一种基于四元数的实时人体姿态监督训练矫正系统
阅读：1008发布：2020-08-07
专利汇可以提供一种基于四元数的实时人体姿态监督训练矫正系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于四元数的实时人体 姿态 监督训练矫正系统，包括标深度视频采集装置，用于采集受训者 深度图 像 信息；人体姿态分析处理模 块 ，用于实时分析处理受训者主要关 节点 信息。心电信息采集装置，用于采集并传输受训者心电信息；人体心态分析处理模块，用于分析处理受训者心率、呼吸 频率 等从而得到受训者紧张程度、疲劳程度、情感变化等信息。本发明同时满足自我训练、辅助教练和专业教师对受训者进行数字化矫正以及实时监督受训者心态或身体机能变化的需求，适用于全部的需要对人体姿态进行监督训练矫正的领域。，下面是一种基于四元数的实时人体姿态监督训练矫正系统专利的具体信息内容。
1.一种基于四元数的实时人体姿态监督训练矫正系统，其特征在于，包括：
深度视频采集装置，用于实时获取目标区域内的受训者在进行训练时实时姿态的三维深度信息；
心电信息采集装置，用于捕捉受训者在进行训练时的实时心电信号；
人体姿态分析处理模块，利用深度视频采集装置所获取的三维深度信息获取受训者的三维虚拟骨骼模型，获得三维虚拟骨骼模型中各骨骼节点的四元数，从而得到受训者肢体以各骨骼节点为原点的转动角度，通过转动角度计算得到各骨骼节点的位置信息、旋转信息及移动信息；
人体心态分析处理模块，依据心电信息采集装置采集到的心电信号计算得到表征受训者心态变化的数据；
监督矫正显示模块，用于实时地显示通过人体姿态分析处理模块得到的受训者的位置信息、旋转信息及移动信息及通过人体心态分析处理模块得到的表征受训者心态变化的数据。
2.如权利要求1所述的一种基于四元数的实时人体姿态监督训练矫正系统，其特征在于，还包括标准姿态数据库，用于储存相应领域标准姿态的视频、图像、文字信息，相应领域的受训者根据标准姿态数据库内的视频、图像、文字信息进行模仿及自我检测，从而进行自主训练。
一种基于四元数的实时人体姿态监督训练矫正系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于四元数以及体域网应用的、可实时获取姿态信息的、使用简单方便快捷高效的姿态监督训练矫正系统，涉及四元数理论应用、机器视觉技术以及体域网技术，可应用于服务、形体培训教学、体育训练以及康复训练等需要对人体姿态进行监督训练矫正的领域。
背景技术
[0002] 目前，随着科学的进步以及人们对人体姿态重视水平的提高，视如服务、表演以及体育训练等领域对受训者的姿态在精准度的要求水平也是越来越高。传统的姿态矫正方法主要依赖于教练或者专业老师积累的深厚经验以及不断的用语言来指出受训者所表现出来的不标准姿态。这种传统的姿态训练矫正方法受到训练时间成本、受训者理解能力、受训者人数等诸多限制。
[0003] 四元数(Quaternions)，在数学、物理学和计算机图形学中具有很高的应用价值，四元数可表示三维矢量和物体的旋转，提供了一个比旋转矩阵更为有效的方法。用四元数表达与使用传统的旋转矩阵相比具有3个优点：第一，几何意义明确；第二没有冗余信息；第三，计算简单快捷。四元数直观、精简、快捷的优点奠定了人体姿态监督训练矫正系统的监督实时性以及分析的快速性。
[0004] 深度视频采集装置(Kinect)，当今实用性最高的深度视频图像获取装置。能获取区域内人或物的彩色图像、三维深度信息以及语音信息，通过一定的模式识别算法进行数据处理，获取所需传感信息。在虚拟骨骼模型及算法的帮助下，系统可识别人体的20个关键部位的骨骼节点，用于人体骨架的提取、获取受训者的三维模型以及主要关节点的四元数信息等。
[0005] 机器视觉技术，即采用机器代替人眼来做测量和判断。主要用计算机来模拟人的视觉功能，是在实现对人眼简单延伸的基础上，增加人脑的一部分功能——从客观事物的图像中快速获取大量信息，进行自动处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制的计算机软件技术。
