculated by a plurality of paths of human body posture detection modules to a PC (personal computer) end, and the tracking process of human body movement posture visual tracking is realized after Matlab and OpenSim script processing; the invention utilizes the nine-axis inertial sensor to detect the attitude angle, greatly improves the detection precision, has wide application range, overcomes the problem that most of the human body attitudes are calculated by adopting a video processing mode in the market and cannot adapt to complex scenes, and simultaneously uses Matlab and OpenSim to carry out visual tracking, thereby being convenient for test development and being widely applied to the fields of medical treatment, entertainment and the like.)
技术领域
本发明属于人体姿态检测技术领域，具体涉及一种人体姿态可视化跟踪系统。
背景技术
随着姿态检测技术的不断发展以及在各个领域的不断拓宽，人体姿态检测技术在医疗、娱乐等领域得到了越来越广泛的应用，相应地对姿态检测的测量精度、稳定性及可视化的功能要求也越来越高。
目前常用的人体姿态检测方法主要采用基于视频处理的方法，授权公开号CN103839280A，名称为一种基于视觉信息的人体姿态跟踪方法的发明专利，该发明通过视频拍摄的方式建立人体跟踪模型，然后对其训练建立线性运动模型来进行人体姿态跟踪，其效率和准确度较高，但适用环境窄，只能应用于固定场景，且建模流程复杂，应用局限性较大。授权公开号CN112784786A，名称为人体姿态识别方法及装置的发明专利，该发明也是采用拍摄的方式获取包含目标对象的多帧二维图像，基于多帧二维图像中的至少两帧二维图像的图像特征信息，确定目标对象的人体运动轨迹，同时基于人体运动轨迹、第一图像结构信息和第二图像结构信息，识别得到目标对象的当前人体姿态，该方法测量精度较低，同样受限于被测试者的受试环境，并且对拍摄到的图像进行复杂的数据处理，在实际应用中实现困难。基于惯性传感器的人体运动姿态检测方法，授权公开号CN112890807A，名称为一种基于ARM与九轴传感器的人运动姿态检测器，该发明结合了九轴惯性传感器计算人体步数、脊椎弯曲程度等数据，使用蓝牙方式传输数据至手机端，该检测器功耗较低，同时在手机端方便查看人体相关信息，但蓝牙传输方式不适用于人体多节点传输，传输能力较弱，同时手机端显示方式不适合研究人员开发学习，且手机APP开发成本较高。
因此需要一种适用范围广、测量精度高和可视化操作方便的人体姿态可视化跟踪系统。
发明内容
本发明的目的就是提供一种人体姿态可视化跟踪系统，旨在解决应用场景范围小、建模复杂问题，提高人体姿态可视化跟踪技术的测量精度和适用环境范围，减小可视化开发难度。
基于惯性传感器和OpenSim的人体姿态可视化跟踪系统，包括人体姿态检测模块、无线传输模块和OpenSim可视化处理模块。
所述的人体姿态检测模块包括惯性传感器和MCU信号处理电路；所述的无线传输模块可拆卸安装在每一个人体姿态检测模块上；所述的OpenSim可视化处理模块对人体至少10个节点处的姿态数据进行数据融合，解算并显示出人体姿态运动过程。惯性传感器将数据传输至MCU信号处理电路，MCU信号处理电路对惯性传感器的数据进行姿态解算得到高精度的四元数并传输至无线传输模块；无线传输模块将经高精度的四元数传输至PC，PC将数据处理为OpenSim可读取的数据；将OpenSim可读取的数据导入OpenSim可视化处理模块中OpenSim可视化处理，通过Matlab脚本处理，最终实现人体姿态的可视化跟踪。
