基于加速度傳感器的上肢三維重建模型

李堯，袁青波，郭振波

摘 要：本文設計的上肢三維重建模型使用三軸加速度傳感器作為數據的采集模塊，并通過ZIGBEE發送模塊將采集得到的加速度數據發送到計算機端。對采集得到的加速度數據進行分析，得到人體前后臂與垂直方向的夾角。本文使用最近流行的Java3d技術，進行人體上肢模型的驅動。并根據計算得到的夾角，進行人體上肢模型的驅動。其中人體模型的建立是使用3ds Max三維建模軟件設計的。通過比較人體上肢動作和佩戴加速度采集設備后的三維重現畫面，我們可以發現此三維重建模型具有很高的三維重建準確度。

關鍵字：上肢模型；加速度傳感器；三維重建；模型驅動

1 加速度數據采集設備設計

在使用Java3d技術進行三維動作重建前，我們首先需要獲取加速度數據。這里我們設計了可穿戴的加速度數據采集設備。此設備使用兩個三軸加速度傳感器來進行加速度數據的采集。此設備包含一個ZIGBEE無線發送模塊，此ZIGBEE發送模塊將采集得到的三軸加速度數據發送到PC端的ZIGBEE接收器上。上肢動作三維重建模型通過串口操作讀取PC端的ZIGBEE接收器上的加速度數據，進而完成上肢動作的三維重建。

1.1 硬件部分設計

圖 1?1可穿戴加速度采集模塊結構圖

可穿戴上肢加速度采集設備的硬件設計圖如1-1所示。此模塊使用一個型號為Atmega48的處理器作為主控器件。此模塊使用一個ZIGBEE發送模塊作為加速度信號輸出的途徑。此模塊利用型號為KXTJ9的三軸加速度傳感器作為傳感器芯片，并使用此傳感器芯片來完成加速度信息的采集。由加速度傳感器采集得到的加速度信息將通過I2C被發送到Atmega48控制器中，Atmega48主控器將其打包并傳輸到ZIGBEE發送模塊中。最終，被打包的加速度數據將被發送到個人電腦的串口接收器上。PC端ZIGBEE接收器主要負責接收可穿戴上肢加速度采集模塊發送的加速度數據。此ZIGBEE接收器與PC的通訊方式是串口通訊，這里我們使用串口通訊編程便可以方便地從ZIGBEE接收器上讀取到我們需要的三軸加速度數據。ZIGBEE接收器的硬件原型如圖1-2所示。

圖 1?2電腦端ZIGBEE接收器

上肢加速度數據采集模塊備原型如圖1-3所示。此硬件接收的兩端各安裝了一個三軸加速度傳感器。在進行上肢動作時，需要將此硬件設備的兩端分別放置在上肢的前后臂上。此硬件設備采用USB接口對其自身攜帶的鋰電池進行充電，省去了頻繁更換電池的操作和成本。

圖 1?3上肢加速度采集設備

1.2 軟件部分設計

本采集模塊的軟件設計部分中，Atmega48主控器采用中斷源技術來實現數據獲取，I2C總線傳輸和串行傳輸。可穿戴上肢加速度數據采集模塊每200毫秒發送一個打包好的加速度數據，這個發送過程是用定時器來進行觸發的。此定時器觸發算法如圖1-4所示。

圖 1?4定時發送流程圖

2 基于Java3d的三維重建模型

本模塊使用Sun公司的Java語言的Swing組件進行界面的編寫。其中串口通訊部分使用Java語言提供的COMM串口通訊組件進行實現。而三維動畫的驅動使用的是Java語言提供的Java3d組件來完成的。而人體上肢的3D模型的建立則用到了3ds Max三維建模軟件。此模塊通過SUN公司提供的串口通信組件，進行本模塊和PC端ZIGBEE接收器之間的串口通訊。進而將電腦端的上的加速度數據讀取到模塊分析程序中。

本模塊所使用的3D模型是通過3ds Max三維建模軟件進行建立的。在3ds Max三維建模軟件中建立好之后，再將建立好的人體上肢模型（包括軀干，前臂和后臂）保存為obj格式的文件[1]。然后利用Sun公司提供的Java3d技術，將obj格式的模型進行顯示和根據加速度傳感器的數據進行驅動[2]。三維重建模型使用Java3d技術進行上肢動作的三維重建。在進行三維重建之前，我們首選需要分析利用串口技術獲得的加速度采集數據。通過對加速度采集數據進行分析，我們可以得到人體上肢前臂和后臂與垂直方向的夾角進而可以確定人體的空間姿勢。

2.1 基于加速度數據分析的角度測量原理

2.1.1前后臂與垂直方向的夾角計算原理

圖 2?1角度測量原型圖

在進行上肢動作三維重建之前，首先需要測量人體上肢前后臂和至此方向的夾角。其外部采集設備的佩戴方式如圖2-1所示。隨著前臂和后臂的空間位置的變化，后臂與軀干的夾角以及前后臂的夾角將能由獲取到的三軸加速度數據計算得到。

