人體運動(dòng)分析是指通過(guò)一定的方法對人的運動(dòng)進(jìn)行捕捉和記錄，用于定量描述、分析和評價(jià)人的運動(dòng)的一門(mén)學(xué)科。人體運動(dòng)分析主要是使用運動(dòng)捕捉系統實(shí)現運動(dòng)跟蹤和行為識別兩大主要任務(wù)，其中慣性式運動(dòng)捕捉系統主要采用MEMS傳感器。
MEMS傳感器作為一種采用微電子和微機械加工技術(shù)制造出來(lái)的新型傳感器，具有微型化、集成化、智能化、成本低、效能高、可大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，在慣性式運動(dòng)捕捉技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。
慣性式運動(dòng)捕捉系統中測量人體運動(dòng)的慣性傳感器，也稱(chēng)之為運動(dòng)傳感器，捕捉和識別 身體不同部位的運動(dòng)狀態(tài)，可以布置在頭部、上肢、下肢、手部等多個(gè)部位。慣性傳感器主要包括加速度計、陀螺儀、磁力計，在實(shí)際應用中，采集的傳感數據需經(jīng)過(guò)校準、誤差檢測和補償、數據融合后，用于分析和跟蹤人體運動(dòng)。
運動(dòng)傳感器原理
1.MEMS加速度計原理
MEMS加速度計分為三種：壓電式、容感式、熱感式。壓電式MEMS加速度計運用的是壓電效應，在其內部有一個(gè)剛體支撐的質(zhì)量塊，有運動(dòng)的情況下質(zhì)量塊會(huì )產(chǎn)生壓力，剛體產(chǎn)生應變，把加速度轉變成電信號輸出。容感式MEMS加速度計內部也存在一個(gè)質(zhì)量塊，從單個(gè)單元來(lái)看，它是標準的平板電容器。加速度的變化帶動(dòng)活動(dòng)質(zhì)量塊的移動(dòng)從而改變平板電容兩極的間距和正對面積，通過(guò)測量電容變化量來(lái)計算加速度。熱感式MEMS加速度計內部沒(méi)有任何質(zhì)量塊，它的中央有一個(gè)加熱體，周邊是溫度傳感器，里面是密閉的氣腔，工作時(shí)在加熱體的作用下，氣體在內部形成一個(gè)熱氣團，熱氣團的比重和周?chē)睦錃馐怯胁町惖?，通過(guò)慣性熱氣團的移動(dòng)形成的熱場(chǎng)變化讓感應器感應到加速度值。
由于壓電式MEMS加速度計內部有剛體支撐的存在，通常情況下，壓電式MEMS加速度計只能感應到動(dòng)態(tài)加速度，而不能感應到靜態(tài)加速度，也就是我們所說(shuō)的重力加速度。而容感式和熱感式既能感應動(dòng)態(tài)加速度，又能感應靜態(tài)加速度。
2.MEMS陀螺儀原理
MEMS陀螺儀利用科里奧利力——旋轉物體在有徑向運動(dòng)時(shí)所受到的切向力。實(shí)際的
MEMS陀螺儀的設計如下圖。如果物體在圓盤(pán)上沒(méi)有徑向運動(dòng)，科里奧利力就不會(huì )產(chǎn)生。因此，在MEMS陀螺儀的設計上，這個(gè)物體被驅動(dòng)，不停地來(lái)回做徑向運動(dòng)或者震蕩，與此對應的科里奧利力就是不停地在橫向來(lái)回變化，并有可能使物體在橫向作微小震蕩，相位正好與驅動(dòng)力差90度。
MEMS陀螺儀通常有兩個(gè)方向的可移動(dòng)電容板。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作
徑向運動(dòng)，橫向的電容板測量由于橫向科里奧利運動(dòng)帶來(lái)的電容變化。因為科里奧利力正比于角速度，所以由電容的變化可以計算出角速度。
3.MEMS磁力計工作原理
MEMS磁力計就是通過(guò)測量磁場(chǎng)強度和方向來(lái)定位設備的方位的傳感器。磁傳感器就
