身体活动剖析就是指根据一定的方式 对人会的活动开展捕获和纪录，用以定量分析叙述、剖析和点评人的运作的一门课程。身体活动剖析主要是应用健身运动捕获系统软件完成健身运动追踪和行为识别两大关键每日任务，在其中惯性力式健身运动捕获系统软件主要是选用MEMS感应器。

MEMS感应器做为一种选用微电子技术和微机械加工制造技术性生产制造出去的新式感应器，具备小型化、一体化、智能化系统、低成本、效率高、可批量生产等特性，在惯性力式健身运动捕获技术性中起到了关键功效。

惯性力式健身运动捕获系统软件中精确测量身体活动的惯性力感应器，也称作运动传感器，捕获和鉴别人体不一样位置的运动状态，能够安排在头顶部、上臂、腿部、手臂等好几个位置。惯性力感应器关键包含加速度传感器、手机陀螺仪、磁力计，在具体运用中，收集的感测器数据信息需历经校正、偏差检验和赔偿、数据预处理后，用以剖析和追踪身体健身运动。

健身运动传感器原理

1.MEMS加速度传感器基本原理

MEMS加速度传感器分成三种：压阻式、容感式、风感式。压阻式MEMS加速度传感器应用的是热电效应，在其內部有一个刚体支撑点的品质块，有健身运动的情形下品质块会造成工作压力，刚体造成应变力，把瞬时速度转化成电子信号輸出。容感式MEMS加速度传感器內部也存有一个品质块，从单独模块看来，它是规范的平板电脑电力电容器。瞬时速度的转变推动主题活动品质块的挪动进而更改平板电脑电容器两方面的距离和正对着总面积，根据精确测量电容器变化量来测算瞬时速度。风感式MEMS加速度传感器內部沒有任何的品质块，它的中间有一个加温体，附近是温度感应器，里边是密封的气腔，工作中时在加温体的效果下，汽体在內部产生一个热流团，热流团的比例和四周的冷气机是有差异性的，根据惯性力热流团的挪动产生的热场转变让传感器磁感应到瞬时速度值。

因为压阻式MEMS加速度传感器內部有刚体支撑点的存有，一般 状况下，压阻式MEMS加速度传感器只有磁感应到“动态性”瞬时速度，而不可以磁感应到“静态数据”瞬时速度，也就是大家常说的重力加速。而容感式和风感式既能磁感应“动态性”瞬时速度，又能磁感应“静态数据”瞬时速度。

2.MEMS陀螺仪原理

MEMS手机陀螺仪运用科里奥利力——转动物件在有轴向健身运动时需遭受的切向力。具体的MEMS手机陀螺仪的设计方案如下图。假如物件在圆轮上沒有轴向健身运动，科里奥利力就不容易造成。因而，在MEMS手机陀螺仪的制定上，这一物件被推动，不断地往返做轴向健身运动或是波动，与此对应的科里奥利力便是不断地在横着往返转变，并有可能使物件在横着作细微波动，相位差恰好与推动力差九十度。

MEMS手机陀螺仪一般 有两个大方向的可挪动电容器板。轴向的电容器板加波动工作电压驱使物件作轴向健身运动，横着的电容器板精确测量因为横着科里奥利健身运动产生的电容器转变。由于科里奥利力正比例于角速度，因此由电容器的改变能够测算出角速度。

3.MEMS磁力计原理

MEMS磁力计便是经过精确测量磁化强度和角度来精准定位设施的方向的感应器。磁感应器便是磁感应自然环境电磁场的转变，并把它变换为电子信号，进而精确测量出相匹配标量的元器件，关键使用在罗盘指南针、电磁场传感器、部位传感器等计划方案中。电磁场的测定能够运用霍尔效应、磁电式效用、电流的磁效应效用等基本原理。依据不一样的基本原理能够做成多种多样MEMS磁力计。磁感应器普遍选用AMR原材料（AnisotropicMagneto-Resistance），如铁、钴、镍以及合金材料等，指当外界电磁场与磁场内建磁场力成零度角时，电阻器是不可能伴随着另加磁化强度转变而发生改变的，但当外界电磁场与磁场的内建电磁场有一定视角的情况下，磁场內部被磁化矢量素材会偏位，进而磁场力和电流量方位也会随着转变，造成电阻器电阻值也将产生变化。

从下面中得知，当电流的方向和磁场内被磁化方位成四十五度度时，外界电磁场给磁电式所造成的阻值转变展现出的是线性相关，因此磁感应器在沒有外界磁性危害过程中的原始视角设置为四十五度，运用这一线性相关再根据惠斯通电桥电路就可以获得外部电磁场值。

