清华大学用6个无线传感器搞定全身动作捕捉，可跑可跳可打滚

梦晨 发自 凹非寺量子位 报道 | 公众号 QbitAI

来自清华的研究团队发布了一段视频：

两人打球的动作精准又流畅地被右下角 的笔记本电脑捕捉到。

但是房间里没看到摄像头，两人身上也好像没穿戴什么装备？

印象中的全身3D动捕的一套装备和场地布置，可是这样的：

△光学动捕，《最后生还者》拍摄现场

或是这样的：

△惯性动捕

最轻便的也得有5、6斤，价格便宜的就更重了能达到10几斤。穿在身上影响动作的灵活性，而且很快就会累了，基本无法日常使用。

视频中的装备，后面标记出来才看到，两人身上各自只戴了6个 小型惯性传感器，还是无线 的。

现在市面上的VR设备主要用的是光学动作捕捉。

要知道VR刚出来那会不管有线无线，最大的障碍是要在房间周围摆上3到6个柱子。

后来简化成了头戴设备上的摄像头向外扫描周围的环境实现定位，加上两个手柄上的惯性传感器，如PSVR。

但动作捕捉的范围就只能是以头部和手部为主，腿部动作一直是难题。移动只能在画面里前进，并不能将腿部的具体动作在游戏中表现出来。

△VR游戏《半条命：Alyx》中的移动方式之一

或者健身环，简单地检测到你在抬腿，再模拟成游戏中固定 的腿部动画，或借用游戏中的交通工具。

而现在，清华大学的新方法，可以实时捕捉跳跃和蹲爬，帧数都是90fps ：

跨越障碍，甚至是躺下打滚都没问题：

除了能跟踪人体的全身动作，还能实现在空间上的定位。由于不需要固定的传感器，长距离移动也没问题。

与光学动捕相比，惯性动捕还有两个好处。一个是不怕环境障碍物遮挡。

第二个是对照明环境没有要求，夜间也可以。

除了个人VR游戏外，新的惯性动捕技术还可能降低商业动作捕捉的成本，让小规模的制作团队也有机会用上。

在游戏和动画电影中，动作捕捉摄影棚是这样的：

这恐怕只有大公司才承担得起了。

除了娱乐外，动作捕捉技术在医疗领域 也有应用，可以用数据指导伤者更好地进行康复训练 。

双向循环神经网络

这么好的方法是怎么实现的呢？原来是靠深度学习。

研究团队分阶段将动作捕捉拆成3个子任务。先从惯性数据算出5个主要节点头部和四肢的位置，再细化成全部23个节点的位置，最后通过反向动力学 (IK)求解。

由于预测连续的动作不仅要依赖前面的计算结果，还要参考后面一层的结果。所以在这一步用到的是双向循环神经网络 (biRNN)。

在空间定位问题也是拆成两部分。一个是脚与地面接触的概率分布，再结合根结点的速度，算出在世界坐标的速度，同样用到RNN与biRNN。

对于不同的任务使用不同的公开数据集进行训练，包含300名受试者超过40小时的姿势和空间位置参数。

与之前的研究相比，任务拆解的方法有助于用更少资源获得更高帧数，可以胜任高速运动 的捕捉。

并且实现了动作捕捉的同时进行空间定位。

不过，还是有两点不足。一个是动作捕捉的效果依赖于训练数据集，对训练集中没有的动作效果就一般。

还有在计算脚与地面的接触概率分布时，假定了接触时脚是固定不动的，不能适用于滑板等运动。

作者团队

本项目论文已被计算机图形顶会SIGGRAPH 2021接受。

研究团队来自清华大学北京信息科学与技术国家研究中心和软件学院。

徐枫团队副教授团队，第一作者伊昕宇。

项目地址：https://xinyu-yi.github.io/TransPose/

论文地址：https://arxiv.org/abs/2105.04605

— 完 —

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针对体育和医疗专业人士的IMU运动传感器产品评价与购买指南

在过去的几年中，微型传感器，特别是运动追踪设备中使用的运动传感器市场出现了爆炸式增长。不幸的是，由于传感器的低成本，市场充斥着游戏、电子消费类的低精度产品，而非高精度的专业级设备。

基于速度的体育运动训练领域也混杂了各种低成本的所谓“运动”传感器，并且由于技术的可用性，例如在GPS定位系统中或类似的可穿戴技术产品中也使用这些运动传感器，且皆标榜具有人体运动追踪的功能。

惯性运动单元或IMU是收集运动数据的传感器，这些动作数据可用于对速度、倾斜、旋转甚至运动角度的计算和测量。IMU运动传感器的使用非常普遍，从简单的睡眠追踪产品到我们每天使用的智能手机中都可以找到简单的加速度计，尽管它们是进行体育运动轨迹计算的可用工具，但远非完美。

在本指南中，我们对IMU技术和应用进行了认真研究，并回顾了对运动训练和康复专业人士者而言市场上比较出色的产品解决方案。这些分析皆基于数据和技术参数分析的基础之上，尽管我们会提及某些厂家的设备，但是不含有任何广告。

