基于視覺傳感的智能運動訓(xùn)練系統(tǒng)的研發(fā)

詹彬 周磊

摘 要：針對當(dāng)前大學(xué)生體質(zhì)素質(zhì)下降的狀況，以及體質(zhì)測試設(shè)備簡陋易損壞，操作繁瑣等缺點，我們結(jié)合最新體感識別技術(shù)，開發(fā)了一套完整的無接觸體質(zhì)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用微軟Kinect V2智能攝像頭，可實時準(zhǔn)確地獲取人體骨架關(guān)節(jié)點的三維空間位置信息并將其轉(zhuǎn)化為動作數(shù)據(jù)流，與設(shè)計有限狀態(tài)機模板數(shù)據(jù)進行模式匹配，完成靜態(tài)骨骼識別。利用Kinect的優(yōu)勢進行步態(tài)識別算法的設(shè)計，以實現(xiàn)運動識別。同時該方法還具有無接觸、多人檢測、一機多測等優(yōu)勢，智能打分機制可將用戶運動數(shù)據(jù)實時上傳至Web。

關(guān)鍵詞：運動識別；DTW動態(tài)匹配算法；Kinect V2；骨骼識別；步態(tài)識別

中圖分類號：TP39；TH789 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）09-00-04

0 引 言

學(xué)生體質(zhì)健康狀況逐漸成為社會大眾關(guān)注的焦點。為徹底貫徹落實健康第一的指導(dǎo)思想，切實加強學(xué)校體育工作，促進學(xué)生積極參加體育鍛煉。國家頒發(fā)的《國家學(xué)生身體素質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)》中明確要求各個高校在對各年級學(xué)生進行《素質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)》測試工作的同時還需每年對在校生進行一次體質(zhì)健康測試。

人民生活水平的提高和健康意識的發(fā)展是促進體質(zhì)測試系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵。在滿足人民的生活需求后，人們就會越加關(guān)注自身的身體素質(zhì)[1-3]。隨著網(wǎng)絡(luò)、計算機以及數(shù)字通信等技術(shù)的快速發(fā)展，美國和日本等多個國家在體質(zhì)測試相關(guān)領(lǐng)域已進入了智能化階段。而我國在體質(zhì)測試方面起步緩慢，目前更側(cè)重于測試完成后對測試數(shù)據(jù)的管理和分析，忽略了測試過程中采集數(shù)據(jù)的復(fù)雜度和誤差。目前我們設(shè)計的無接觸體質(zhì)測試系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地完成運動檢測，根據(jù)完成度給測試者打分，為學(xué)生鍛煉提供指導(dǎo)。

1 識別原理

1.1 步態(tài)識別

隨著人類社會文明程度的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的識別技術(shù)已然無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求。在這種情況下，步態(tài)識別技術(shù)應(yīng)運而生。步態(tài)識別是利用人的行為特征來對人體動作進行識別的一種生物識別技術(shù)，通過采集追蹤用戶行走動作特點來識別人的身份。步態(tài)識別步驟如下：

（1）采集視頻；

（2）對目標(biāo)視頻進行預(yù)處理；

（3）根據(jù)現(xiàn)實情況從得到的圖片中提取目標(biāo)輪廓特征；

（4）將提取到的特征和步態(tài)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進行匹配。

人體骨骼關(guān)節(jié)點3D位置信息可以作為動作識別參考點，如圖1所示。將Kinect V2追蹤采集到的3D動作骨骼25個關(guān)節(jié)點三維坐標(biāo)組合形成骨骼模板，獲得步態(tài)的數(shù)據(jù)序列[4]，經(jīng)過預(yù)處理分析用戶的步態(tài)特征。將骨骼模板樣本與該系統(tǒng)之前設(shè)置的用戶姿勢進行判斷即可識別用戶意圖，從而實現(xiàn)用戶動作識別。

1.2 Kinect識別分析

該系統(tǒng)采用微軟公司推出的一款3D攝像頭Kinect[5]傳感器。其主要優(yōu)勢在于能夠?qū)崟r抓取實驗運動場景，高效識別和傳輸骨骼信息，并且能夠?qū)κ褂谜哌M行語音識別等。Kinect主要由RGB攝像頭、深度圖像使用的紅外接收器和紅外線發(fā)射器、麥克風(fēng)陣列組成。

