一種基于單目視頻人體動(dòng)作感知的上肢訓(xùn)練系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、機(jī)器視覺及模式識(shí)別領(lǐng)域，尤其涉及一種基于單目視 頻人體動(dòng)作感知的上肢訓(xùn)練系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注健康問題，大量的肢體訓(xùn)練方法也隨之產(chǎn) 生。但多數(shù)專業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目主要集中于健身場(chǎng)所，費(fèi)用高昂且體積較大的訓(xùn)練設(shè)施不利于家 庭的購(gòu)置。一些無需訓(xùn)練器材的家庭訓(xùn)練方法由于單調(diào)乏味，經(jīng)常造成使用者的厭煩情緒 而中途放棄。因此，開發(fā)一套可以用于日常訓(xùn)練，且不乏趣味的訓(xùn)練系統(tǒng)是極為必要的。人 機(jī)交互技術(shù)的出現(xiàn)給此類問題的解決提供了可能。
[0003] 伴隨著世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)的問世，人機(jī)交互技術(shù)成為人類與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信交 互的通道，逐漸在各領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注，并且始終伴隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展。二十一世紀(jì) 以來，多通道、多媒體的智能人機(jī)交互開始出現(xiàn)，這種交互方式是用例如:語音、手勢(shì)、姿態(tài)、 表情等人體感覺和動(dòng)作作為輸入通道，以并行的方式與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互。人體作為計(jì)算機(jī) 的輸入，不再需要中間的媒體就可以實(shí)現(xiàn)和計(jì)算機(jī)的通訊，具有自然、直觀、易于學(xué)習(xí)等優(yōu) 點(diǎn)。
[0004] 目前的人機(jī)交互技術(shù)主要分為基于依附性傳感器設(shè)備和基于視覺兩種方式。依附 性傳感器設(shè)備通過在使用者身上安放一些傳感器來獲取使用者的空間和運(yùn)動(dòng)信息，進(jìn)而作 為輸入實(shí)現(xiàn)交互控制。但基于視覺的方法是一種無接觸的信息獲取手段，較少地限制用戶 的運(yùn)動(dòng)，更適于提供自然的交互控制?；谌藱C(jī)交互技術(shù)的系統(tǒng)需要用戶為被控單位提供 指令來進(jìn)行控制，即要通過傳感器來獲取人體的信息，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后形成指令傳輸。
[0005] 人機(jī)交互技術(shù)使人們可以通過虛擬游戲模擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練場(chǎng)景，從而為參與者提供相 對(duì)"真實(shí)"的訓(xùn)練環(huán)境，給予參與者極強(qiáng)的沉浸感與興趣度，讓使用者獲得更好的訓(xùn)練體驗(yàn)。 因此，基于人機(jī)交互技術(shù)設(shè)計(jì)一套操作簡(jiǎn)便、參與度高、訓(xùn)練方式豐富的訓(xùn)練系統(tǒng)是十分有 意義的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種基于單目視頻人體動(dòng)作感知的上肢訓(xùn)練系統(tǒng)，本發(fā)明搭建了方 便使用的新型上肢訓(xùn)練系統(tǒng)，該訓(xùn)練系統(tǒng)建立在視覺運(yùn)動(dòng)捕捉的基礎(chǔ)上，利用人機(jī)交互的 手段實(shí)現(xiàn)使用者和游戲的交互，從而在游戲中達(dá)到上肢訓(xùn)練效果，詳見下文描述：
[0007] -種基于單目視頻人體動(dòng)作感知的上肢訓(xùn)練系統(tǒng)，包括:計(jì)算機(jī)，所述上肢訓(xùn)練系 統(tǒng)還包括:與計(jì)算機(jī)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊曨l攝像頭；
[0008] 所述視頻攝像頭，用于捕捉人體的運(yùn)動(dòng)，通過USB傳輸所述視頻數(shù)據(jù)；
[0009] 所述計(jì)算機(jī)，用于接收所述視頻數(shù)據(jù)，并對(duì)所述視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，完成手部運(yùn)動(dòng) 軌跡跟蹤，通過跟蹤的結(jié)果識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作；
[0010] 所述計(jì)算機(jī)，還用于實(shí)現(xiàn)與游戲平臺(tái)的交互，獲取訓(xùn)練評(píng)價(jià)參數(shù)，反饋給使用者。
[0011] 其中，所述對(duì)所述視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，完成手部運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤具體為：
[0012] 利用H分量的顏色直方圖的反投影圖像建立手部顏色的概率分布圖像，并計(jì)算質(zhì) 心，得到初始跟蹤位置；
[0013] 通過Camshift算法對(duì)以后的每一幀圖像自動(dòng)調(diào)整搜索目標(biāo)位置及窗口，確定每一 幀中目標(biāo)的位置，獲取手勢(shì)圖像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。
[0014] 其中，所述通過跟蹤的結(jié)果識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作具體為：