什么是惯性测量单位？

IMU通常是传感器的组合，可帮助收集身体或诸如球这类体育器械的运动数据。IMU体积很小，可以与运动训练设备集成在一起，并且可以收集多种类型的数据，包括加速度、时间和空间定位以及方向。IMU的价格不高，也不需要太多电量来收集和传输数据，因此它们是运动训练和比赛的理想解决方案。

IMU系统具有三个主要传感器：加速度计、磁力计和陀螺仪。这三者都有各自的价值，但它们共同构成了一般体育运动中绝佳的测评解决方案。精确度和精准度取决于系统设计时的算法，因此系统中各部分的相互制约和平衡很重要。

加速度计：加速度计可以检测速度的变化，对于人体的全身运动分析来说是非常重要的。但是，如果没有其他传感器的配合，它的功能将非常有限，无法提供正在进行中的环境信息。

陀螺仪：陀螺仪有助于确定传感器的方向，并确定其在三个维度上的移动方式。经过精心设计，连接在一起的多个传感器可以模拟整个身体的运动。

磁力计：磁力计有助于定向，可用于校准并将数据定向到正确的位置。磁力计不像其他两个传感器那么重要，但是它们确实添加了适合户外运动的另一层数据。

除了IMU传感器之外，该系统设备一般都会具有电池和无线组件，以及充电和指示灯之类的必要功能部件。

IMU运动传感器适合哪些应用？

IMU的多功能性使其成为运动技术解决方案的核心主力，特别是因为它们的体积小以及连续收集数据的能力。尽管价格便宜，但是在算法和软件方面投入对于完整的商业化落地应用非常重要。

大多数IMU解决方案都可以解决小型运动分析需求，也有一些公司将IMU用于非常苛刻的场景。例如，有线电视遥控器里面有一个IMU，可以简单地检测这个遥控器是否被拾起或放下以照亮按钮。也有更高级的应用程序使用IMU，例如监视喷气发动机，而运动训练中的许多跳跃分析的简单设备可帮助教练员检测运动员的跳跃能力。

一些杠铃具有速度和性能提示，其中就嵌入了IMU来检测速度或触地路径方向的变化。现在，市场上大多数可穿戴产品都使用IMU收集诸如步行或跑步之类的身体活动数据，但它们比计步器功能更强大。

现代化的IMU可以收集更敏感的数据，如果创造性地使用它，则可以识别诸如手势甚至身体姿势、步态的微小偏差之类的详细运动数据信息。

赛博“小白盒“无线3D智能康复评估系统

市场对IMU用于碰撞和格斗运动以及军事训练的兴趣日益增加。高速碰撞会导致头部和躯干加速运动，从而使IMU适用于撞击检测。

根据统计，对于头部撞击、拦截等这类检测而言，基于头盔的IMU传感器的大多数算法和模型都是有效且可靠的。

IMU如何从身体的不同位置计算？

IMU传感器的位置非常重要，原因有几个，首先是舒适性。例如，某些运动碰撞很常见，是比赛的正常部分，如果传感器在撞击或跌落时对身体产生碰撞，则传感器可能会在使用过程中损坏或引起疼痛。IMU的放置对于有效性和准确性要求也很重要。将传感器放置在运动员的质量中心附近确实可以实现更真实的测评，但是舒适性和人体工程学特性使上背部成为运动员运动分析产品的主要佩戴位置。

为了创建强健的算法，必须进行多轮修订，例如计划的运动和训练。优秀的算法与人体工学设计相辅相成，会与传感器的佩戴位置以及该位置与人体各关节活动动作相互作用。

硬件和软件的特征和功能

如前所述，IMU的硬件系统通常是可穿戴的，这意味着它必须是防水、小型、无线和电池供电的系统，并且需要数据存储。使IMU运动传感器与众不同的是，可以对它们进行编程和设计，以解决训练中的实际问题，对运动员的动作进行精细分析。

现在，IMU传感器的无线数据是连续的且实时的，并且可以提供实时反馈。IMU传感器之间的主要区别在于，现在的一些产品已经可以与智能设备一起使用。

虽然完整的IMU运动捕捉系统仍在使用计算机上的软件，但一些小型设备已经可以无线连接到平板电脑或智能手机。某些系统确实可以连接到计算机这样的传统设置，但其中大多数主要用于研究或企业级应用。

IMU传感器的强项之一是它们收集海量数据，因此对机器学习和人工智能领域的应用正在增长。体育行业的IMU运动传感器测评系统解决方案大多数软件程序都是管理团队数据的Web应用程序，也可提供API连接到其他平台（例如运动员管理系统）。

运动教练和医疗人员的专业解决方案

国内外市场有大概一百多家公司向运动爱好者和研究人员提供IMU运动传感器测评系统解决方案，并且产品的营业额增长快速。我们提供以下公司和产品的列表，以使您深入了解适合您的优秀产品，可以使您做出明智的选择。

