商业计划书(未定版).doc

商业计划书项目名称 基于微机械传感器的人体动作信息捕捉技术开发及产业化项目单位甘肃视通文化科技有限公司地 址兰州交通大学艺术设计学院电 子邮件商 业 计 划 书 概 要项目名称 基于微机械传感器的人体动作信息捕捉技术开发及产业化团队形式个人 工作室 成立时间2013.5办公地址兰州交通大学所处行业动画所处阶段创意 研发 产品开发 试运营 市场拓展联系方式联系人袁清普电-Mail 网站或QQ号 544516627项目摘要本项目主要涉及微机械传感器技术、蓝牙技术、数据实时采集与处理技术，研制出具有自主知识产权的国产机械式动作信息捕捉系统。系统主要开发流程是应用微机械传感器网络获取人体特征点上的运动数据，并通过蓝牙技术无线传输至工作站（PC机），再经过图形化数据处理及运动分析重建软件，得到控制三维动画角色运动的数据。着重解决的关键技术主要包括传感器网络节点设计、网络节点的数据获取及处理、PC端图形化数据处理及运动分析重建软件等。动作信息捕捉系统共将人体分为17个关键关节点，每个关节点处均设置一个微机械传感器，从而构成传感器网络。每个网络节点的微机械传感器均由三轴加速度传感器、三轴角速度和三轴磁传感器及MCU构成。因此，这里也称之为九轴传感器，系统中的九轴传感器均采用改良的卡尔曼滤波器算法实现人体运动姿态的测量和数据融合，卡尔曼滤波器算法主要是采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻的估计值和当前时刻的观测值来更新对状态变量的估计，从而求出当前时刻的估计值。为确保动作捕捉系统运动姿态测量的精确性,对于九轴传感器内的三种不同传感器测量提供不同的补偿方法，对于高速及缓慢的传感器运动模型提供了不同的数学模型，卡尔曼滤波器对这些数学模型具有良好的适应性并可以根据实际运行情况自动收敛，从而提高动作捕捉的精确性。九轴传感器将内部三种传感器所获得的原始数据(三轴加速度、三轴角速度、三轴磁场强度)汇总后利用卡尔曼滤波器算法对三种传感器的运动姿态结果进行解算，最后综合得出人体运动姿态数据(即欧拉角或四元数)，再将其导入PC端图形化数据处理及运动模型重建软件，软件内部采用反向运动学算法计算各关键关节点的位移量，从而在软件中以图形化方式将人体运动状态实时地显示出来，同时输出BVH格式文件便于存储和修改。BVH文件可导入到动漫制作软件中制作动画。 团队架构本项目2013年5月10日成立有限责任公司，注册资金30万元。企业股东：创业团队技术股20%，天使投资者个人股80%。执行董事为企业法人。公司设技术部、财务部、市场调研等，聘有专业财务人员、市场调研评估人员人。项目骨干简介总经理： 袁清普，13级计算机软件与理论硕士研究生。 曾获国家励志奖学金，获内蒙古科技大学信息工程学院“三好学生”、“优秀团员”等荣誉称号曾参加内蒙古ERP沙盘模拟大赛，获优异成绩。技术总监：于先强，11级工业设计本科生，曾获兰州大学2008-2009学年优秀学生三等奖学金、2008年暑期社会实践先进个人。2009年在四川华迪公司实训，担任项目经理，完成基于FPGA的多功能数显系统；2010年完成河南中原黄金冶炼厂干矿量集显系统；2010年参与了USB固件程序设计；2011年参与了甘肃玉门油田水电厂锅炉汽包水位控制系统的项目设计。参与申请“一种电动推杆控制的双轴太阳跟踪光伏发电装置”发明专利1项，获实用新型专利授权1项，有较为丰富的项目开发能力。办公室主任：马彩云，女，09级电路与系统硕士研究生，曾获青海大学“三好学生”、青海省攀岩比赛周赛第一名的奖励，曾参加友晶科技及 Altera 公司所主办的“亚洲创新设计大赛”，有一定的组织管理能力。 市场部经理：陆世亭，女，09级电路与系统硕士研究生。参与了基于zigbee的高压电网检测系统、基于niosII的远程无线心电监护系统的开发工作，2011年获Altera全国FPGA大奖赛三等奖、兰州大学优秀共产党员称号；曾获兰州交通大学第十一届“交大之声”辩论赛冠军，被评为兰州大学优秀研究生会干部。有较为丰富的人际交往能力和市场开拓能力。财务部经理：龚怡，09级管理学院企业管理硕士研究生。曾参与“新消费文化观念构建”国家社科基金项目（项目编号:08BZX011），主要负责市场调研以及数据的统计分析。兼职会计事务所，参加过黄河剧院、甘肃演出公司资产审计与资产评估工作。有一定的财务管理经验。项目的技术方案与创新性技术：1、动作捕捉（Motion capture）是准确测量运动物体在三维空间运动的技术。