基于MEMS惯性传感器的人体运动感知技术研究(2)
传感器的种类决定了人体运动的感知方式。人体运动感知技术根据输入信息源是位于人
体的表面还是外部，可以分为基于人体外部传感器数据的姿态感知和基于人体体表的传感器
数据的感知技术，基于人体外部传感器数据的姿态感知技术的传感器主要为测距装置、摄像
机等， 基于人体表面的传感器数据的感知技术所用传感器主要为以微机械陀螺、加速度计等。
基于 MEMS 惯性传感器的人体运动感知技术的主要传感器为加速度计和陀螺仪， 该类传感器
在使用时不需要对人体进行精确建模，使用方便且适用面广泛，在人体的位姿估计中得到较
广泛的研究和应用[1]
。基于 MEMS 惯性传感器的人体运动感知技术在下列方面有着重要的意义：
(1) 游戏操控
通过获取被测物体的相关姿态数据，再通过相应的软件将这些数据解算到游戏中，使得
人们可以操控游戏里面角色达到相应的目的，这样不仅增强了游戏的可操作性，还增强了人
与游戏之间的互动，使得人们可以获得更高的享受。任天堂的 Wii 系列游戏主机的操控手柄
就采用了加速度计与陀螺仪来感知手柄的运动轨迹从而来操控游戏角色(图1.1)，该主机从发
布以来就一直风靡全球，足以证明惯性传感器在游戏操控领域的重要性与良好的发展前景。 (2) 动画制作与电影制作
现代动画制作行业通常为了增强动画中角色的真实性，都是采集人体的各种动作的相关
数据，然后将其运用到动画的角色上，使得动画角色可以更加的拟人化。在电影行业中，我
们经常可以看见大片中的一些具有人类智慧的非人类生物，剧组是怎样将其活灵活现的制作
出来的呢？这也是归功于人体运动数据的采集，剧组通过这些数据再加上相应的电脑软件对
其整改最后制作出来了这些让人叹为观止的角色（图 1.2）。 （3）特种作业
这个世界上有许多地方都是人类不方便甚至是无法探索的地方，这些地方人们都是依靠
机器人去进行探索，例如深海作业、地震抢险工作、外星探索工作，但用寻常的控制器操作
起来都很复杂，而且十分不灵活；操作员在操作时用惯性传感器将自己的动作实时传输至机
器人处，这样机器人就可以拥有人类的灵活性，可以大大的方便各种探索工作。
本项目利用单片机加上 MEMS 惯性传感器探测人头部摆动，并设计数据采集程序，对人
体头部的摆动姿态进行显示。
现在世界上技术成熟的人体姿态捕捉系统有光学式的、电磁式的、超声波式的，但都有
各种各样的弊端，人们最熟悉的应该就是光学式的人体姿态捕捉系统，因为这个系统常用于
影视业中，也是技术最成熟的系统，在使用时必须得在特定的房间中，周围搭建有特别的设
备，而被感知的人身上也得贴上反光片，这样不仅成本高昂、而且不灵活。电磁式的又很容
易会受到磁场的影响，超声波式的和光学式的缺点也差不多。而基于人体的运动感知技术没
有任何的场地限制，价格适中，精度高，是完美的传统技术的替代品。 1.2 国内外研究现状
在 20 世纪 70 年代，有一位心理学家 Johansson 就设计出来了一个可以检测人体运动的
方案。该方案首先会将特殊的反光标记贴在人体相应的关节位置上，运动模式即可根据反光
标记的运动轨迹来进行识别。此方案与现今电影拍摄时所用的光学式人体感知技术有着共通
之处。美国的Rebecca Allen 于20世纪 80年代设计了一种动作检测装置，该装置用于制作动
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