圖 2?2加速度原始數據

如圖2-2所示，上面這串數據就是上肢動作三維重建模塊利用串口通訊技術接收得到的加速度原始數據。41—52是加速度傳感器的編號，10f是開始字符，從10f開始往后的6組用空格分開的數字便是前后臂兩個加速度傳感器的xyz軸的數據，20是結束字符表示這串加速度信號數據結束。利用串口通訊技術接收得到的是加速度數據的16進制補碼，這里需要將補碼轉化成真值。補碼到真值的轉換規則如下：如果0開頭，將0換成+號，其余位不變；如果1開頭，1換成-號，求反加一。利用這個規則，本文利用代碼將加速度分量由補碼形式轉化成真值形式。

前臂和后臂在運動過程中始終與垂直方向存在一個夾角。通過分析加速度數據每個軸在重力影響下所產生的分量；我們可以確定前臂和后臂的空間位置

圖 2?3加速度傳感器三軸受力分析圖

如圖2-3所示，當傳感器處于靜止狀態時，y軸和z軸數據是由重力作用生成的。夾角α可以由y軸和z軸的數據來最終確定。計算公式如下所示：

公式 2-（1）

公式 2-（l）當通過計算得到角度信息之后，還需要把角度值轉化成弧度值，因為Java3D函數是需要輸入弧度值的。其中弧度的計算公式如下公式2-（2）所示。

公式 2-（2）

2.2.2前后臂夾角測量

圖 2?4前后臂夾角示意圖

如圖2-4所示，前后臂夾角=前臂與垂直方向的夾角+后臂與垂直方向的夾角。由于硬件條件的限制，采集得到的加速度傳感器數據即使在上肢處于絕對靜止狀態下也存在數據不一致的情況。由于加速度數據的不一樣，所計算出來的角度數據也會存在變化，所以會造成前后臂抖動的現象，針對這個問題本文采用設置變化閾值的辦法，當由當前的加速度數據計算得到的角度與前一個角度的變化范圍在閾值內，則不發生位置變動。

2.3 模塊功能設計

2.3.1串口通訊功能

此功能的主要類需要繼承SUN公司提供的串口事件監聽類接口[3]。此接口存在一個方法必須要實現的串口事件方法，此方法便是串口通信的核心方法。其中需要設置串口接收到波特率，數據為，停止位和奇偶校驗位。這里波特率為9600，數據位為8，停止位為1，奇偶校驗位為0。使用輸入流并用串口將其進行實例化。如果在程序中發現串口輸入流有數據，則說明接收到串口傳遞過來的加速度數據。

2.3.2三維重建功能

此功能的關鍵代碼部分，主要是使用Java3d技術進行三維模型的坐標系建立，和通過傳感器的加速度數據來實時設置旋轉內插器。通過插值器來驅動前臂和后臂的旋轉。此模塊的上肢模型驅動主要是用Java3d技術進行實現的。此模塊中使用的上肢模型是在3ds max建模軟件中創建的[4]，并將創建好的3d模型保存為obj格式。Java3d首先進行場景的渲染和三維空間的疊加建立。然后通過串口接收方法中對接收到的加速度數據的分析，來實時設置旋轉插值器的值。通過旋轉插值器[5]來驅動前臂和后臂的實時運動，從而將實驗者的上肢動作重現出來。上肢三維動作重建面板界面如下圖2-5所示。

圖 2-5上肢三維動作重建界面

用戶可以使自己正在進行的上肢動作，三維重建在客戶端界面中。雖然無線通訊存在一段時間的延遲，但是延遲在用戶的可接受范圍內，并且三維重建模塊對上肢作的展示效果良好。

3 結論

通過對圖3-1中上肢原始動作和三維重建動作的比較，我們可以發現通過分析加速度傳感器數據并利用Java3d建模技術得到的上肢三維重建動作與真實的上肢原始動作相似度很高。表明了使用加速度傳感器作為上肢狀態的采集裝置具有很高的應用價值。

圖 3?1上肢原始動作和三維重建動作的比較

參考文獻

[1]陳靜勇，周來水.基于Java3D的虛擬現實建模方法[J].計算機應用研究.2012，19（5）： 34-36.

[2]涂建東，陳崇成，樊明輝，張群洪.基于Java3D的空間關聯規則可視化原理與實現[J].高科技通訊.2004，14（6）： 98-102.

[3]周海濤，高興鎖，江曉峰.基于java數據采集串口通訊的設計與實現[J].微計算機信息.2006，22（4）： 141-142.

[4]卞鋼，劉寅東.基于3dsmax的船舶三維運動仿真[J].計算機仿真.2005，22（5）： 216-218.

[5]李翔，李成名，王繼周.基于Java3D的地形3維可視化技術[J].測繪通報.2003，（10）： 19-38.