Kinect之所以能夠?qū)崟r抓取運動場景，主要依靠紅外攝像頭、紅外投影機、彩色攝像頭。Kinect通過紅外線發(fā)射器發(fā)射波長為830 mm的紅外光線，再由紅外線接收器接收反射回來的紅外光線，并編碼、解碼，逐幀生成深度圖像。深度圖像通過背景分離、識別人體等算法從深度圖像RGB攝像頭獲取相應(yīng)的彩色圖像。Kinect將這些圖像數(shù)據(jù)傳送至應(yīng)用程序進行處理。

總而言之，Kinect V2設(shè)備相對于普通攝像頭而言優(yōu)點繁多。普通攝像頭的缺陷主要在于過度依賴彩色圖像[6]，難以消除環(huán)境對實驗數(shù)據(jù)的影響。而Kinect V2對運動骨骼進行識別分析時依賴于深度圖像，所以較好地消除了環(huán)境的影響。軟件系統(tǒng)框架如圖2所示。

2 運動識別的實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)可分成五層。Kinect數(shù)據(jù)采集層利用Kinect智能攝像頭采集人體深度圖像、人體骨骼圖像、人體彩色圖像，并把這些信息以視頻流的數(shù)據(jù)形式傳遞給骨骼算法處理層，算法處理層對這些數(shù)據(jù)進行濾波處理與DTW模板匹配[7]。最后對經(jīng)過處理的骨骼節(jié)點數(shù)據(jù)進行運動識別層的運動匹配，在應(yīng)用層顯示運動檢測的結(jié)果和成績。體質(zhì)測試系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 DTW動態(tài)匹配算法

利用DTW算法“局部最優(yōu)，全局最優(yōu)”的思想在本運動識別系統(tǒng)中的運用，尋找模版匹配中最相近的節(jié)點，成功識別仰臥起坐運動的狀態(tài)節(jié)點。本系統(tǒng)對一個運動周期實時提取骨骼特征，本系統(tǒng)骨骼特征序列參考模版樣本數(shù)小于測試模版樣本數(shù)，即N

其中：橫坐標(biāo)為特征矩陣的時序，縱坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)骨骼數(shù)據(jù)時序，折線表示匹配最優(yōu)路徑，即相似度最高路徑。在局部最優(yōu)路徑的計算中，采用加權(quán)歐式距離計算圖中節(jié)點相似度。根據(jù)公式最終找到相似度最大的時序坐標(biāo)點。依次類推找到上圖所示的最優(yōu)路徑。

3 仰臥起坐運動的實現(xiàn)

3.1 仰臥起坐識別原理

鑒于步態(tài)識別原理的特點，特征值的采樣和提取成為該系統(tǒng)的首要難點。骨骼特征序列和運動特征序列是運動識別的兩個重要組成部分。骨骼點在三維空間的相對角度如圖5所示，將運動姿勢[9]骨骼數(shù)據(jù)點映射在Kinect V2坐標(biāo)中，如圖6所示。

運動識別時刻的某一姿勢特點在提取特征時，將由上述骨骼角度方法計算得到的相對角度組成每個骨骼的特征序列。為提高運動識別的準(zhǔn)確性和完整性，運動特征和骨骼特征[10]的提取分別針對各自的特點同步分類提取。

3.2 仰臥起坐狀態(tài)機

仰臥起坐是一種鍛煉身體的方式，身體仰臥于地墊上，屈膝約成90°，腳部平放在地面上。平地上切勿把腳部固定

（可由同伴用手按住腳踝），否則大腿和髖部的屈肌便會加入工作，從而降低了腹部肌肉的工作量。根據(jù)本身腹肌的力量雙手按放在頭部位置，且雙手越靠近頭部，仰臥起坐就越吃力。利用腹肌收縮，兩臂向前擺動，迅速成坐姿，上體繼續(xù)前屈，然后還原成坐姿，如此連續(xù)進行。狀態(tài)機流程如圖7

