一种基于数字化场地和无线动作捕捉设备的舞蹈训练评估系统的制作方法与工艺

本发明涉及传感技术、运动生物力学和舞蹈训练自动化领域，特别涉及一种基于数字化场地和无线动作捕捉设备的舞蹈训练评估系统。技术背景舞蹈是一种在三维空间里通过身体表演来表达情感的艺术，它以人体的动作、姿态造型作为表现形式。群众性体育舞蹈能够把体育、艺术与日常生活高度结合起来，具有雅俗共赏、全民参与的特点，对于陶冶情操、克服心理障碍、提升健康素质均有显著作用，是一种极为流行并具有强大发展潜力的群众性健身运动。在对舞蹈者进行培养的过程中，对于舞蹈动作的训练和评估是十分重要的。传统的训练评估基本上单凭教练员的肉眼和经验，只能从宏观上大致了解自己的学习训练情况，涉及到具体的技术参数就无法判断，缺乏客观的、科学的指导方法和训练依据，不利于人才的选拔和培养。舞蹈的学习切忌要求不严格，舞蹈之美与每个精确、规范、完美的舞蹈动作是分不开的，如果学习过程中对舞蹈动作的规范程度要求不高，舞蹈动作将很难达到精湛的程度。传统的舞蹈分析工具都是通过视频摄像系统在整个舞蹈结束后来分析舞蹈者的舞蹈动作，本发明利用数字化场地和无线动作捕捉设备采集舞蹈者的动作信息并传输到电脑上，然后通过量化后的数据来实时分析舞蹈者的动作，并通过将舞蹈者实时采集得到的动作信息与舞蹈动作模板和知识库中动作信息进行对比来对舞蹈者的动作做出评估和实时指导。运动捕捉技术是记录人体运动信息以供分析和回放的技术。动作捕捉的分类有机械式动作捕捉、声学式动作捕捉、电磁式动作捕捉、光学式动作捕捉、惯性导航动作捕捉。捕捉的数据既可简单到记录肢体的空间位置，也可复杂到记录脸部和肌肉群的细致运动。舞蹈是通过人体的动作来表达舞蹈者思想和内容的。它本身也是用人体动作的变化展现出美的舞姿，所以对舞蹈者动作的捕捉很有必要。捕捉的信息对舞蹈教师和舞蹈学员都有着重要的意义：舞蹈教师可以通过舞蹈动作评估了解自己的教学方法是否得当，进而有的放矢地改进教学方法，提高教学质量；舞蹈动作捕捉不仅有助于舞蹈学员客观了解自己的错误劣势所在，从根本上解决学习训练中遇到的各种问题，从而有针对性的训练、改正，提高训练效果，这也能提高舞蹈训练过程中的科技含量和科学化训练水平。根据国家专利局检索中心专利查询，有针对田径训练系统的可拼装的数字化场地及步态的训练方法，申请号是：200910117111.X，公开号是：CN101590315A，其优点是可以获得运动员的动作时序参数，可以随着训练地点的转移而灵活的转移，可以提取动力学和运动学信息相结合，提高体育训练工具的灵活性及智能化程度。可拼装数字化场地模块由表面层、传感器层、传感器保护层和理化层组成；表面层位于最顶层、传感器层中的多个传感器单元由行引线、列引线连接，置于表面层和保护层之间；行引线、列引线连接到现场总线上，采集到的信号经由行引线、列引线，经过一系列处理后通过现场总线传送给计算机进行处理，计算机处理过的信息通过显示屏进行显示、动作回放。可拼装的数字化场地可以根据需要拼装成不同的形状，也可以根据训练场地的变更而拆卸、运输在拼接，实现场地的可选择性。根据国家专利局检索中心专利查询，有针对动作捕捉的装置及系统，申请号是：201120360295.5，公开号是：CN202218347U。基于多点惯性姿态测量技术的动作捕捉系统包括多个位于目标身体上的传感器节点，在使用时，需要对多个传感器节点的数据进行集中采集处理并无线传输至上位机系统，由上位机系统进行姿态恢复运算。上述两个专利分别为在数字化场地进行步态训练方法和动作捕捉装置，只是单个的介绍一个方法和装置；这些技术不能够同时分析舞蹈者的姿态信息和步态信息，也没有针对舞蹈训练评估提出有效的解决方案，对舞蹈者的训练指导作用有限。

技术实现要素：