是感應環(huán)境磁場(chǎng)的變化，并把它轉換為電信號，從而測量出對應物理量的器件，主要應用在電子羅盤(pán)、磁場(chǎng)感應器、位置感應器等方案中。磁場(chǎng)的測量可以利用霍爾效應、磁阻效應、電磁感應效應等原理。根據不同的原理可以制成多種MEMS磁力計。磁傳感器廣泛采用AMR材料（AnisotropicMagneto-Resistance），如鐵、鈷、鎳及其合金等，指當外部磁場(chǎng)與磁體內建磁場(chǎng)方向成零度角時(shí)，電阻是不會(huì )隨著(zhù)外加磁場(chǎng)強度變化而發(fā)生改變的，但當外部磁場(chǎng)與磁體的內建磁場(chǎng)有一定角度的時(shí)候，磁體內部磁化矢量會(huì )偏移，從而磁場(chǎng)方向和電流方向也會(huì )隨之變化，導致電阻阻值也將發(fā)生變化。
從下圖中可知，當電流方向和磁體內磁化方向成45度角度時(shí)，外部磁場(chǎng)給磁阻所引起
的電阻變化呈現出的是線(xiàn)性關(guān)系，所以磁傳感器在沒(méi)有外部磁力影響時(shí)候的初始角度設定為45度，利用這個(gè)線(xiàn)性關(guān)系再通過(guò)惠斯通電橋即可得到外界磁場(chǎng)值。
人體運動(dòng)系統分類(lèi)應用
人體運動(dòng)系統的應用范圍較廣，根據其研究分析的主體，主要劃分為全身運動(dòng)分析系統
和專(zhuān)用運動(dòng)分析系統。
全身運動(dòng)分析系統是指在人體全身各主要部位的關(guān)鍵點(diǎn)布置運動(dòng)傳感器，捕捉分析人體
各部位姿態(tài)和位置信息。常見(jiàn)的全身運動(dòng)分析系統有荷蘭XSens科技公司的XSensMVN系統，英國Animazoo捕捉系統、北京孚心科技的FOHEART Leo動(dòng)作捕捉套裝。
1）XSensMVN：
XSensMVN套裝是XSens的一個(gè)重要產(chǎn)品，MVN慣性動(dòng)作捕捉系統，如下圖所示，以獨特的微型慣性運動(dòng)傳輸傳感器（MTx）和無(wú)線(xiàn)Xbus 系統為基礎，結合了符合生物力學(xué)設計的高效傳感器等Xsens最新科技，能夠實(shí)時(shí)捕捉人體6自由度的慣性運動(dòng)，同時(shí)將數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸到計算機或筆記本電腦中，實(shí)時(shí)記錄和查看動(dòng)態(tài)捕捉效果。另外，該系統最獨特之處在于無(wú)需外部照相機和發(fā)射器等裝置，避免了多余的數據傳輸線(xiàn)或電源線(xiàn)對使用者的行動(dòng)限制。MVN套裝，己經(jīng)進(jìn)入了電影制作和電子游戲產(chǎn)業(yè)，可以不受環(huán)境光線(xiàn)與空間距離的限制，純凈的動(dòng)作捕捉數據不需要進(jìn)行后處理即可錄制完成，非常適用于各種實(shí)時(shí)的表演應用。XSens 的產(chǎn)品主要針對多個(gè)應用領(lǐng)域，如，動(dòng)畫(huà)、醫學(xué)、體育科學(xué)等。
2）Animazoo：
Animazoo是一個(gè)面向開(kāi)發(fā)人員的、動(dòng)畫(huà)驅動(dòng)的動(dòng)作捕捉的軟硬件系統。它針對不同的應用領(lǐng)域提供定制的運動(dòng)捕捉解決方案，價(jià)格和性能也因應用領(lǐng)域和方式而各不相同。AnimazooIGS-190-M物理慣性動(dòng)作捕捉系統安裝簡(jiǎn)單，小巧易存，且適合于戶(hù)外應用環(huán)境。除了這些與其它慣性系統類(lèi)似的特點(diǎn)外，AnimazooIGS-190-M與