Motus

这家美国公司专门从事棒球跟踪，但从技术上讲，其产品可用于其他运动和身体动作。由于投手中肘部和肩部受伤的频率较高，因此Motus具有运动跟踪的能力，Motus绑带可以跟踪手臂的运动，并具有特定的度量标准，可告知用户疲劳，异常的运动力学和潜在的代偿问题。

Runscribe

大多数商用跑步分析传感器系统仅设计用于踏频，但Runscribe使用其指标来评估整个脚部的触地。目前，该产品更倾向于运动发烧友和专业竞技运动，这意味着它可以满足高端用户和耐力训练中一些教练的需求。可穿戴式传感器安装在运动鞋的后部或鞋带的顶部，使其易于使用，适用于各种运动。耐力赛跑者，甚至是一英里跑和其他中长跑运动员，都可以从该系统中受益。

赛博康复“小白盒”

赛博飞特信息技术（北京）有限公司作为国内专注于人体运动功能分析和服务的商业公司，专注于人体步态、平衡、关节活动度、足底压力、动作模式等运动功能链分析、可穿戴设备以及康复中心管理系统的设计与开发。通过一套小型智能康复评估系统，能够快速测评步态、平衡、跳跃、关节灵活性、力量等运动表现能力，为物理治疗师、私人教练、竞技体育教练员或体能教练制定康复和训练计划提供定量、客观、科学的数据支持。

VERT

VERT更像是跳跃跟踪产品，而非跳跃测试系统，因为它可以估计跳跃的工作率。该系统设计为可围在腰部，在排球队中很受欢迎。篮球作为高收入的专业运动，也已使用可穿戴GPS或跟踪系统进行跳跃分析。近年来，该系统一直在面向大众消费者进行营销，一些团队已将其用作跳跃运动员的工作量自动化评估的方法。

Assess2Perform

这家美国公司生产三种产品，分别针对球、身体和杠铃的运动跟踪市场。创始人在医疗和运动表现领域拥有10多年的经验，创建了一套完整的解决方案系列，可增强教练、康复专家和研究人员的能力。Assess2Perform的主要目标是为所有水平的运动和健身人士提供实用的解决方案，并为健康和康复市场的专业人员提供支持。

Xsens

Xsens总部位于荷兰，在全球设有办事处，是大型工业和体育行业的企业解决方案。Xsens是一个完整的交钥匙解决方案，可用于包括研究在内的实验性活动。该公司在体育市场上越来越受欢迎，并且拥有可用于协调数据的跟踪工具。该公司提供3D运动捕捉，可用于研究、制造、康复和工人安全。

Triton Wear

这家位于加拿大的公司专注于游泳运动。每个TritonWear传感器都旨在检测水中的波动或加速度，这些度量标准有助于查看每冲程距离的整体模式以及游泳特有的类似指标。TritonWear作为企业级的产品，数据足够复杂，可以进行深度分析，因为它可以检测到微小的动作，例如呼吸模式和水下时间。除了收集所需要的数据指标外，该解决方案对于构建锻炼计划也很有用。

IMeasureU

这家位于新西兰的公司吸引了一些职业运动团队，并于2017年中被Vicon收购。IMeasureU在美国科罗拉多州丹佛市设有总部，并宣称费城76人队是其客户之一。除了NBA外，在过去两年中，一些职业球队还尝试了该系统。该算法是一种简单的应变计算，可检测脚步冲击，然后使用蓝牙将数据发送到智能设备。该产品还可以用于其他方式，但是到目前为止，大多数开发都是针对诸如篮球和基于跑步的野外运动的冲击负荷跟踪数据。

Plantiga

Plantiga提供了一个运动分析平台，该平台由配备传感器的鞋垫支持。他们通过测量跑步、跳跃和方向改变过程中每一次足部触地的加速度来量化特定运动的生物力学。该公司的鞋垫可插入现有的运动鞋，并在训练和比赛中捕获身体性能和不对称数据。然后，基于云算法会将数据转换为指标和见解，用户可以在Plantiga的Web和移动应用程序上与之进行交互。该解决方案可帮助教练员，理疗师和教练对运动员进行筛选，并确定可训练的不足之处，以防止受伤，指导运动培训并改善身体姿态表现。总部位于加拿大温哥华的Plantiga的产品引起了北美四个主要体育联盟和其他职业体育组织（例如美国网球协会）的关注。

IMU市场的未来是未知的，但是可能发生的事情是增加更多的产品选择，减少设备的尺寸和成本。IMU运动传感器的实用性和可靠性在标准上已被接受为数据收集的适当运动科学工具，除了硬件公司，我们可能未来还会看到各类软件厂商的发力，以及创新带来的新机遇。

根据您的需求选择适合的IMU运动传感器测评解决方案

IMU运动传感器作为人体动力学和运动学数据收集的有力工具，其实用性和可靠性在标准上已被体育和医疗界普遍接受。

IMU传感器有价值的地方在于，专业的数据分析满足不同细分运动市场的需求。训练有素的体育专业人士可以将IMU工具与其他系统结合使用，以确定他们使用传感器收集的数据标准，让大数据为康复治疗和运动分析插上科学的翅膀。

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