一种基于主动光频闪的动作捕捉系统和方法与流程

本发明提出了一种基于主动光频闪的动作捕捉系统和方法，属于动作捕捉。

背景技术：

1、传统光学动作捕捉系统由高速红外动作捕捉相机和被动反光标记点组成，在执行动作捕捉任务时，将被动反光标记点粘贴到待捕捉的人或物体上，由高速红外动作捕捉相机发出红外光，反光标记点反射红外光进而在高速红外动作捕捉相机上成像，通过软件分析成像结果完成动作捕捉。

2、上述工作流程存在以下缺陷：

3、1、每个反光标记点均不包含特征，在高速红外动作捕捉相机上的成像均为标准圆形标记，软件需要根据预设的多个标记点间的形状和位置推算反光标记点id，标记点数量变多时非常容易混淆；

4、2、当部分标记点发生遮挡后，需要借助其它未遮挡的标记点推算id，id恢复时间长且当大范围遮挡发生时无法正确恢复，造成动作捕捉数据不连贯甚至中断；

5、3、在使用反光标记点标记标记多个物体时，需要在每个物体上通过3个以上标记点形成几何形状唯一且不变的特征（几何刚体），以区分不同物体。当物体很多且物体较小时，很难形成唯一且稳定的几何形状；

6、4、由于每个物体都需要唯一的几何标记特征，待捕捉物体，特别是无人机、机器人、无人车类量产物体很难做到批量生产且几何标记特征不重复；

7、5、高速红外动作捕捉相机使用反射红外光机制捕捉反光标记点，由于光线反射会造成光线强度几何级数下降，导致捕捉距离严重缩短（通常有效距离为10米）；

8、6、高速红外动作捕捉相机发出的红外光会在非反光标记点表面（如金属、玻璃表面）形成反射，干扰捕捉结果。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于主动光频闪的动作捕捉系统和方法，用以解决上述现有技术中存在的问题，利用高精度无线时钟同步技术、标记点同步频闪发光技术、标记点自编码技术，实现基于主动光频闪的动作捕捉，大幅提高光学动作捕捉系统的准确性、鲁棒性，降低待捕捉物体的工程复杂性，所采取的技术方案如下：

2、一种基于主动光频闪的动作捕捉系统，所述动作捕捉系统包括一个或多个高速红外动作捕捉相机、基站和多个捕捉标签系统；所述高速红外动作捕捉相机与所述基站通过以太网进行连接；所述基站与所述多个捕捉标签系统通过无线射频方式进行单向通讯；所述捕捉标签系统设置于待捕捉物体上。

3、进一步地，所述捕捉标签系统包括捕捉标签和红外led组；所述捕捉标签和红外led组一一对应连接。

4、进一步地，每个所述捕捉标签内设置一个射频芯片，并且，所述射频芯片采用ism2.4ghz射频芯片。

5、进一步地，所述基站与所述多个捕捉标签通过ism 2.4ghz的无线射频信号进行单向通讯。

6、进一步地，每个所述红外led组包括3-8个850nm的红外led。

7、一种基于主动光频闪的动作捕捉方法，所述动作捕捉方法包括：

8、所述基站对高速红外动作捕捉相机和捕捉标签进行初始化，并按照预设的配置信息对所述高速红外动作捕捉相机和捕捉标签系统进行配置；

9、在捕捉周期中，高速红外动作捕捉相机捕捉目标区域中每个捕捉标签对应红外led利用所述红外led的编码对应的id信息，完成动作捕捉。

10、进一步地，所述基站对高速红外动作捕捉相机和捕捉标签进行初始化，并按照预设的配置信息对所述高速红外动作捕捉相机和捕捉标签系统进行配置，包括：

11、将所述捕捉标签系统集成在待捕捉物体上，其中，每个所述捕捉标签系统包括一个捕捉标签和多个红外led，所述捕捉标签与所述多个红外led相连；

12、所述基站提取所述预设的配置信息；

13、所述基站按照预设的配置信息设置一个或多个高速红外动作捕捉相机的工作频率和曝光周期，并同步所有高速红外动作捕捉相机的工作频率和曝光周期；

14、所述基站按照预设的配置信息设置每个捕捉标签和其对应的红外led的工作频率和编码；其中，所述红外led与所述捕捉标签具备相同工作频率，每个红外led具备一个的编码，且，所述编码各不相同。

