可記錄運(yùn)動(dòng)者狀態(tài)的衣服方案(下)—采用MEMS、DSP及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

　　第三個(gè)例子為拳擊比賽中的應(yīng)用。拳擊手Hutton(曼徹斯特，英國(guó))擊拳平均記錄數(shù)據(jù)為0.1秒內(nèi)達(dá)到40km/h。假設(shè)從0速度開(kāi)始進(jìn)行均勻線性加速至40km/h或11.1m/s，斜率為1.13g/s，加速度計(jì)可以輕松應(yīng)對(duì)。

　　這些數(shù)據(jù)的采樣及數(shù)字處理頻率更多取決于數(shù)值積分的準(zhǔn)確性，而不是奈奎斯特采樣定理中所需的MEMS最大輸出頻率的兩倍(2 x 1 600=3 200Hz 或 2 x 550Hz=1 100Hz)。也就是說(shuō)，是否需要傳感器所提供的最佳頻率響應(yīng)。Moven認(rèn)為奈奎斯特定理應(yīng)用于測(cè)量隨意人類運(yùn)動(dòng)所需的最大頻率，通常不高于10Hz(對(duì)于沖擊可能會(huì)稍微高些)，而約100Hz的奈奎斯特頻率應(yīng)當(dāng)足以應(yīng)付沖擊和較慢的隨意運(yùn)動(dòng)。

　　我們僅能估計(jì)很小部分的工作量。首先我們進(jìn)行角速率長(zhǎng)方形積分所需的三次乘累加，將其分量加到前一角度。假設(shè)三角函數(shù)分開(kāi)計(jì)算或由查表得出，我們僅考慮上述本源矩陣運(yùn)算。經(jīng)過(guò)軸旋轉(zhuǎn)和簡(jiǎn)單長(zhǎng)方形積分，我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)15次累乘和3次乘加，加速度被積分為速度在基準(zhǔn)坐標(biāo)系的三個(gè)分量——x，y，z，并將其累加到積分常數(shù)，也就是先前的速度。3次附加的乘加將提供坐標(biāo)系中新的x，y，z位置—這將使計(jì)算總數(shù)提至24次。注意采用不同的取向表示，如四元數(shù)可節(jié)約工作量處理性能。四元數(shù)采用4個(gè)參數(shù)。一個(gè)描述將要用于單位向量的標(biāo)尺，另外3個(gè)虛系數(shù)標(biāo)注單位向量的旋轉(zhuǎn)。

　　繼續(xù)先前的算法，假設(shè)采樣頻率可能超過(guò)要求，是電視(60fps)的兩倍，120×3200Hz=384000Hz。上述簡(jiǎn)單矩陣計(jì)算需要每秒9 216000次運(yùn)算。處理附于運(yùn)動(dòng)捕捉服的16個(gè)基于MEMS的慣性單元(2個(gè)為任選)的讀數(shù)需要大約147.5Mops(百萬(wàn)次運(yùn)算每秒)，如果只是這一項(xiàng)，DSP器件(如ADI的Blackfin)是可以輕松應(yīng)對(duì)的。

　　運(yùn)動(dòng)捕捉服和PC間的通訊采用基于藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線連接(Moven采用了經(jīng)優(yōu)化/調(diào)諧的藍(lán)牙2.0(aka1.2)Class 1。藍(lán)牙1.0和1.2擁有721kbit/s收發(fā)速率。更新的藍(lán)牙2.0規(guī)格為3Mbit/s，但實(shí)際只支持2.1Mbit/s。我們現(xiàn)在需要考慮由藍(lán)牙連接至PC所造成的限制。由于沒(méi)有其它選擇，我們只能在運(yùn)動(dòng)捕捉服上進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。每個(gè)傳感器產(chǎn)生3個(gè)加速增量的讀數(shù)，3個(gè)角速率增量和3個(gè)溫度(可在本地采用參考電壓，以幫助提高準(zhǔn)確性)。假設(shè)數(shù)據(jù)以每個(gè)慣性傳感器16bit和32bit初始字段表示，如只使用一個(gè)藍(lán)牙信道，我們需要每個(gè)傳感器發(fā)送9×16+32=176bit，一共16個(gè)傳感器共需179×16=2864bit。如前面所講的，采樣率為384000Hz，這樣，每秒傳送的總比特為每秒2864×384000bit，即約 1.1Gbits。藍(lán)牙2.0只能支持2.1Mbit/s的傳輸速率，那么 2.1Mbit/s/2864約為746采樣/秒。該采樣率可支持每周期單個(gè)樣品下的MEMS的頻率帶寬約為373Hz。藍(lán)牙1.0、1.1和1.2標(biāo)準(zhǔn)則更糟，對(duì)應(yīng)MEMS頻率約為 128 Hz，只允許每秒256次采樣 。在所有傳感器中建立的此均一速率下，不可能正確檢測(cè)足球和拳擊等劇烈運(yùn)動(dòng)的高速碰撞，但至少可以定義可支持運(yùn)動(dòng)和移動(dòng)的速度。根據(jù)Moven的經(jīng)驗(yàn)，可做到在采樣速度很低的情況下依然能可靠地捕捉人類動(dòng)作。Moven支持無(wú)線通信高達(dá)120Hz。Moven也提供有線通信，有線通信的帶寬可達(dá)512Hz，采樣率更高，足以滿足某些運(yùn)動(dòng)的苛求。