基于微机械传感器的捕捉技术是通过绑定在人体上的数个惯性测量节点获取人体骨骼关键点上的运动数据，应用有线或无线数据透传方式传输至PC端，经过数据的处理计算得到关键点在不同时间计量单位上的空间坐标(X,Y,Z)，并应用计算机图形技术显示重建模拟人体动作。2、蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本低功耗的无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接，程序存储在一个微型芯片中。创新： 1、应用微机械式17传感节点网络，实现人体实时全身动作捕捉； 2、改进的反向运动学算法，提高了计算效率；3、应用蓝牙无线数据传输，方便使用；4、应用融合地磁传感器算法的运动传感器，提高测量精度；5、人体模型参数信息快速校准。项目产品市场与竞争一、 市场概述1、项目产品市场概况及需求情况随着计算机技术以及三维图像技术的迅速发展，3D产品发展渐渐融入到人们的生活当中，动作捕捉系统在动画中的应用越来越广泛。运动捕捉技术可解决三维动画制作中定义角色运动的瓶颈问题，可大幅度提高三维动画及游戏开发的效率。动漫游戏产业，包括动画卡通、数字娱乐、多媒体产品等，被誉为二十一世纪知识经济的核心产业，是最有希望的朝阳产业，这场后现代产业浪潮，不仅给全球经济战略结构带来根本性转变，也为进入新世纪的中国经济创造了千载难逢的发展机遇。其发展既满足了人民群众特别是未成年人的精神文化需求，同时也为建设社会主义先进文化，推动我国文化产业的发展奠定基础，对实现我国经济、政治、文化的协调发展，全面建设小康社会，具有重大的现实意义和深远的战略意义。在三维动画的制作中，在建立了角色的数字模型之后，我们需要根据脚本的要求为模型定义运动，如何使用传统的运动控制技术，这是一项工作量巨大的工作，也是动画片生产中影响效率提高的关键。运动捕捉技术的应用对动画片制作效率和质量的提高具有重要的意义，本来需要数月来完成的工作应用运动捕捉系统之后只需要短短数日即可完成。应该说运动捕捉技术的应用是动画片制作技术的重大突破，也是今后动画制作技术发展的趋势。本项目基于加速度传感器技术、蓝牙技术、数据实时采集与处理技术的研究，研制出具有自主知识产权的国产机械式运动捕捉系统。 2、项目产品的目标市场动漫游戏产业发展为动漫技术设备创造了巨大的市场空间，仅就动漫专业教育方面，目前数以千计的高职高专院校，设立动漫专业的数量已超过50%。微机械式运动信息捕捉系统由于其成本低廉，可定位于普及型中低端产品，面向国内，以高等职业技术教育、中小型动漫企业及动漫培训机构为销售对象，保守估计全国中低端动作捕捉系统的需求量应在数千套以上，预计将形成数亿元的市场。二、 竞争优势分析1、项目产品的主要竞争者目前在动捕方面的技术中，有光学式的动捕技术和电磁式的动捕技术。光学式的动捕技术成本高，场地、不知有一定的限制；电磁式的动捕技术精确度相对要低一些。2、项目产品技术性能比较优势1 人体实时全身动作捕捉 2 运动检测采用微机械式17传感节点网络 3 蓝牙无线数据传输 4 融合先进算法的九轴智能运动传感器 5 图形化软件操作界面 6 通用的人体特征动画文件格式输出 7 数据记录、输出、保存、编辑及回放 8 人体模型参数信息快速校准 3、项目产品其他市场竞争优势本项目产品成本低、市场面众广泛，适用于各大高校、培训机构和中小型动漫制作企业。也可用于智能机器人的开发与应用当中。未来客户目前，本产品主要销售对象是全国上千所开设动漫专业的高校、动漫专业培训机构、中小型动漫企业。商业模式我们的市场定位是：立足西部，面向全国；以产品优良特性和品质及价格优势赢得客户；以传递绿色环保理念为己任，用至诚的服务获取市场的回报。随着产品正式投产，我们将建立如下产品获利模式：1、采购国内一流光伏发电配件，利用核心技术精心组装，生产合格发电设备。2、建立一支富有朝气、实践经验丰富、能准确把握和充分驾驭市场的销售团队。3、建立企业网站，宣传企业产品；在行业杂志和其它媒体上进行量力而行的产品宣传。4、建立完善的售后服务制度，及时了解客户对产品和售后服务的意见及建议，以进一步完善产品销售体系。项目主要风险由于我们的产品是订单是生产，零库存，无产品积压，基本上不存在较大风险。资金需求请说明项目需要的融资金额及大致用途本项目计划融资60万元，用于加工装配设备、工具的添置，生产材料的购置，人员工资等。