15、进一步地，所述编码使用32位长度，每个编码代表一个标记点id，可设置16,777,216个不同id；并且，每个编码使用自校验格式编码，编码间的汉明距离大于3。

16、进一步地，在捕捉周期中，在捕捉周期中，高速红外动作捕捉相机捕捉目标区域中每个捕捉标签对应红外led利用所述红外led的编码对应的id信息，完成动作捕捉，包括：

17、在捕捉周期中，控制所述每个捕捉标签对应红外led按照已设置的工作频率进行主动频闪；

18、所述高速红外动作捕捉相机捕捉目标区域中每个捕捉标签对应红外led，获取每个主动频闪的红外led对应的编码；

19、根据编码表读取所述红外led的编码对应的id信息；

20、整合所述id信息形成待捕捉物体的成像信息，完成动作捕捉。

21、进一步地，所述动作捕捉方法还包括：

22、当所有红外led以相同的主动频闪的时间间隔运行时，当用于对待捕捉物体进行捕捉的任一所述高速红外动作捕捉相机捕捉红外led的捕捉率低于预设的捕捉率阈值时，则根据捕捉标签系统的红外led组所包含的红外led的具体个数，调整置红外led的主动频闪的时间间隔，包括：

23、当所述红外led的个数n为n=3时，设置每个所述红外led的主动频闪之间按照时间间隔为 bp0进行依次闪烁；

24、当所述红外led的个数n为3≤n≤5时，设置所述红外led组中的任意3个红外led作为主红外led进行一致同步频闪，剩余的红外led作为次红外led，在所述主红外led之后，按照其中一个次红外led与所述主红外led之间，以及，每个次红外led彼此之间按照第一频闪时间间隔进行主动频闪，其中，所述第一频闪时间间隔通过如下公式获取：

25、

26、其中， p01表示第一频闪时间间隔； p0表示预设的时间补偿量， p0的取值范围为0.35 p e-0.48 p e； p e表示用于捕捉待捕捉物体的所述高速红外动作捕捉相机的平均曝光周期时长； b表示用于捕捉待捕捉物体的所述高速红外动作捕捉相机的平均捕捉频率； p i表示第 i个用于捕捉待捕捉物体的所述高速红外动作捕捉相机的曝光周期时长； k表示用于捕捉待捕捉物体的所述高速红外动作捕捉相机的数量；

27、当所述红外led的个数n为5<n≤8时，设置所述红外led组中的任意3个红外led作为主红外led进行一致同步频闪，区别于所述主红外led的2个红外led作为第一次红外led，区别与所述主红外led和第一次红外led的红外led作为第二次红外led；并且，在所述主红外led之后，按照其中一个第一次红外led与所述主红外led之间，以及，每个第一次红外led彼此之间按照第二频闪时间间隔进行主动频闪；按照其中一个第二次红外led与最后一个主动频闪的第一次红外led之间，以及，每个第二次红外led彼此之间按照第三频闪时间间隔进行主动频闪；其中，所述第二频闪时间间隔和第三频闪时间间隔通过如下公式获取：

28、

29、其中， p02表示第二频闪时间间隔； b min和 b max分别表示所述高速红外动作捕捉相机的最低捕捉频率和最高捕捉频率； b0表示预设的捕捉率阈值。

30、以上三种情况中，每个红外led等的主动频闪的周期和频率不变且相同，只是需要按照频闪间隔时间依次启动红外led进行频闪，使其存在交错频闪状态。

31、本发明有益效果：

32、本发明提出的一种基于主动光频闪的动作捕捉系统和方法通过编码并主动发光的led替代光学动捕系统中的被动反光标记点，提升动作捕捉系统的准确性、鲁棒性，降低待捕捉物体的工程复杂性。利用高精度无线时钟同步网络，在无线方式下完成数百个相机和捕捉标签的高精度时钟同步。同时，通过自校验编码方式，提升标记点id识别时的稳定性。