[0007] 生物电传感器，可以捕捉到人身体和心脏发出的电信号，经过数字化信号处理后，输出准确、详细的人体相关信息。心态可以影响姿态，生物电传感器可以用于检测受训者的的身心状况，从而能够对人体姿态的训练矫正起到更加科学的辅助作用，并全面提升受训者的身心状况。
[0008] 现有技术公开了采用特定传感器识别人体关节及运动姿态的辅助装置以及利用示范动作与受训者动作对对比的教学辅助系统。例如中国专利申请CN103390174A公开了一种基于人体姿态识别的无佩戴装置的体育教学辅助系统。该系统通过对标准示范动作与受训者动作进行运动参数上的对比，从而提示受训者的不规范动作达到体育教学训练辅助的目的。例如中国专利申请CN103638670A公开了一种短跑运动员加速与途中跑节奏综合诊断系统。该系统借用诸如压力、加速度等传感器以及运动摄像等设备从而达到同步测试和快速诊断反馈的效果。例如中国专利CN103598889A公开了一种基于Kinect视觉步态分析的情境交互康复训练方法。该方法是利用虚拟情境交互的方法解决使用者主动进行下肢康复训练方法。
[0009] 然而上述已公开的系统或者方法中均存在着仅着重于某方向的快速性或者完备性的不足，综合起来如下：完全借助佩戴传感装置或者完全依靠摄像装置，没有结合传感器使用和视频分析双方的优点，这使得系统的完备性不足；利用标准示范动作来作为对比范本，这会使得计算复杂、处理时间较长，使得训练时长以及内容变得十分不确定；只注重受训者姿态上的变化，忽略人的心态可以影响姿态这一重要的训练前提，这会使得训练在某些时刻难以正常进行；应用领域略显局限，应用范围不够广泛。
发明内容
[0010] 本发明的目的是结合四元数理论、机器视觉应用技术以及体域网应用技术，提出一种视频分析与生物电传感器结合的，可满足自我训练、辅助教练和专业教师对受训者进行数字化矫正以及实时监督受训者心态或身体机能变化的需求的，可以适用于几乎全部的需要对人体姿态进行监督训练矫正的领域的可以满足实时性、高效性的一种实时人体姿态监督训练矫正系统。
[0011] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于四元数的实时人体姿态监督训练矫正系统，其特征在于，包括：
[0012] 深度视频采集装置，用于实时获取目标区域内的受训者在进行训练时实时姿态的三维深度信息；
[0013] 心电信息采集装置，用于捕捉受训者在进行训练时的实时心电信号；
[0014] 人体姿态分析处理模块，利用深度视频采集装置所获取的三维深度信息获取受训者的三维虚拟骨骼模型，获得三维虚拟骨骼模型中各骨骼节点的四元数，从而得到受训者肢体以各骨骼节点为原点的转动角度，通过转动角度计算得到各骨骼节点的位置信息、旋转信息及移动信息；
[0015] 人体心态分析处理模块，依据心电信息采集装置采集到的心电信号计算得到表征受训者心态变化的数据；
[0016] 监督矫正显示模块，用于实时地显示通过人体姿态分析处理模块得到的受训者的位置信息、旋转信息及移动信息及通过人体心态分析处理模块得到的表征受训者心态变化的数据。
[0017] 优选地，还包括标准姿态数据库，用于储存相应领域标准姿态的视频、图像、文字信息，相应领域的受训者根据标准姿态数据库内的视频、图像、文字信息进行模仿及自我检测，从而进行自主训练。
[0018] 应用如上系统，使得本发明与现有技术或理论观点做比较后，创新之处和积极效果如下：四元数应用的快速准确性，是奠定当前能推出此实时人体姿态监督训练矫正系统的核心理论基础。机器视觉技术的逐步成熟，是推动此实时人体姿态监督系统的原动力。体域网技术的快速发展，是辅助此实时人体姿态监督系统的坚强后盾。本发明特有的实时性、高效性可以同时满足自我训练、辅助教练和专业教师对受训者进行数字化矫正以及实时监督受训者心态或身体机能变化的需求，并可以适用于几乎全部的需要对人体姿态进行监督训练矫正的领域。附图说明