本发明的技术解决问题：针对舞蹈训练的现有缺陷和现有技术的不足，基于数字化场地和动作捕捉技术，提出一种基于数字化场地和无线动作捕捉设备的舞蹈训练评估系统，可以运用到舞蹈的训练和评估上，这将会对舞蹈的训练水平和质量有极大的提高。为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种基于数字化场地和无线动作捕捉设备的舞蹈训练评估系统，其特征在于包括：活动式可拼装型数字化场地、无线动作捕捉设备、时钟同步器、以太网交换机、计算机和电源；所述活动式可拼装型数字化场地是由多块基于柔性阵列压力传感器制作的1米×1米正方形数字化地板组成，用于获取舞蹈者的二维足底压力分布信息；所述数字化地板由基板、柔性阵列压力传感器和塑胶材料三层复合而成；所述基板为理化板材质，厚度为20毫米；所述柔性阵列压力传感器的压力敏感点密度为每平方厘米4个点，压力敏感点均匀布置在数字化地板上，厚度为2毫米；所述塑胶材料厚度为5毫米；数字化地板侧边上留有一个电源接口、一个同步接口和一个以太网接口，电源接口、同步接口、以太网接口分别连接电源、时钟同步器和以太网交换机；数字化地板之间采用嵌入式凸凹结构相连接，根据舞蹈训练活动范围或训练场馆的大小可拼接成形状合适的数字化场地；所述无线动作捕捉设备是由多个无线动作捕捉单元和WIFI无线路由器组成；无线动作捕捉单元采用可穿戴式设计，佩戴在舞蹈者的多个肢体部位，获取舞蹈者的肢体姿态信息，并通过WIFI无线通信方式发送给WIFI无线路由器，WIFI无线路由器进而通过以太网交换机转发给计算机；无线动作捕捉单元有一个同步充电接口、一个LED指示灯和一个电源开关；同步充电接口用于给无线动作捕捉单元充电或连接时钟同步器；LED指示灯用于指示无线动作捕捉单元的状态，其中LED指示灯为绿色表示充电状态，为红色常亮表示待机状态，为红色慢闪表示已同步状态，为红色快闪表示数据采集状态；WIFI无线路由器是无线动作捕捉单元与计算机之间的中继站，WIFI无线路由器将无线动作捕捉单元发出的数据经过以太网交换机转发给计算机同时将计算机经过以太网交换机发出的指令转发给无线动作捕捉单元；所述时钟同步器用于数字化场地和无线动作捕捉设备的时间轴同步；时钟同步器包括一个电源接口、一个以太网接口和20个同步接口；电源接口用于连接电源给时钟同步器供电；以太网接口通过以太网交换机连接计算机；同步接口分别连接数字化地板和无线动作捕捉单元；所有数字化地板同步接口串联在一起连接至时钟同步器的一个同步接口上；每个无线动作捕捉单元分别连接至时钟同步器的一个同步接口上；所述以太网交换机用于计算机与数字化场地、无线动作捕捉单元以及时钟同步器之间的以太网连接和数据交换；所述计算机同步采集舞蹈者的二维足底压力分布信息和所有无线动作捕捉单元姿态信息，融合多个无线动作捕捉单元姿态信息得到舞蹈者空间姿态信息，并根据时间戳构建动作信息帧；利用动作信息帧驱动人体模型在三维空间中运动，实现舞蹈者的动作重构；计算机基于动作信息帧所构建舞蹈动作模板和知识库实现对舞蹈者舞姿的在线评估，并对舞蹈者的舞蹈动作做出实时指导和示范。所述电源为数字化场地和时钟同步器提供工作电源。所述一种基于数字化场地和无线动作捕捉设备的舞蹈训练评估系统，其特征在于：所述二维足底压力分布信息包括时间戳、足底压力中心坐标、足底压力分布数据和足底总压力值；数字化场地采样间隔为10毫秒；所述足底压力中心坐标是以数字化场地中的一个压力敏感点为参考原点，并根据数字化地板的尺寸和柔性阵列压力传感器压力敏感点的密度可以计算得到；足底压力分布数据包括所有受压敏感点的压力值；足底总压力值是所有受压敏感点的压力值总和。所述一种基于数字化场地和无线动作捕捉设备的舞蹈训练评估系统，其特征在于：所述无线动作捕捉单元分别佩戴在舞蹈者的17个部位，17个部位分别为：舞蹈者的头部、左肩、右肩、左上臂、右上臂、左下臂、右下臂、左手、右手、胸口、腰、左上腿、右上腿、左下腿、右下腿、左脚和右脚。所述一种基于数字化场地和无线动作捕捉设备的舞蹈训练评估系统，其特征在于：所述空间姿态信息包括时间戳、加速度、角速度、地磁以及四元数、欧拉角；所述无线动作捕捉单元采样间隔为10毫秒；所述空间姿态信息所在三维空间是以二维足底压力分布信息所在坐标系参考原点为原点，以二维足底压力分布信息所在坐标系X轴方向作为X轴方向，以二维足底压力分布信息所在坐标系Y轴方向作为Y轴方向，以垂直二维足底压力分布信息所在坐标系向上方向为Z轴方向。