其它物理慣性動(dòng)作捕捉系統的最大區別在于其能夠與硬件同步，可以對模特髖部進(jìn)行跟蹤并提供整體定位數據（6自由度），這些功能都是普通慣性系統所缺少的。Animazoo公司開(kāi)發(fā)的超聲波跟蹤系統為聲納三角測量裝置，與AnimazooIGS-190-M物理慣性動(dòng)作捕捉連接后，可將AnimazooIGS-190-M升級為IGS-190-H物理慣性動(dòng)作捕捉。聲納裝置發(fā)射的定位數據在電視直播、多演員表演中，尤其是可作為指南，對后期制作的光學(xué)性能數據進(jìn)行清潔，消除模糊不清有著(zhù)重要作用。
3）FOHEARTLeo動(dòng)作捕捉套裝：
FOHEARTLeo是北京孚心科技的一款產(chǎn)品，包含33個(gè)節點(diǎn)覆蓋全身，其中手部和手臂可以連接hub單獨進(jìn)行使用，用于捕捉手臂及手指的動(dòng)作數據，如下圖所示。其中，手部節點(diǎn)尺寸約12mm，10個(gè)節點(diǎn)可全方位覆蓋手部的活動(dòng)節點(diǎn)，捕捉較為精準。
專(zhuān)用運動(dòng)分析系統通常只包含幾個(gè)運動(dòng)傳感器，安裝在人體特定的某些身體部位，如頭
部、手臂、下肢等，監測相應的運動(dòng)特征和狀態(tài)，可以將其主要劃分為上半身和下半身的運動(dòng)分析。
1）上半身運動(dòng)分析：
上半身運動(dòng)分析主要是針對使用者的頭部，雙臂，手部等部位進(jìn)行運動(dòng)捕捉和監測。通過(guò)運動(dòng)傳感器追蹤頭部運動(dòng)，獲取虛擬現實(shí)（AR/VR）和遠程操作那個(gè)中所需的頭部信息；將多個(gè)慣性傳感器安置在雙臂，捕捉雙臂運動(dòng)姿態(tài)，可用于運動(dòng)訓練中的矯正和監測；數據手套可用于檢測手指彎曲，利用磁定位傳感器來(lái)精確地定位出手在三維空間中的位置，可進(jìn)行虛擬場(chǎng)景中物體的抓取、移動(dòng)、旋轉等動(dòng)作，為虛擬現實(shí)系統提供了一種全新的交互手段；腰部的運動(dòng)傳感器可以實(shí)現對人的重心的監測，可應用于跌倒檢測。
2）下半身運動(dòng)分析：
下半身運動(dòng)分析主要是針對使用者的骨盆、大腿、小腿和腳部等部位進(jìn)行運動(dòng)捕捉和分析。將運動(dòng)傳感器綁在小腿上，利用運動(dòng)算法可以估算行走速度；足部的運動(dòng)傳感器可以實(shí)現對行走過(guò)程中的步態(tài)參數進(jìn)行監測。除了單一種類(lèi)傳感器的運用，慣性傳感器可結合壓力傳感器、超聲波傳感器、反饋裝置等，測量步長(cháng)、抬腳高度、步寬、足部軌跡等，并獲取相應的反饋，用于步態(tài)分析。
運動(dòng)傳感器數據處理和融合
對慣性傳感器的應用包括初始校準、數據處理和融合等。MEMS加速度計可以測量載
體在三軸方向上的加速度，并可計算相應的速度，其在靜態(tài)時(shí)測量精度較高，在動(dòng)態(tài)運動(dòng)中存在線(xiàn)性加速度的干擾。MEMS陀螺儀可測量高速轉動(dòng)下的轉動(dòng)角速度，進(jìn)一步運算可得角度信息，其擁有良好的動(dòng)態(tài)響應性，但是隨著(zhù)時(shí)間的累積，會(huì )產(chǎn)生累積誤差，發(fā)生漂移。三軸磁力計通過(guò)感應當地的磁場(chǎng)通量計算載體方位姿態(tài)，所在地球磁場(chǎng)恒定不變時(shí)，磁力計在靜態(tài)下有良好的測量特性，不易隨時(shí)間發(fā)生漂移，但是室內環(huán)境中磁力計容易受到鐵磁擾動(dòng)。因此，為獲得人體位姿估計的結果，須解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：1）對傳感器的誤差進(jìn)行補償和校正；2）采用合適的算法融合各傳感器數據。
1.傳感器誤差
從加速度計、陀螺儀、磁力計的角度出發(fā)，傳感器誤差的來(lái)源主要是隨機漂移、線(xiàn)性加