所述的惯性传感器为九轴惯性传感器，包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计，用于获取人体运动时的角速度、加速度和磁场强度数据，并将该数据传输至MCU信号处理电路，MCU信号处理电路板四周开出矩形槽，用于穿过松紧带以固定该模块于人体测量节点处。
所述的MCU信号处理电路包括主控芯片和其基本外围电路。
所述的无线传输模块采用ZigBee协议，在对多节点的数据进行发送时，能相互组网，大幅度减少接收端协调器的数量。
所述的OpenSim可视化处理包括以下步骤：
1)在Matlab中安装OpenSim的脚本接口；
2)根据受试者确定使用的人体模型型号；
3)确定人体模型的初始姿态和测量节点数；
4)被测人员初始姿态与模型保持相同，然后做出姿态变化，数据无线传输至PC端；
5)将采集到的多节点数据进行格式处理以匹配OpenSim数据格式，在Matlab中将数据导入并应用到OpenSim脚本中；
6)设置一个中心节点作为基本校准节点，用于对其它节点处的数据方向做校准；
7)校准完成后执行可视化脚本操作，生成带有运动姿态信息的文件，使用OpenSim读取该文件显示出人体运动过程，同时显示各测量节点之间的角度变化值。
本发明通过使用九轴惯性传感器测量人体姿态数据并借助OpenSim的应用程序编程接口与Matlab相结合以达到跟踪人体姿态目的，使得解析出人体姿态角数据精度大幅度提高，并且姿态跟踪不再局限于固定场景，能适应更加复杂的环境，同时借助OpenSim和Matlab的可视化跟踪方法应用简单，成本低，能广泛应用于医疗、娱乐等领域。
附图说明
图1为人体检测节点示意图；
图2为系统整体流程框图；
图3为下位机组成框图；
图4为下位机工作流程框图；
图5为OpenSim中使用的人体模型及其世界坐标系方向。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中所需要使用的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显而易见地，所描述的实施例仅是本发明的一些实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
实施例
如图1所示为本发明所检测的人体节点相对位置，选用10个节点进行测试，根据图示位置需要将人体姿态检测模块绑定在人体的上下肢、背部以及骨盆处的位置；
如图2所示，每个节点由MCU读取惯性传感器三轴加速度、三轴角速度和三轴磁力计的值，读取完成后经姿态解算得到各个节点处的姿态角，然后以无线传输的方式发送数据至PC的接收模块，在对数据进行格式处理后使之能被OpenSim的Matlab脚本处理，最终实现人体姿态的可视化跟踪。
如图3所示为人体姿态检测模块PCB示意图，每个节点处的PCB设计是相同的，3-1为惯性传感器，其安装方向为3-2，PCB开出的矩形槽3-3用于穿过松紧带将PCB绑定至测试节点处，人体姿态检测模块包括无线传输模块接口3-4和MCU 3-5，整个模块用锂电池供电。
如图4所示为各个节点处的流程图，在系统初始化完毕后，不断读取传感器的九轴数据并做姿态解算得到精准的姿态角，然后经串口发送至ZigBee无线传输模块，但对于不同节点，需将数据进行编号使得上位机能够区分出不同节点的数据，从而对应到人体的相对位置。
在将10个节点处的姿态角信息发送至PC后，将数据处理为OpenSim可读取的数据。接下来在Matlab中安装OpenSim的脚本接口，安装完成后首先需要设置人体模型，如图5所示，使用的人体模型5-1，OpenSim世界坐标系为5-2；然后初始化模型各节点属性，即设置各节点对应的人体位置，在OpenSim中多以骨骼名称命名各节点，将节点所处位置的骨骼名字写入脚本；然后设置跟踪时间，确定执行校准；接下来读取接受到的各节点数据并以中心节点处的惯性传感器第一行数据作为初始值进行校准，同时将该惯性传感器坐标轴方向旋转至与OpenSim世界坐标系相同。
执行完成以上步骤后运行人体姿态跟踪脚本文件，在Matlab中观察该跟踪结果，同时会生成一个OpenSim可执行文件，在OpenSim中打开能观测人体运功姿态并且能输出节点之间的相对运动角度，有助于后续数据分析。
本发明利用惯性传感器测量姿态信息并借助OpenSim和Matlab实现人体姿态的可视化跟踪，使得人体姿态跟踪不再局限于固定的场所，受试者可在几十米范围内任意活动，同时借助于Matlab和OpenSim，能满足多数开发人员试验要求，该系统精度高，成本低，适用范围广，能广泛应用于医疗、娱乐等领域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。而且在未背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。