所述一种基于数字化场地和无线动作捕捉设备的舞蹈训练评估系统，其特征在于：所述动作信息帧包括时间戳、二维足底压力分布信息、所有无线动作捕捉单元姿态信息、舞蹈者空间姿态信息和舞蹈者肢体节段长度信息；通过动作信息帧可以获取舞蹈者的足底压力分布参数：足底压力中心坐标、足底压力分布数据、足底总压力值以及舞蹈者足底在数字化场地上的移动轨迹、移动速度、移动距离；通过动作信息帧可以获取舞蹈者的空间姿态参数：加速度、角速度、地磁、四元数、欧拉角以及空间位置坐标、位移、方向角、旋转角、速度、位移加速度、角加速度。所述一种基于数字化场地和无线动作捕捉设备的舞蹈训练评估系统，其特征在于：所述时钟同步器接收到计算机同步指令后通过同步接口输出同步触发信号；数字化地板和无线动作捕捉单元接收到同步触发信号后时间戳开始计数，从而保证所有采集数据在时间轴上同步。所述一种基于数字化场地和无线动作捕捉设备的舞蹈训练评估系统，其特征在于：所述舞蹈动作模板和知识库是通过数字化场地和无线动作捕捉设备采集标准舞蹈动作并以动作信息帧的形式存储到计算机数据库中。在舞蹈动作训练评估时通过将舞蹈者实时采集得到的动作信息帧与舞蹈动作模板和知识库中动作信息帧进行对比来对舞蹈者的动作做出评估和实时指导。本发明相对于现有技术的有益效果是：(1)本发明利用计算机的协调和同步作用将数字化场地和无线动作捕捉设备有机集成在一起；计算机同步采集舞蹈者的二维足底压分布信息和舞蹈者的空间姿态信息，并运用信息融合技术将舞蹈者的二维足底压分布信息和空间姿态信息融合为动作信息帧，然后利用动作信息帧驱动人体模型在三维空间中运动实现舞蹈者的动作重构；计算机基于动作信息帧所构建舞蹈动作模板和知识库实现对舞蹈者舞姿的在线评估，并对舞蹈者的舞蹈动作做出实时指导和示范。(2)本发明所使用数字化场地基于数字化地板搭建，可以根据舞蹈者的活动范围安装成适合的形状，因而适合多种不同舞蹈的训练评估。(3)本发明中的无线动作捕捉设备是以可穿戴设备形式佩戴在舞蹈者身上并且采用WIFI无线通信方式，既最大限度减小了对舞蹈者的舞蹈动作的干扰，又能有效采集舞蹈者的舞蹈动作信息。(4)本发明的时钟同步器的触发信号是通过导线输出到数字化地板和无线动作捕捉单元的同步接口，因此各设备之间的同步角度非常高。(5)本发明将集舞蹈者的二维足底压分布信息和舞蹈者的空间姿态信息统一到一个三维坐标系中，动作信息帧中的数据在空间上是一致的，使得获取的动作信息空间同步性大大提高。(6)本发明构建的动作信息帧不仅能够准确反映出舞蹈者的动作特征，而且能够提取多种生物力学参数和运动学参数；动作信息帧还能提高存储效率，方便舞蹈动作的对比和评估。附图说明图1为基于数字化场地和无线动作捕捉设备的舞蹈训练评估系统结构示意图；图2为本发明中动作信息帧的构成示意图；图3为本发明系统的工作流程图。具体实施方式下面结合附图对本发明进行详细说明：图1为基于数字化场地102和无线动作捕捉设备的舞蹈训练评估系统结构示意图；本发明包括：活动式可拼装型数字化场地102、无线动作捕捉设备、时钟同步器105、以太网交换机106、计算机107和电源108；活动式可拼装型数字化场地102是由多块基于柔性阵列压力传感器制作的1米×1米正方形数字化地板01组成，用于获取舞蹈者的二维足底压力分布信息；数字化地板101之间采用嵌入式凸凹结构相连接，根据舞蹈训练活动范围或训练场馆的大小可拼接成形状合适的数字化场地102。图1使用了25块数字化地板101拼接成了5米×5米正方形数字化场地102；无线动作捕捉设备是由多个无线动作捕捉单元103和WIFI无线路由器104组成；无线动作捕捉单元103采用可穿戴式设计，佩戴在舞蹈者的17个肢体部位，17个身体部位分别是：舞蹈者的头部、左肩、右肩、左上臂、右上臂、左下臂、右下臂、左手、右手、胸口、腰、左上腿、右上腿、左下腿、右下腿、左脚和右脚；无线动作捕捉单元103将采集到的舞蹈者姿态信息数据通过WIFI无线通信方式发送给WIFI无线路由器104，WIFI无线路由器104进而通过以太网交换机106转发给计算机107；WIFI无线路由器104是通过有线方式连接至以太网交换机106；时钟同步器105的同步接口分别连接数字化地板101和无线动作捕捉单元103；所有数字化地板101同步接口串联在一起连接至时钟同步器105的一个同步接口上；多个无线动作捕捉单元103的同步接口分别连接至时钟同步器105的一个同步接口上；以太网交换机106用于计算机107与数字化场地102、无线动作捕捉单元103以及时钟同步器105之间的以太网连接和数据交换；电源108为数字化场地102和时钟同步器105提供工作电源。