身体健身运动系统分类运用

身体运动系统的运用范畴比较广泛，依据其探究解析的行为主体，关键区划为全身运动数据分析系统和专用型健身运动数据分析系统。

全身运动数据分析系统就是指在身体全身上下各关键部件的关键环节布局运动传感器，捕获剖析身体各位置姿势和位置信息。普遍的全身运动数据分析系统有西班牙XSens科技有限公司的XSensMVN系统软件，美国Animazoo捕获系统软件、北京市孚心高新科技的FOHEARTLeo动作捕捉套服。

1）XSensMVN：

XSensMVN套服是XSens的一个关键商品，MVN惯性力动作捕捉系统软件，如下图所显示，以特有的小型惯性力健身运动传送感应器（MTx）和无线网络Xbus系统为基本，融合了合乎运动生理学设计方案的高效率感应器等Xsens科技前沿，可以即时捕获身体6可玩性的惯性力健身运动，与此同时将信息经过无线网传送到电子计算机或笔记本中，即时统计和查询动态性捕获实际效果。此外，该体系最与众不同之处取决于不用外界数码相机和信号发射器等设备，防止了不必要的传输数据线应电源插头对使用人的行動限定。MVN套服，己经进入了影视制作和网络游戏产业链，能够免受自然环境光源与室内空间间距的限定，纯粹的动作捕捉数据信息不用开展后处理工艺就可以视频录制进行，十分适用各种各样即时的演出运用。XSens的商品主要是对于好几个主要用途，如，动漫、医药学、体育科学等。

2）Animazoo：

Animazoo是一个朝向开发者的、动漫推动的动作捕捉的硬件软件系统软件。它对于不一样的主要用途给予订制的健身运动捕获解决方法，价钱和特性也因主要用途和方法而不尽相同。AnimazooIGS-190-M物理学惯性力动作捕捉系统软件安装操作方便，精巧易存，且适用于室外应用场景。除开这种与其他惯性力系统软件相近的优点外，AnimazooIGS-190-M与其他物理学惯性力动作捕捉系统软件的较大差别取决于其可以与硬件配置同歩，能够对女模特髋骨开展追踪并给予总体精准定位数据信息（6可玩性），这种作用全是一般惯性力系统软件所缺乏的。Animazoo企业研发的超音波追踪系统软件为声纳三角测量设备，与“AnimazooIGS-190-M物理学惯性力动作捕捉”联接后，可将AnimazooIGS-190-M升級为“IGS-190-H物理学惯性力动作捕捉”。声纳设备发送的精准定位数据信息在直播电视、多艺人演出中，尤其是可做为手册，对后期剪辑的电子光学特性数据信息开展清理，清除模模糊糊拥有关键功效。

3）FOHEARTLeo动作捕捉套服：

FOHEARTLeo是北京市孚心高新科技的一款商品，包括33个连接点遮盖全身上下，在其中手臂和胳膊能够联接hub独立开展应用，用以捕获胳膊及指头的姿势数据信息，如下图所显示。在其中，手臂连接点规格约12mm，10个连接点可多方位遮盖手臂的主题活动连接点，捕获比较精确。

专用型健身运动数据分析系统一般 只包括好多个运动传感器，安裝在身体特殊的一些人体部位，如头顶部、胳膊、腿部等，检测相对应的健身运动特点和情况，能够将其关键区划为上身和下身的健身运动剖析。

1）上身健身运动剖析：

上身健身运动剖析主要是对于用户的头顶部，手臂，手臂等部件开展健身运动捕获和检测。根据运动传感器跟踪头部运动，获得虚拟现实技术（AR/VR）和远程控制那一个中常需的顶部信息内容；将好几个惯性力感应器安装 在手臂，捕获手臂健身运动姿势，可用以体能训练中的纠正和检测；数据信息胶手套可用以检验手指弯曲，运用磁精准定位感应器来准确地精准定位下手在三维空间中的部位，可开展虚似场景设计中物品的爬取、挪动、转动等姿势，为虚拟现实技术系统软件保证了一种最新的互动方式；腹部的运动传感器能够完成对人会的重心点的检测，可使用于摔倒检验。

2）下身健身运动剖析：

下身健身运动剖析主要是对于用户的盆骨、大腿根部、小腿肚和足部等部件开展健身运动捕获和剖析。将运动传感器绑在大腿上，运用健身运动优化算法能够估计走动速率；脚部的运动传感器能够完成对走动历程中的体态主要参数实现检测。除开单一类型感应器的应用，惯性力感应器可融合压测力传感器、超音波感应器、意见反馈设备等，精确测量步幅、抬腿高宽比、步宽、脚部运动轨迹等，并得到对应的意见反馈，用以步态分析。