[0015] 通過聚類分析對(duì)手勢(shì)圖像進(jìn)行分割，獲取分割后的手勢(shì)圖像；
[0016] 提取分割后的手勢(shì)圖像輪廓，選取線特征來表征手勢(shì)的邊界圖像信息；
[0017] 對(duì)傅里葉描述子進(jìn)行歸一化處理，通過傅里葉描述子從邊界圖像信息中提取邊界 特征；
[0018] 通過模式識(shí)別對(duì)邊界特征進(jìn)行分類判別，從而判斷出手勢(shì)的種類。
[0019] 其中，所述訓(xùn)練評(píng)價(jià)參數(shù)具體為:獲取關(guān)節(jié)角度。
[0020] 在獲取關(guān)節(jié)角度之前，所述訓(xùn)練系統(tǒng)還包括:采用幀間差分法對(duì)運(yùn)動(dòng)上肢進(jìn)行檢 測(cè)。
[0021] 進(jìn)一步地，所述獲取關(guān)節(jié)角度具體為：
[0022] 構(gòu)建運(yùn)動(dòng)上肢骨架模型；
[0023] 采用霍夫變換對(duì)檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)的上肢進(jìn)行直線擬合，擬合直線與垂直方向的夾角即 是要獲取的關(guān)節(jié)角度。
[0024]進(jìn)一步地，所述訓(xùn)練系統(tǒng)還包括：
[0025] 根據(jù)關(guān)節(jié)角度的變化來評(píng)價(jià)使用者的訓(xùn)練效果，給予合理的后期訓(xùn)練建議。
[0026] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：
[0027] 1、該訓(xùn)練系統(tǒng)不僅能夠具有定量評(píng)價(jià)體系，而且能夠激發(fā)使用者的訓(xùn)練主動(dòng)性， 彌補(bǔ)現(xiàn)有訓(xùn)練手段的不足，使其能夠應(yīng)用于社區(qū)和家庭。
[0028] 2、傳統(tǒng)的上肢訓(xùn)練不但操作繁瑣，而且容易使使用者產(chǎn)生厭煩感，進(jìn)而影響訓(xùn)練 效果。該訓(xùn)練系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)沉浸感強(qiáng)，增加了訓(xùn)練過程的趣味性和使用者的積極性； 同時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)增加了使用者訓(xùn)練過程的安全性;并且一些具體的訓(xùn)練輔具可以用虛擬 的物品替代，節(jié)省訓(xùn)練所需的人力物力。
[0029] 3、該訓(xùn)練系統(tǒng)可以用于日常家庭上肢訓(xùn)練，評(píng)估訓(xùn)練效果等;有望獲得可觀的社 會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益;其應(yīng)用前景廣泛，甚至可以應(yīng)用于康復(fù)治療領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0030] 圖1為基于單目視頻人體動(dòng)作感知的上肢訓(xùn)練的示意圖；
[0031 ]圖2為一種基于單目視頻人體動(dòng)作感知的上肢訓(xùn)練系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖3為手勢(shì)邊界提取示意圖；
[0033] 圖4為人體骨架模型示意圖；
[0034]圖5為上肢局部坐標(biāo)模型。
【具體實(shí)施方式】
[0035]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步 地詳細(xì)描述。
[0036]本發(fā)明實(shí)施例主要采用機(jī)器視覺系統(tǒng)和跟蹤系統(tǒng)。其中，機(jī)器視覺系統(tǒng)(例如攝像 機(jī))常常被用來提高位置估計(jì)的準(zhǔn)確度。根據(jù)是否在肢體上依附標(biāo)記物，跟蹤系統(tǒng)可以分為 有可視標(biāo)簽的和無標(biāo)簽的。本發(fā)明實(shí)施例提供的訓(xùn)練系統(tǒng)采用有標(biāo)簽的跟蹤方式，以簡(jiǎn)化 算法復(fù)雜度，提尚運(yùn)算速度。
[0037] 實(shí)施例1
[0038] -種基于單目視頻人體動(dòng)作感知的上肢訓(xùn)練系統(tǒng)，參見圖1和圖2,該上肢訓(xùn)練系 統(tǒng)包括：
[0039] 視頻攝像頭1作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用于捕捉人體的運(yùn)動(dòng)，通過USB傳輸視頻數(shù)據(jù)；
[0040] 計(jì)算機(jī)2接收視頻攝像頭1傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)，并通過軟件平臺(tái)對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分 析，完成手部運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作；同時(shí)實(shí)現(xiàn)和游戲平臺(tái)的交互，獲取訓(xùn)練評(píng)價(jià)參 數(shù)，反饋給使用者。
[0041] 具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，該上肢訓(xùn)練系統(tǒng)包括：
[0042] 1)搭建軟硬件平臺(tái)：
[0043]設(shè)計(jì)規(guī)定人體動(dòng)作，在游戲系統(tǒng)的操作說明指導(dǎo)下完成規(guī)定的動(dòng)作。
[0044] 2)通過視頻攝像頭1采集使用者的動(dòng)作視頻，實(shí)時(shí)地進(jìn)行一部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理。
[0045] 例如:運(yùn)動(dòng)追蹤和手勢(shì)的識(shí)別，將識(shí)別后的操作指令傳輸給游戲，完成相應(yīng)游戲任 務(wù)。同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分