速度干擾和磁力計擾動(dòng)。
（1）隨機漂移
隨機漂移主要來(lái)源于加速度計和陀螺儀，可以將隨機漂移進(jìn)行相應的建模，使用卡爾曼
濾波器等進(jìn)行在線(xiàn)估計，從而實(shí)時(shí)補償該隨機漂移。
（2）線(xiàn)性加速度
在跟蹤人體運動(dòng)時(shí)，加速度計通常處于動(dòng)態(tài)環(huán)境中，當人體運動(dòng)的加速度相對于重力加
速度無(wú)法忽略時(shí)，此時(shí)根據加速度計測量值計算出的俯仰角和橫滾角會(huì )與真實(shí)值存在較大的誤差，如果不對線(xiàn)性加速度計加以補償，就會(huì )引起動(dòng)態(tài)精度的下降。為解決該類(lèi)問(wèn)題，可以將線(xiàn)性加速度擴張成系統的狀態(tài)變量，通過(guò)各種濾波方法進(jìn)行估計，一方面可以對線(xiàn)性加速度分量和重力加速度分量進(jìn)行處理，另一方面根據線(xiàn)性加速度的大小自適應調整加速度計量測噪聲方差的大小。
（3）磁力計擾動(dòng)
當周?chē)嬖诖艌?chǎng)干擾時(shí)，特別是在室內環(huán)境中磁力計的測量精度會(huì )受到很大的影響。磁
場(chǎng)干擾可分為硬鐵干擾和軟鐵干擾。硬鐵干擾產(chǎn)生于永久磁鐵，這些干擾源的大小及與磁力計的相對位置固定，一般假設不變，可做零偏處理。軟鐵干擾來(lái)自于磁力計附近的其余磁性材料的影響，軟鐵干擾一般是時(shí)變的擾動(dòng)。針對時(shí)變擾動(dòng)，可以采用基于閾值的方法或者基于模型的方法。
2.數據融合
人體運動(dòng)跟蹤通過(guò)對信息的采集、坐標系的變換，得到人體位姿估計的結果。然而，單
個(gè)傳感器由于受到噪聲干擾等影響，往往導致姿態(tài)跟蹤精度較低。因此，多傳感器信息融合成為提高姿態(tài)跟蹤精度的良好途徑。人體運動(dòng)跟蹤中最常采用的數據融合方法是互補濾波器和卡爾曼濾波器。隨著(zhù)微型芯片計算能力的提高，粒子濾波等數據融合方法也逐漸被用于在線(xiàn)估計人體的姿態(tài)。
（1）互補濾波
加速度計和磁力計容易受到高頻噪聲的干擾，陀螺儀容易受到隨機漂移等低頻噪聲的干
擾，互補濾波器就是將加速度計和磁力計測量的靜態(tài)姿態(tài)通過(guò)低通濾波器去除高頻分量，將陀螺儀測量的動(dòng)態(tài)姿態(tài)通過(guò)高通濾波器去除低頻分量，從而實(shí)現姿態(tài)信息的融合估計。
（2）卡爾曼濾波
卡爾曼濾波包括線(xiàn)性卡爾曼濾波、擴展卡爾曼濾波、無(wú)跡卡爾曼濾波等。下圖所示為卡
爾曼濾波過(guò)程解析圖?？柭鼮V波的核心過(guò)程可以劃分為兩個(gè)部分：時(shí)間更新，即對下一步的狀態(tài)變量進(jìn)行預測；測量更新，即根據測量值對預測值進(jìn)行一定的修正，得到估算值。通過(guò)設計不同的狀態(tài)變量和觀(guān)測量，可以衍生出各種具有不同特點(diǎn)的姿態(tài)算法。
（3）粒子濾波
粒子濾波算法的核心思想是利用一系列隨機樣本的加權和近似后驗概率密度函數，通過(guò)
求和來(lái)近似積分操作。該算法源于蒙特卡洛思想，即以某事件出現的頻率來(lái)表示該事件的概率。因此在濾波過(guò)程中，需要用到概率的地方，對變量采樣，以大量采樣及其相應的權值來(lái)近似表示概率密度函數。
基于慣性傳感器的人體運動(dòng)分析技術(shù)，借助穿戴在身體各部位的MEMS傳感器，通過(guò)數據處理、融合和姿態(tài)解算方法可實(shí)時(shí)跟蹤分析人體運動(dòng)姿態(tài)，其在康復治療、影視制作、體育訓練等領(lǐng)域得到了廣泛應用，未來(lái)在開(kāi)展基于慣性傳感器的人體運動(dòng)分析時(shí)，傳感器和算法依舊是研究的重點(diǎn)。