资金使用计划2012年2013年2014年备注资金需求60万元70130预计收入59万元118万元294万元预计用户数60120300目录商业计划书概要1目录7第一部分 项目基本情况8第二部分 项目团队9第三部分 项目产品的研究与开发10第四部分 行业及市场情况22第五部分 营销策略和管理25第六部分 融资说明27第七部分 财务计划28第八部分 风险控制30第九部分 附件32第一部分 项目基本情况本项目主要涉及微机械传感器技术、蓝牙技术、数据实时采集与处理技术，研制出具有自主知识产权的国产机械式动作信息捕捉系统。系统主要开发流程是应用微机械传感器网络获取人体特征点上的运动数据，并通过蓝牙技术无线传输至工作站（PC机），再经过图形化数据处理及运动分析重建软件，得到控制三维动画角色运动的数据。着重解决的关键技术主要包括传感器网络节点设计、网络节点的数据获取及处理、PC端图形化数据处理及运动分析重建软件等。动作信息捕捉系统共将人体分为17个关键关节点，每个关节点处均设置一个微机械传感器，从而构成传感器网络。每个网络节点的微机械传感器均由三轴加速度传感器、三轴角速度和三轴磁传感器及MCU构成。因此，这里也称之为九轴传感器，系统中的九轴传感器均采用改良的卡尔曼滤波器算法实现人体运动姿态的测量和数据融合，卡尔曼滤波器算法主要是采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻的估计值和当前时刻的观测值来更新对状态变量的估计，从而求出当前时刻的估计值。为确保动作捕捉系统运动姿态测量的精确性,对于九轴传感器内的三种不同传感器测量提供不同的补偿方法，对于高速及缓慢的传感器运动模型提供了不同的数学模型，卡尔曼滤波器对这些数学模型具有良好的适应性并可以根据实际运行情况自动收敛，从而提高动作捕捉的精确性。九轴传感器将内部三种传感器所获得的原始数据(三轴加速度、三轴角速度、三轴磁场强度)汇总后利用卡尔曼滤波器算法对三种传感器的运动姿态结果进行解算，最后综合得出人体运动姿态数据(即欧拉角或四元数)，再将其导入PC端图形化数据处理及运动模型重建软件，软件内部采用反向运动学算法计算各关键关节点的位移量，从而在软件中以图形化方式将人体运动状态实时地显示出来，同时输出BVH格式文件便于存储和修改。BVH文件可导入到动漫制作软件中制作动画。 第二部分 项目团队总经理： 周威，09级电路与系统硕士研究生 ，2007年全国大学生数学建模竞赛中获得省赛区二等奖，两次获得兰州大学一等学业奖学金、二等助研奖学金，在校期间参与了基于zigbee的高压电网检测系统、基于宽带电力线抄表系统、手持式电源内阻检测仪等项目的开发，参与申请“一种电动推杆控制的双轴太阳跟踪光伏发电装置”发明专利1项，获实用新型专利授权1项，有较为丰富的项目开发实践经验和开拓精神。 技术总监：米进财，10级电路与系统硕士研究生，曾获兰州大学2008-2009学年优秀学生三等奖学金、2008年暑期社会实践先进个人。2009年在四川华迪公司实训，担任项目经理，完成基于FPGA的多功能数显系统；2010年完成河南中原黄金冶炼厂干矿量集显系统；2010年参与了USB固件程序设计；2011年参与了甘肃玉门油田水电厂锅炉汽包水位控制系统的项目设计。参与申请“一种电动推杆控制的双轴太阳跟踪光伏发电装置”发明专利1项，获实用新型专利授权1项，有较为丰富的项目开发能力。 市场部经理：刘莉，女，09级电路与系统硕士研究生。参与了基于zigbee的高压电网检测系统、基于niosII的远程无线心电监护系统的开发工作，2011年获Altera全国FPGA大奖赛三等奖、兰州大学优秀共产党员称号；曾获兰州交通大学第十一届“交大之声”辩论赛冠军，被评为兰州大学优秀研究生会干部。有较为丰富的人际交往能力和市场开拓能力。财务部经理：杜振涛，09级管理学院企业管理硕士研究生。曾参与“新消费文化观念构建”国家社科基金项目（项目编号:08BZX011），主要负责市场调研以及数据的统计分析。兼职会计事务所，参加过黄河剧院、甘肃演出公司资产审计与资产评估工作。有一定的财务管理经验。办公室主任：董敏，女，09级电路与系统硕士研究生，曾获青海大学“三好学生”、青海省攀岩比赛周赛第一名的奖励，曾参加友晶科技及 Altera 公司所主办的“亚洲创新设计大赛”，有一定的组织管理能力。第三部分 项目产品的研究与开发一.项目产品的技术原理动作捕捉（Motion capture）是准确测量运动物体在三维空间运动状况的技术。通过绑定在人体上的数个惯性测量节点获取人体骨骼关键点上的运动数据，应用无线数据透传方式传输至PC端，经过数据的处理计算得到关键点在不同时间计量单位上的空间坐标(X,Y,Z)，并应用计算机图形技术显示重建模拟人体动作。