所示。

3.3 運動特征提取

仰臥起坐人體運動姿勢轉(zhuǎn)化如圖8所示。

上述姿勢為仰臥起坐人體側(cè)面骨骼圖，做深蹲運動時都有左右兩側(cè)骨骼節(jié)點。所有的節(jié)點包括SL（左肩），SR（右肩），EL（左肘），ER（右肘），HL（左手），HR（右手），KL（左膝），KR（右膝），F(xiàn)L（左腳），F(xiàn)R（右腳），T（臀部）。本系統(tǒng)設(shè)定和的夾角為α，和的夾角為β，和的夾角為γ，和的夾角為δ。在實際情況中，提取特征矩陣，如公式（15）所示，其中T，t分別表示深蹲運動的運動周期和完成一次深蹲運動的時間。

與上述兩個運動一致，將深蹲運動中DTW算法中一般狀態(tài)節(jié)點的相似度閾值設(shè)定為ds，單位為度。深蹲運動有兩個關(guān)鍵點，即雙臂是否水平前伸，深蹲狀態(tài)完成度是否較高。將深蹲狀態(tài)節(jié)點的相似度閾值設(shè)為dsmax，計算相似度權(quán)重為α∶β∶γ∶δ=ks1∶ks2∶ks3∶ks4。

仰臥起坐運動的關(guān)鍵是仰臥起坐的狀態(tài)動作，仰臥狀態(tài)和起坐狀態(tài)分值比為b1∶b2。以一仰臥起坐測試周期為例，每個仰臥起坐運動周期滿分為m，在實際情況下m為100分。假設(shè)測試者完成了n個深蹲運動，其中站立狀態(tài)相似度為g，仰臥起坐狀態(tài)相似度為k，根據(jù)公式得到最終成績S：

3.4 功能展示

該運動過程對運動動作規(guī)范性有嚴(yán)格要求。根據(jù)《國家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)》要求，測試者首先應(yīng)平躺在坐墊上，兩腿稍分開，屈膝呈90°左右，兩手貼于頭部。受試者坐起時兩肘觸及或超過雙膝為完成一次。仰臥時兩肩必須觸墊。如果受試者已坐起但肘關(guān)節(jié)未達到雙膝者則不計該次數(shù)。測試者站立且雙手平舉成T字型則判定測試者結(jié)束運動，同時給運動動作打分。運動過程如圖9所示。

3.5 測試結(jié)果分析

仰臥起坐運動功能的識別主要利用Kinect V2智能攝像頭采集人體骨骼數(shù)據(jù)，然后將前景和背景分離，三維空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，限幅濾波等，獲取可靠的骨骼數(shù)據(jù)。利用步態(tài)識別算法和DTW匹配算法實現(xiàn)運動識別。

在系統(tǒng)測試過程中對于運動識別算法做了多人多次的系統(tǒng)測試。取得測試樣本結(jié)果進行分析，對運動次數(shù)和運動識別率的統(tǒng)計見表1所列。

分析數(shù)據(jù)可知，誤差可能由以下原因?qū)е拢?/p>

（1）Kinect V2是基于光學(xué)感測體感技術(shù)的傳感器，周圍環(huán)境光線可能導(dǎo)致誤差產(chǎn)生；

（2）Kinect V2接收的信息由一點位攝像機采集，會有一定的圖像畸變，可能產(chǎn)生誤差。

測試結(jié)果表明該運動識別率很高，運動識別功能可靠，性能和新穎性略優(yōu)于市面上的同類產(chǎn)品。故可以判斷此運動算法有很好的識別效果，并可對運動動作做精確識別。將本系統(tǒng)運用在校園運動中，得到了老師和學(xué)生的一致好評。

4 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)體質(zhì)測試儀器易損壞，測試過程繁瑣等問題，文中設(shè)計的系統(tǒng)基于體感識別技術(shù)、骨骼追蹤技術(shù)憑借其創(chuàng)新性較好地改善了這一狀況。不僅在國內(nèi)高校建立了體驗平臺設(shè)施，同時還設(shè)置有獨立的多功能體感運動訓(xùn)練展廳，讓更多的人能體驗到無接觸式體感運動。本系統(tǒng)安裝實施使用一年多來，深受學(xué)生的喜愛，收獲到了越來越多的贊譽。隨著技術(shù)的進步，通過智能體感設(shè)備進行體制測試系統(tǒng)的研究將是未來體質(zhì)測試系統(tǒng)開發(fā)的新方向。

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