[0019] 图1为一种基于四元数的实时人体姿态监督训练矫正系统框图；
[0020] 图2为人体姿态分析处理模块工作流程图；
[0021] 图3为人体心态分析处理模块工作流程图；
[0022] 图4为第一实例的专业教师对受训者进行数字化矫正及心态监督流程框图；
[0023] 图5为第二实例的自我训练及身体机能变化监督流程框图。
具体实施方式
[0024] 为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0025] 应理解，本发明的各模块或各个步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个装置上，也可以分布在多个装置所组成的网络上，可选地，他们可以用计算机装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限于任何特定的硬件和软件的结合。
[0026] 同样地，本发明所述实例仅用于说明本发明而不用于限定本发明的范围，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变换。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0027] 图1是本发明提供的一种基于四元数的实时人体姿态监督训练矫正系统的系统整体框图。图2是本发明系统中人体姿态分析处理模块的工作流程图，图3是本发明系统中人体心态分析处理模块的工作流程图。
[0028] 如图1所示，本系统由：标准姿态数据库、深度视频采集装置、心电信息采集装置、人体姿态分析处理模块、人体心态分析处理模块以及监督矫正显示模块几部分组成。
[0029] 标准姿态数据库，用于储存相应领域标准姿态的视频、图像、文字信息，便于受训者自主训练时模仿及自我检测，可以根据应用领域的不同对标准姿态数据库随时进行更新及精简。该标准姿态数据库并不现定于计算机内部所建数据库，也可以利用现有的各类存储装备，如只读存储器、移动硬盘等建立可移动/更改的标准姿态存储单元。
[0030] 深度视频采集装置，实时获取目标区域内受训者的三维深度信息，应用于获取受训者的三维信息以及对人体骨架的提取。该深度视频采集装置并不仅仅限于Kinect，也可以利用其它深度摄像装置或者利用两个非深度摄像装置所组成的系统来获取深度视频信息。
[0031] 心电信息采集装置，主要指生物电传感器以及数据采集系统，可以用于捕捉到受训者身体和心脏发出的电信号，并通过数据传输装置蓝牙4.0进行实时数据传输。心电信息采集装置小巧轻便，不会对受训者的姿态以及训练状态造成任何影响。该心电信息采集装置不仅仅限于生物电传感器与蓝牙4.0传输方式的组合，也可以采用其他传感器，例如温度、湿度等来获取人体心态信息，可以采用其他传输方式，例如其他型号的传输装置、无线网络传输方式、物联网等等。
[0032] 人体姿态分析处理模块。利用深度视频采集装置所获取的三维深度信息，结合四元数理论、虚拟骨骼模型及人体姿态模型的四元数表述算法，用于实时获取受训者的三维模型以及20个主要关节点的位置参数和四元数等信息。其中，四元数可以表征受训者肢体以任意点为原点的转动角度以及方向，结合相邻图像帧的时间间隔也可以表征相应关节点的移动距离
[0033] 人体心态分析处理模块。利用生物电传感器以及数据采集系统获取的电信号，结合相应的分析处理算法，用于实时表征受训者心态变化以及标注出特定区域。其中，通过采集心电数据，能够准确地显示心率、呼吸频率、心电图，并根据相应算法全面分析提取到的心率信息，准确地计算出情感起伏程度、疲劳程度、紧张程度等。
[0034] 监督矫正显示模块。用于实时地显示人体姿态以及心态的变化，友好地显示数据的分析处理结果，并以图像化、数字化的形式向使用者进行展示，方便自我训练时的姿态反馈矫正，也有利于教练以及专业教师对受训者姿态进行反复、程序化地分析以及对受训者姿态进行数字化地矫正。