动作信息捕捉系统主要用于实时捕捉人体运动姿态并在图形重建软件中实时显示，为实现数据的实时捕捉和图形的实时显示，系统的主要功能集中于硬件捕捉设备和软件图形重建系统，硬件设备主要有微机械传感器用于实时获得人体特定关节点的运动信息；微控制器系统用于实时采集传感器网络各节点的运动数据(欧拉角或四元数)，微控制器系统中集成了蓝牙无线传输模块，该模块用于将从传感器网络中采集的数据发送至工作站(PC机)，从而实现设备与PC端的无线传输功能；PC端有相应的蓝牙无线接收模块，用于实时获取微控制器系统发出的数据。软件部分就是PC端的人体运动模型重建软件，该软件将人体17个特征点的运动数据(欧拉角或四元数)通过反向运动学算法进行解算，最后得到人体的运动姿态模型并进行实时显示，软件中需实现如下功能：见图1.动捕系统配置模块端口配置蓝牙通信姿态校准显示模块参数设置图形显示数据存储数据修改数据回放T型校准图1 动捕系统功能图蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本低功耗的无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接，程序存储在一个微型芯片中。数据处理与图形重建软件主要用于实时提取PC端蓝牙接收模块的数据，并对该运动姿态数据进行解算，之后实时重建人体运动姿态模型，运动姿态图形重建软件应具有对捕捉到的人体运动姿态数据(一般为BVH文件)进行存储和更新的功能。2 项目国内外研究开发现状：运动捕捉技术的出现可以追溯到上个世纪的70年代末，迪斯尼公司为改进动画制作的效果，提高动画的质量，试图采用“临摹”高速拍摄真实演员动作的连贯相片的方式来达到。这个被称为Rotosooping的方法可以说是基于运动获取产生动画的原型或先驱。当计算机技术刚开始应用于动画制作时，纽约计算机图形技术实验室的 RebeccaAllen就设计了一种光学装置，将真实舞蹈演员的表演姿势投射在计算机屏幕上，作为数字舞蹈演员动画关键帧的参考，这一举措促进了运动捕捉技术的发展。20世纪80年代开始，美国Biomechanics实验室、麻省理工学院等都开展了对计算机人体运动捕捉的研究。在计算机图形学中的应用开始于上世纪80年代初期，Abel研究小组首次将运动捕捉技术用于生成三维动画。 1988年，美国太平洋数据图像公司设计了一个8自由度的输入装置，用以控制动画人物的位置和嘴唇的运动，该装置能够实时地捕获人体的运动来驱动虚拟人。在计算机动画，计算机图形学等相关领域的国际会议上也开始了关于运动捕捉技术的讨论，特别是98年以后还专门举行了针对运动捕捉的国际会议capTech98。此后，运动捕捉技术吸引了越来越多的研究人员和开发商的目光，并从试用性研究逐步走向了实用化。目前在发达国家，运动捕捉已经进入了实用化阶段，有多家厂商相继推出了多种商品化的运动捕捉设备，如美国OMG公司的vicon系列产品、加拿大Kaydara公司开发的FilmBox，法国Biosesta公司的“sAGA一3”,意大利eMotion公司的 sMARTmotione等。在国内，运动捕捉技术的发展也已经有几十年的历史，而且随着CG产业的飞速发展，对于运动捕捉系统的需求也在飞速膨胀。一些科研机构如中科院自动化所，浙江大学图形学实都在进行相关方面的研究。据统计国内三维制造业对运动捕捉系统的使用比例高达60%，更多的企业通过合作或者租用等方式将运动捕捉系统应用到自己的产品中，比如大连的东锐软件有限公司，北京的迪生通博科技有限公司等系统制造商也纷纷加入进来，研发具有自主知识产权的国产运动捕捉系统。运动捕捉技术的应用领域也远远超出了表演动画，现在己经成功地应用于虚拟现实、游戏、人体工程学研究、模拟训练、生物力学研究等许多方面。近年来，运动捕获技术已成为人体动画主流技术之一，如何处理和应用运动捕获数据是当前计算机动画界研究的热门话题。三.项目的主要内容及技术路线3.1 系统设计动作信息捕捉系统共将人体分为17个关键关节点，每个关节点处均设置 一个微机械传感器，从而组成传感器网络。每个传感器均是由三轴加速度传感器、三轴角速度传感器和三轴磁传感器及MCU构成， 因此，系统的数据采集部分由多个传感器节点组成，且每个传感器有独立的控制器，在运动过程中，主控制器命令各节点控制器通过传感器采集人体各关节点的三维加速度、三维角速度及三维磁场强度。各节点控制器与系统主控制器之间采取总线型网络拓扑结构，利用总线形式进行通信。主控制器采集各传感器节点发送的信息，并对信息进行分析和处理后，将输出的有效数据通过蓝牙模块无线传送到PC端，PC端的图形化运动姿态重建软件可对数据进行有效处理，主要是采用一种常用的反向运动学算法即循环坐标下降算法(CCD算法)对运动数据进行解算，最后得到人体运动姿态数据并实时重建人体运动模型。