选择数字化场地102的一个压力敏感点109为本发明的三维空间坐标系原点构建坐标系110；二维足底压力分布信息所在坐标系参考原点为109，X轴为坐标系110的X轴，Y轴为坐标系110的Y轴；空间姿态信息所在三维空间所在坐标系参考原点为109，X轴为坐标系110的X轴，Y轴为坐标系110的Y轴，Z轴为坐标系110的Z轴；图2为本发明的动作信息帧203构成示意图，动作信息帧203包括时间戳205、二维足底压力分布信息201、17个无线动作捕捉单元103姿态信息和空间姿态信息202以及舞蹈者肢体节段长度信息204；二维足底压力分布信息201包括时间戳205、足底压力中心坐标、足底压力分布数据和足底总压力值；无线动作捕捉单元103姿态信息和空间姿态信息202包括时间戳205、加速度、角速度、地磁、四元数、欧拉角以及空间位置坐标、位移、方向角、旋转角、速度、位移加速度、角加速度。图3为本发明的工作流程示意图，具体步骤如下：步骤300：系统初始化工作主要包括：数字化场地102、时钟同步器105和17个无线动作捕捉单元103的上电初始化；将数字化场地102和17个无线动作捕捉单元103的同步接口连接至时钟同步器105的同步接口；步骤301：计算机107发送同步指令到时钟同步器105，时钟同步器105输出同步触发信号完成数字化场地102和所有无线动作捕捉单元103的同步；同步完成后将无线动作捕捉单元103佩戴到舞蹈者身体的17个部位上；步骤302：计算机107发出开始采集命令，开始同步采集数据；步骤303：计算机107接收舞蹈者的二维足底压力分布信息201和所有无线动作捕捉单元103姿态信息，融合17个无线动作捕捉单元103姿态信息得到舞蹈者空间姿态信息，并根据时间戳205构建动作信息帧203，然后将动作信息帧203存储到计算机107中；步骤304：利用动作信息帧203驱动人体模型在三维空间中运动实现舞蹈者的动作重构，并显示相关的生物力学参数和运动学参数；步骤305：根据需要选择是否需要存入模版和知识库，如是则进入步骤306，否则转到步骤307；步骤306：将采集到的动作信息帧203存储到模板和知识库中；步骤307：根据需要选择是否对当前舞蹈动作进行评估，如是则进入步骤308，否则进入步骤309；步骤308：将采集到的一组动作信息帧203与模板和知识库中相应的动作信息帧203做对比并据此输出评估结果；步骤309：选择是否结束采集，如是则进入步骤310，如否则转到步骤302；步骤310：结束本次采集，退出本发明系统。实施例：舞蹈者使用本发明对舞蹈动作进行评估，具体过程为：(1)打开电源108和17个无线动作捕捉单元103的电源开关，并将数字化场地102和17个无线动作捕捉单元103的同步接口连接至时钟同步器105的同步接口，使得数字化场地102、时钟同步器105和17个无线动作捕捉单元103完成系统初始化；(2)计算机107发送同步指令到时钟同步器105，时钟同步器105输出同步触发信号完成数字化场地102和所有无线动作捕捉单元103的同步；同步完成后将无线动作捕捉单元103佩戴到舞蹈者身体的17个部位上；(3)计算机107发出开始采集命令，开始同步采集数据；(4)计算机107接收舞蹈者的二维足底压力分布信息201和所有无线动作捕捉单元103姿态信息，并进行融合计算构建动作信息帧203；(5)利用动作信息帧203驱动人体模型在三维空间中运动实现舞蹈者的动作重构，并显示相关的生物力学参数和运动学参数；(6)计算机107将采集到的一组动作信息帧203与模版和知识库中相应的动作信息帧203做比较并输出评估结果；(7)完成本次舞蹈动作评估。显然，本领域的技术人员可以对本发明的一种基于数字化场地和无线动作捕捉设备的舞蹈训练评估系统进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。