运动传感器数据处理方法和结合

对惯性力感应器的运用包含原始校正、数据处理方法和结合等。MEMS加速度传感器能够精确测量媒介在三轴方位上的瞬时速度，并可测算对应的速率，其在静态数据时测量精度较高，在动态性活动中存有线形瞬时速度的影响。MEMS手机陀螺仪可精确测量快速旋转下的旋转角速度，进一步计算可获得视角信息内容，其具有较好的信息反应性，可是由于時间的积累，会发生积累偏差，产生飘移。三轴磁力计根据磁感应本地的电磁场扩散系数测算媒介方向姿势，所属地磁场方向稳定一致时，磁力计在静止下有优良的检测特点，不容易随時间产生飘移，可是室内空气中磁力计非常容易遭受磁铁振荡。因而，为得到身体位姿可能的結果，须处理2个至关重要的问题：1）对控制器的偏差开展赔偿和校准；2）选用适宜的优化算法结合各感应器数据信息。

1.感应器偏差

从加速度传感器、手机陀螺仪、磁力计的方向考虑，感应器偏差的来源于主要是任意飘移、线形瞬时速度影响和磁力计振荡。

（1）任意飘移

任意飘移关键来自加速度传感器和手机陀螺仪，能够将任意飘移开展对应的模型，应用卡尔曼过滤器等开展线上可能，进而即时赔偿该任意飘移。

（2）线形瞬时速度

在追踪身体活动时，加速度传感器一般 处在动态性自然环境中，当身体活动的瞬时速度相对性于重力加速没法忽视时，这时依据加速度传感器精确测量值测算出的俯仰角和横滚角会与实际值存有很大的偏差，如果不对线形加速度传感器多方面赔偿，便会造成动态性精密度的降低。为处理此类难题，能够将线形瞬时速度扩大成系统软件的状态变量，根据各类过滤方式 开展可能，一方面能够对线形瞬时速度份量和重力加速份量开展解决，另一方面依据线形瞬时速度的尺寸响应式调节瞬时速度计量检定测噪音标准差的尺寸。

（3）磁力计振荡

当周边出现电磁场影响时，特别是在室内空气中磁力计的测量精度会遭受较大的危害。电磁场影响可分成硬铁影响和软铁影响。硬铁影响造成于电磁铁，这种干扰信号的尺寸及与磁力计的相对位置固定不动，一般假定不会改变，可做零偏解决。软铁影响来自于磁力计周边的其他永磁材料的危害，软铁影响一般是时变的振荡。对于时变振荡，能够选用根据阀值的办法或是根据模式的方式 。

2.数据预处理

身体健身运动追踪根据对消息的收集、平面坐标的转换，获得身体位姿可能的結果。殊不知，单独感应器因为遭受噪音影响等危害，通常造成姿势追踪精密度较低。因而，多传感系统信息内容融生成为提升姿势追踪精密度的优良方式。身体健身运动追踪中通常使用的数据预处理方式 是相辅相成过滤器和卡尔曼滤波器。伴随着小型集成ic计算水平的提升 ，粒子滤波等数据预处理方式 也渐渐被用以线上可能身体的姿势。

（1）相辅相成过滤

加速度传感器和磁力计非常容易遭受高频率噪音的影响，手机陀螺仪非常容易遭受任意飘移等低頻噪音的影响，相辅相成过滤器便是将加速度传感器和磁力计精确测量的静态数据姿势根据带通滤波器除去高频率份量，将手机陀螺仪精确测量的动态性姿势根据高通芯片过滤器除去低頻份量，进而完成姿势信息内容的结合可能。

（2）卡尔曼滤波

卡尔曼滤波包含线形卡尔曼滤波、拓展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波等。下面的图图示为卡尔曼滤波全过程分析图。卡尔曼滤波的关键流程能够划定为2个一部分：時间升级，即对下一步的状态变量开展预测分析；精确测量升级，即依据检测值对估计值开展一定的调整 ，获得估计值。根据制定不一样的状态变量和测量量，能够发展出各种各样有着不一样特性的姿势优化算法。

（3）粒子滤波

颗粒数字滤波的核心内容是运用一系列随机样本的权重计算和类似后验概率密度函数，根据求饶来类似積分实际操作。该优化算法来源于蒙特卡罗观念，就是以某事情发生的次数来代表该情况的几率。因而在过滤全过程中，必须使用几率的地区，对自变量取样，以很多取样以及相对应的权重值来类似表明概率密度函数。

根据惯性力感应器的身体活动剖析技术性，依靠配戴在人体各部件的MEMS感应器，根据数据处理方法、结合和姿势校正方式 可实时跟踪剖析身体健身运动姿势，其在康复训练、影视广告制作、体育运动等各个领域获得了广泛运用，将来在进行根据惯性力感应器的身体活动剖析时，感应器和优化算法依然是科研的关键。
责编人：CC

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