因此，按人体运动姿态数据的处理方式可以将系统主要分为数据采集和数据处理两大模块，其中数据采集模块要实现的内容包括：1） 系统总体设计2） 传感器网络节点设计3） 主控制器ARM 系统设计4） 电源电路设计 5） 单片机软件设计6） 蓝牙无线收发模块数据处理模块要实现的内容主要是：1） 人体运动模型建立2） 图形化运动姿态重建软件设计3） 运动姿态数据（节点位移）计算本动作信息捕捉系统的主要原理如下图2.所示：传感器单元1传感器单元2传感器单元8传感器单元1传感器单元2传感器单元9传感器网络主控制器系统1蓝牙传输模块MCU蓝牙传输模块MCU主控制器系统2蓝牙接收模块PC端软件图形重建系统BVH文件图2 动作信息捕捉系统原理图3.2 传感器网络传感器网络的作用主要是获取人体各特征点处的运动姿态数据，人体各特征点运动姿态的融合可用于模拟整个人体的运动姿态，本动捕系统将人体骨骼模型的运动抽象成人体关节模型的运动，人体骨架是一种关节链结构，关节链是由一系列依次相连的刚体(一般假设物体无论受到多大外力或转动得多快都不变形，称这样的物体为刚体，它是力学中关于研究对象的一个理想模型)连接而成的，两个刚体的连接处称之为关节点。且各关节点之间的部分任何时刻都不会发生任何改变，所以将人体骨架模型继续抽象出17个关键关节点，相应的关节分别是臀腹关节，左胸肩关节，右胸肩关节 ，左肩关节，右肩关节，左肘关节，右肘关节，左腕关节，右腕关节，胸颈关节，头颈关节，左腿根关节，右腿根关节，左膝关节，右膝关节，左躁关节，右躁关节，因此整个运动的人体可被看作是由17个关键关节点连接而成的人体骨架模型，同时将人体臀腹关节作为人体模型根关节，来确定人体的世界空间位置和朝向。这里采用常规的分层骨架结构模型(即树形结构)进行图形描述，如下图3.所示：图3人体关节层次结构图人体关节模型中各关节的划分是对人体关键关节点的提取过程，人体各关键关节点处的运动信息经处理后可以有效地反应整个人体的运动姿态，为获取运动人体的17个关键关节点处的运动信息，本动捕系统在每个关键关节点处均放置一个微机械传感器即传感器节点，所以共将17个微机械传感器放置在运动人体的17个关键关节点处,由此构成具有17个节点的传感器网络。每个传感器分别获取运动人体的特定关节点处的运动姿态数据(欧拉角或四元数)，之后在PC端运动姿态图形重建软件中利用一种解析的反向运动学算法对17个关节点处的运动姿态数据(四元数)进行解算，获得每个关节点的相对位移量，从而由各特征点的运动姿态构建出整个人体的运动姿态模型。由以上人体关节层次模型可以确定传感器网络节点的分布，如图4.所示，图中每个黑色圆点代表一个传感器网络节点，整个传感器网络由17个网络节点构成，每个节点处放置一个惯性轴传感器。图4 传感器网络节点分布图3.3 传感器节点在上述传感器网络中每个网络节点就是一个微机械传感器，微机械传感器是由三轴加速度传感器、三轴角速度传感器和三轴地磁场传感器及MCU构成，因此本文也称之为九轴传感器，主要用于实时获得人体各关节点的运动姿态数据，每个九轴传感器内部都使用了多传感器数据融合算法，本动捕系统中的九轴传感器均使用卡尔曼滤波器算法(最优化自回归数据处理算法)实现对人体运动姿态的测量，此算法也是目前最高效的传感器数据融合算法，卡尔曼滤波器算法主要是采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻的估计值和当前时刻的观测值来更新对状态变量的估计，从而求出当前时刻的估计值。为确保动作捕捉系统运动姿态测量的精确性,对于九轴传感器内的三种不同传感器测量提供不同的补偿方法，不同时刻人体运动的快慢及运动幅度的大小均有很大的差异，相应的传感器的运动模型也有所不同，因此，系统对高速快速及低速缓慢的传感器运动模型建立了对应的数学模型，卡尔曼滤波器对这些数学模型具有良好的适应性并可以根据实际运行情况自动收敛，动捕系统中提供卡尔曼滤波器参数的调节功能，对于磁场环境变动较大或存在铁磁性物质的环境下使用动捕系统时，可以尽量调低磁传感器灵敏度并相对增加角速度传感器和加速度传感器灵敏度，以适应环境的变化，从而提高动作捕捉的精确性。传感器节点原理及在动捕系统中的作用如图5.所示：三轴加速度三轴角速度三轴地磁场MCU九轴传感器欧拉角或四元数主控制器系统处理器蓝牙模块蓝牙模块PC软件BVH文件图5传感器节点及动捕系统原理动作捕捉系统将人体运动模型抽象成17个关键关节点，通过将三维运动姿态测量设备VM-i绑定在人体的特征点上，实时地采集人体运动数据。