[0035] 本发明的工作过程为：
[0036] 首先，以表演行业中专业教师对待培训模特进行站姿、走姿、台风的训练为例，阐述本系统在辅助教练和专业教师对受训者进行数字化矫正以及实时监督受训者心态或身体机能变化方向的应用。图4是本发明系统对于此实例的应用流程图。
[0037] 训练开始前，应确保受训者佩戴心电采集装置并且深度视频采集装置已经处于工作状态下。当训练开始时，心电采集装置以及深度视频采集装置会不断地向人体姿态分析处理模块以及人体心态分析处理模块传输三维人体信息以及心电信息。
[0038] 人体姿态分析模块凭借四元数快速、精准、计算简单等优点，在三维人体信息传输到数据融合模块的同时经过统一的数据处理便可以得到每一帧图像中受训者主要关节点的位置信息、旋转信息、移动信息等并储存起来方面后续查看，同时在监督矫正显示模块中将原始视频图像、数字化的信息的视频图像展示给专业教师观看。
[0039] 人体心态分析模块在获取心电信号后，经过统一的数据处理便可以在监督矫正显示模块中绘制受训者的心电图。在当次训练结束后，人体心态分析模块会根据当次训练时间段的心电数据分析受训者的心率、呼吸频率等，从而获取当次训练时间段中受训者的情感起伏程度、紧张程度、疲劳程度等，保存起来并在监督矫正显示模块中系统化的展示个专业教师观看。
[0040] 专业教师可以通过观看和查看监督矫正显示模块中显示的受训者当前以及当次受训时段内的姿态以及心态信息，结合受训者的状态以及身体机能调整训练目标、强度、时长等。
[0041] 与此同时，监督矫正显示模块所显示的内容也可帮助受训者从旁观者的角度自行了解自己的姿态信息，也有助于受训者对训练内容的理解并推动训练的快速进行。而且，在第一个受训者接受到专业教师指导后自行训练过程中，专业教师可以对下一个受训者进行姿态监督训练矫正，这样使训练既提高了效率，节约了时间成本也不再受训练人数的限制。
[0042] 其次，以康复训练领域中，受训者使用此系统自行进行姿态监督训练矫正为例，阐述本系统在自我训练领域上的应用。图5是本发明系统对于此实例的应用流程图。
[0043] 训练开始前，需保证受训者佩戴心电采集装置并且深度视频采集装置已经处于工作状态下。训练开始之前，受训者可以自行选择观看标准姿态数据库中的信息，并制定自我监督训练矫正计划。当训练开始时，心电采集装置以及深度视频采集装置会不断地向人体姿态分析处理模块以及人体心态分析处理模块传输三维人体信息以及心电信息。
[0044] 人体姿态分析模块凭借四元数快速、精准、计算简单等优点，在三维人体信息传输到数据融合模块的同时经过统一的数据处理便可以得到每一帧图像中受训者主要关节点的位置信息、旋转信息、移动信息等并储存起来方面后续查看，同时在监督矫正显示模块中将原始视频图像、数字化的信息的视频图像展示给受训者自行观看。
[0045] 人体心态分析模块在获取心电信号后，经过统一的数据处理便可以在监督矫正显示模块中绘制受训者的心电图。在当次训练结束后，人体心态分析模块会根据当次训练时间段的心电数据分析受训者的心率、呼吸频率等从而获取当次训练时间段中受训者的疲劳程度、情感起伏程度、紧张程度等，保存起来并在监督矫正显示模块中系统化的展示受训者自行观看。
[0046] 受训者通过监督矫正显示模块中当前显示或者已储存的姿态信息自行与标准姿态最比对进行自我姿态矫正，通过显示的心率、疲劳度等信息自行调节训练强度、时长等。这样，对于进行康复训练的人来说，既可以根据自己的实际情况俩自行调整训练目标又可以节约请相关专业人员进行指导训练的金钱成本以及时间成本。
[0047] 本发明特有的实时性、高效性可以同时满足自我训练、辅助教练和专业教师对受训者进行数字化矫正以及实时监督受训者心态或身体机能变化的需求，可以适用于几乎全部的需要对人体姿态进行监督训练矫正的领域，降低了训练成本，提高了训练效率。
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