三维姿态测量设备VM-i是微迈森惯性技术开发（北京） 有限公司研发设计的，设备如下图6所示：图6 VM-i传感器它是基于MEMS技术低成本高性能的三维姿态测量系统(AHRS)。VM-i集成三轴陀螺仪、三轴加速度计（即IMU），三轴地磁场强度传感器，GPS等辅助传感器采集人体运动数据，将VM-i安装于人体关键点上后，处于工作状态的陀螺仪传感器将收集人体运动的姿态数据（横滚角、俯仰角、航向角）。运动姿态数据获得后即可利用该数据驱动相应的三维虚拟人体模型，从而实时重建真实人体的运动姿态，实现人体运动的实时追踪。然而，陀螺仪器件测量的运动物体姿态数据具有误差，必须进行修正后才能真实地反应出运动物体的运动姿态。这种误差产生的大致过程是：陀螺仪器件直接测量的数据为角速度，该角速度值为瞬间量，大多数情况下不能直接使用，而需要对该角速度进行时间积分，得到角度变化量，然后加上初始角度作为最后的角度值才是运动物体的姿态数据，这种积分过程积分时间（dt）越小，得到的角度值越准确，由于陀螺仪测量基准是其自身而非外在的绝对参照物，加之积分时间（dt）不可能无限缩小，积分的累积误差将随时间推移迅速增加，进而导致测量的运动姿态数据与实际数据发生偏差。一种解决陀螺仪积分累积误差的方法是在运动姿态追踪设备中增加加速度传感器，用于测量重力方向的加速度数值，在无外力加速度情况下，可较为准确地输出运动物体的横滚角和俯仰角，如果有外力加速作用，通过具有递归自回归滤波功能的卡尔曼滤波器进行数据融合，最后得出人体运动的运动姿态数据。但是，由于加速度测量的重力方向与航向角正交，无法用加速度传感器消除水平方向的陀螺仪累积误差，导致运动姿态的航向角数据与实际值不相符合，进而在进行运动物体追踪时不能准确地追踪运动物体。在此基础上增加地磁场传感器件，通过将该传感器件收集到的地磁场数据作为观测值输入递归自回归单元中进行数据融合，利用递归自回归单元的递归收敛功能消除角速度仪在水平方向的累积误差，得到最优的姿态数据，实时输出以四元数、欧拉角等表示的零漂移三维运动姿态数据。传感器节点内部原理如图7.所示三轴加速度计三轴陀螺仪三轴磁传感器GPS卡尔曼滤波器算法四元数或欧拉角图7 传感器内部原理图一般情况下，输出的数据为四元数，因为欧拉角采用三个向量表示三维空间状态，理解起来非常容易。但是是对于欧拉角表示的旋转，无论Heading 和Roll 为多少度，只要Pitch 为90（即绕第二个轴的旋转），就会出现万向锁现象。欧拉角采用图8 的旋转顺序表示姿态，航向 （Heading）、横滚（Roll）、 侧翻（Pitch）。X+YawZXY+Roll+Pitch图 8 欧拉角旋转顺序图实际上，使用3 个量来表示三维维空间的朝向的系统都会遭遇这个问题，四元数通过一组复数表示空间的运动状态，完全解决了这个问题。欧拉角与四元数姿态表示方法是目前工程上最常用的两种方法，VM-i采用四元数的表示方法实现运动姿态的测量。3.4 数据接口数据接口就是进行数据传输时向数据连接线输出数据的接口，RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力强，即抗噪声干扰性能好。该接口的最高传输速率可达10Mbps，最大传输距离标准为4000英尺，但实际有效传输距离也可达3000米，但本系统中对于传输距离的要求较低，这点可以得到很好的满足。同时RS-485接口在总线上是允许连接多达128个接收器，即具有较强的多站能力，有利于方便地建立设备网络。因此，传感器网络中各节点之间通过RS-485总线连接并将数据传送至主控制器系统，整个传感器网络共有17个传感器节点，并由两个主控制器系统(左右各有一个主控制器系统)采集节点的运动数据，人体左侧布置8个传感器节点，8个节点经RS-485总线连接之后连至左侧主控制器系统，整体呈总线型拓扑结构；同样，人体右侧布置9个传感器节点并通过RS-485总线相连，之后再连至右侧主控制器系统，在主控制器系统中集成蓝牙发送模块，用于将采集到的各传感器节点的数据发送至工作站(PC端)。3.5微控制单元（MCU）主控制器部分主要采用基于ARM32-bitCortexTM-M3内核的单片机控制板STM32F103RET7，该芯片具有32位闪存微控制器,高达512KB的存储器容量，并具有USB、CAN、I2C总线、11个定时器、3个ADC，USB2.0全速接口，SDIO接口，CRC计算单元。处理速度达72MHz并有256KB至512KB的快闪记忆体，高达64KB的SRAM，静态存储器控制器有4个芯片选择，支持LCD并行接口和8080/6800模式，2.0-3.6伏供电电压和I/O端口及4至16MHz晶体振荡器。另外还包括为传达改进性能而设置的Thumb-2指令，带更好的编码密度，对中断更快的反应，均和领先的工业功耗相结合。因此可以满足本动捕系统对于数据实时采集和传送的要求，通过编程实现主控制器CPU不断的获取各传感器网络节点处的运动数据，同时传感器网络节点与主控制器系统之间采用RS-485总线连接，RS-485总线具有较高的数据传输速率(10Mbps)，且总线接口具有良好的抗噪声干扰性及较长传输距离的特点。通过RS-485总线主控制器系统实时获取传感器网络各节点的运动姿态数据，主控制器系统集成蓝牙传输模块，蓝牙传输模块用于无线发送人体各关键关节点处的运动数据至PC端，主控制器系统可以保证实时获取人体各关节点处的运动数据，并实时传送至PC端人体运动姿态图形重建软件中，图9为STM32F103RET7引脚原理图。图9 STM32F103RET7原理图3.6 蓝牙传输模块蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本低功耗的无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接，程序存储在一个微型芯片中。本动作信息捕捉系统的创新点之一就是利用蓝牙技术实现人体运动数据的无线传输，大部分的机械式动作捕捉系统均是采用有线式的数据传输，不仅使表演者负于缆线的束缚无法自由表演，且迫于缆线的限制无法达到期望的运动距离和运动幅度，因此本动捕系统采用无线蓝牙技术完成主控制器系统与PC端的有效数据传输，蓝牙传输模块集成于主控制器系统中，主控制器单元实时采集各传感器网络节点的运动数据，之后由蓝牙传输模块将采集到的运动姿态数据无线发送至工作站(PC即)。PC端有相应蓝牙接收模块，负责接收主控制器系统中的蓝牙传输模块发出的数据，从而在动捕设备与PC端之间，实现了高效的无线数据传输。因此，主控制器系统的蓝牙传输模块我们主要采用南京国春电气设备有限公司的GC-01 CLASS1贴片式蓝牙模块。它主要采用了CRS公司的AUDIO-FLASH蓝牙芯片，附加Atmel公司T7024蓝牙专用前端芯片扩展成标准1级蓝牙模块（Class1），通讯距离达100m。外围主要元器件选型采用工业级标准，模块电路板为0.8mm四层板，采用激光盲孔加工工艺，引脚采用半孔加工工艺，贴片式设计，体积尺寸紧凑。电路接口主要是USB口、RS232串行口(TTL电平)、Audio模拟语音接口（SPK,MIC）、SPI编程口、2路AIO模拟量接口、12路数字PIO接口，硬件框图见图10 ，操作电压为2.7V3.3V,工作温度：-40至+105，发送灵敏度达-85dBm。图10 GC-01硬件框图图11 GC-01板3.7 电源模块设计运动信息捕捉系统共有两个主控制器系统，每个主控制器系统都需要一个供电电源，电源采用4节1.2 V 3000mAh镍氢充电电池串联构成，并采用电源管理芯片LP2951 进行电源管理，为系统提供稳定的5 V 工作电压，同时具有电量检测的功能。3.8蓝牙接收模块动捕系统的图形重建软件内部主要使用传感器网络中各节点的运动数据，经过解算后得出整个人体模型的运动姿态数据，而这些数据都是从PC端的蓝牙接收模块获得的，图形重建软件从相应的蓝牙接收模块的端口读取运动数据，最后用于人体运动模型的重建。PC端的蓝牙接收模块用于实时获取主控制器系统发出的每个传感器节点的运动数据，蓝牙接收模块接收到各节点的运动数据后，PC端人体模型重建软件就可以从蓝牙模块相应的端口处提取数据，软件内部实现人体运动模型的实时重建和显示。相应的驱动程序采用IVT公司开发的BlueSoleil6蓝牙PC软件。BlueSoleil6具有卓越的无线功能，可以无线访问种类繁多的支持蓝牙功能的设备，如手机、电脑、PDA等，BlueSoleil6界面简单易用可迅速与各种蓝牙设备(如手机、笔记本等)建立连接，主要功能包括：配对、搜索服务、数据传输、建立连接、信息交换与同步、蓝牙传真等。蓝牙接收设备使用的是USB接口类型的支持CLASS1/2/3标准蓝牙设备。操作频带在 2.4GHz 至 2.483GHz 之间，采用 FHSS (跳频展频) 技术，适用于 Windows 98SE/ME/2000/XP/2003/VISTA或 Mac OS X 10.2.6以上之操作系统。数据传输率最高可达3Mbps，灵敏度 预先规定值value)，即该人将手伸出一段距离后没有触及到水杯，则将J0的父节点J1作为新的根节点，从关节J1到末端效应器E做向量V1，从关节J1到目标点O做向量V2，继续求得两向量的点积即旋转角，求出两向量的叉积VT2为旋转轴，将J1下的子链围绕旋转轴VT2旋转角度，则末端效应器又到达一个新的位置，如图7所示，如果此时E依然没有到达目标位置O(该人还是没有触及到桌子上的水杯)，则继续取J1的父节点J2作为新的根节点，逐级改变运动链上各关节点的旋转角度。如果依次迭代直至根节点Jroot时，此时末端效应器依然没有到达目标位置O，则再从末端关节J0开始新的迭代循环。这里必须对循环次数进行限制，假定最大循环次数为N，如果循环次数达到了规定的最大值N时E还没有到达目标位置O，则表示目标位置O不在末端效应器的可达范围之内，即桌子上的水杯不在该人手掌可触及的范围之内，此时需要对根节点进行平移运动，如该人再走近桌子一段距离，也就是实现了根节点的平移运动，移动根节点后再进行上述循环。EOJ0J1J2J3JrootJrootJ3J2J1J0OE图12图13bV2V1V1V2JrootJ3J2J1J0OEJ2J1J0EOJ3Jroot第四部分 行业及市场情况1、 市场概述1、项目产品市场概况及需求情况随着计算机技术以及三维图像技术的迅速发展，3D产品发展渐渐融入到人们的生活当中，动作捕捉系统在动画中的应用越来越广泛。运动捕捉技术可解决三维动画制作中定义角色运动的瓶颈问题，可大幅度提高三维动画及游戏开发的效率。动漫游戏产业，包括动画卡通、数字娱乐、多媒体产品等，被誉为二十一世纪知识经济的核心产业，是最有希望的朝阳产业，这场后现代产业浪潮，不仅给全球经济战略结构带来根本性转变，也为进入新世纪的中国经济创造了千载难逢的发展机遇。其发展既满足了人民群众特别是未成年人的精神文化需求，同时也为建设社会主义先进文化，推动我国文化产业的发展奠定基础，对实现我国经济、政治、文化的协调发展，全面建设小康社会，具有重大的现实意义和深远的战略意义。在三维动画的制作中，在建立了角色的数字模型之后，我们需要根据脚本的要求为模型定义运动，如何使用传统的运动控制技术，这是一项工作量巨大的工作，也是动画片生产中影响效率提高的关键。运动捕捉技术的应用对动画片制作效率和质量的提高具有重要的意义，本来需要数月来完成的工作应用运动捕捉系统之后只需要短短数日即可完成。应该说运动捕捉技术的应用是动画片制作技术的重大突破，也是今后动画制作技术发展的趋势。本项目基于加速度传感器技术、蓝牙技术、数据实时采集与处理技术的研究，研制出具有自主知识产权的国产机械式运动捕捉系统。 2、项目产品的目标市场动漫游戏产业发展为动漫技术设备创造了巨大的市场空间，仅就动漫专业教育方面，目前数以千计的高职高专院校，设立动漫专业的数量已超过50%。微机械式运动信息捕捉系统由于其成本低廉，可定位于普及型中低端产品，面向国内，以高等职业技术教育、中小型动漫企业及动漫培训机构为销售对象，保守估计全国中低端动作捕捉系统的需求量应在数千套以上，预计将形成数亿元的市场。二、竞争优势分析1、项目产品的主要竞争者目前在动捕方面的技术中，有光学式的动捕技术和电磁式的动捕技术。光学式的动捕技术成本高，场地、不知有一定的限制；电磁式的动捕技术精确度相对要低一些。2、 项目产品技术性能比较优势1、 人体实时全身动作捕捉 2、 运动检测采用微机械式17传感节点网络 3、 蓝牙无线数据传输 4、 融合先进算法的九轴智能运动传感器 5、 图形化软件操作界面 6、 通用的人体特征动画文件格式输出 7、 数据记录、输出、保存、编辑及回放 8、 人体模型参数信息快速校准3、项目产品其他市场竞争优势本项目产品成本低、市场面众广泛，适用于各大高校、培训机构和中小型动漫制作企业。也可用于智能机器人的开发与应用当中第五部分 营销策略和管理一本项目产品的主要用途：本项目产品主要适用西部偏远地区无电农、牧民家庭使用。本项目产品小功率光伏发电装置规格100Wp-500Wp，已开发的产品有120Wp和200Wp，其中200Wp太阳能自动跟踪光伏发电装置配以12V200AH蓄电池和逆变器，可供一户家庭一台电视、一部电脑和2盏9W节能灯同时使用6小时以上。大功率装置（1KWp-4KWp）适合大型光伏发电站组成光伏发电阵列，提高光伏发电站的发电效率。1.市场定位：立足西部，面向全国；以产品优良特性和品质及价格优势赢得客户；以传递绿色环保理念为己任，用至诚的服务获取市场的回报。本项目产品是适合于西部偏远地区农、牧民家庭、小学、卫生医疗站、边防哨所等使用的小功率（200Wp）自动跟踪太阳能光伏发电装置。西部地区特别是西北地区光照资源丰富，尚有许多农牧民未用上电，本产品模块化设计，可随时拆御异地安装，且发电效率高，价格优势明显，目标市场明确。目前，主要销售对象是西部偏远地区无电农、牧民家庭、小学、卫生医疗站、边防哨所等，