一种用于训练的动作捕捉系统的制作方法

本发明涉及姿态检测领域，尤其涉及一种用于训练的动作捕捉系统。

背景技术：

目前的动作训练教学有人与人直接教学，也有通过视频、图像等2D影像资料教学，前者对人与人各自的空闲时间、场地都有着较高的要求；后者虽然克服了时间、场地的要求束缚，但是无法实时将学员的训练情况及时反馈并得到教练的指导，而且2D影像资料存在着先天的动作还原失真的缺点。

现有的动作捕捉主要应用于航天、航空及3D电影制作等，如：无人机的导航系统就采用了动作捕捉技术。现有的3D电影制作过程中普遍采用光电传感器采集待测人员的运动轨迹，通过多个不同角度的摄像头拍摄光电传感器的反光点，对环境的要求高，存在的缺点有：拍摄时容易受到背光影响，成本高，目前已经支持，但是由于图像解算对硬件要求高，且目前还存在时延大的缺点，应用范围窄不易普及。传统的动作捕捉传感器数目多且零散，使用时需要逐个将动作捕捉传感器贴置于待测人员的身上，且每个动作捕捉传感器对应的位置固定，若动作捕捉传感器的位置贴错直接影响采集的数据，操作繁琐，且目前的动作捕捉传感器普遍采用三轴或六轴采集数据，精度低。由此可见目前动作捕捉并未应用到动作训练教学中。

技术实现要素：

针对现有的动作训练教学存在的上述问题，现提供一种旨在实现可实时采集训练人员的动作并对数据进行精确匹配，保证训练人员提高动作准确度的用于训练的动作捕捉系统。

具体技术方案如下：

一种用于训练的动作捕捉系统，包括：

一动态捕捉设备，所述动态捕捉设备用以采集穿戴所述动态捕捉设备的训练人员的动作数据，所述动态捕捉设备包括：复数个采集单元，复数个所述采集单元分别设于所述动态捕捉设备的复数个预设位置，每个所述采集单元分别对应一唯一的位置标识，所述采集单元用以实时采集相应的所述预设位置的所述动作数据；

一控制单元，与所述动态捕捉设备连接，用以根据所述动作数据依据预设的人体运动模型建立人体的训练3D姿态，并根据所述训练3D姿态生成训练实时影像；

一存储单元，用以存储标准实时影像；

一训练单元，连接所述控制单元，提供一组标准数据，每个所述标准数据匹配有唯一的训练标识，所述训练标识与所述位置标识一一对应，所述训练单元用以将所述标准数据与相应的所述训练标识对应的所述位置标识的所述动作数据根据预设规则进行实时匹配，并生成相应的实时训练结果，所述实时训练结果用以表示训练人员的所述训练实时影像与所述标准实时影像的对比结果；

一显示单元，分别连接所述控制单元、所述存储单元和所述训练单元，提供一第一显示模块和一第二显示模板，所述第一显示模板用以显示所述标准实时影像，所述第二显示模块用以显示所述训练实时影像，所述显示单元还用以显示所述实时训练结果。

优选的，所述动态捕捉设备还包括：

一输出单元，用以输出所述动作数据；

一处理单元，分别连接所述输出单元和复数个所述采集单元，用以接收复数个所述采集单元发送的复数个所述动作数据，将复数个所述动作数据发送至所述发送单元。

优选的，所述动态捕捉设备与所述控制单元无线连接。

优选的，所述人体运动模型为多刚体模型。

优选的，包括：所述动态捕捉设备与所述多刚体模型相匹配，所述刚体的数目与所述采集单元的数目相对应，所述刚体与所述采集单元一一对应。

优选的，每个所述刚体的中心位置形成于所述动态捕捉设备的所述预设位置，所述采集单元用以采集所述刚体的所述中心位置的所述动作数据。

优选的，于每个所述采集单元分别形成一载体坐标系，所述载体坐标系的中心点为所述采集单元的中心；

所述采集单元包括：

一三轴加速度计，用以实时采集与所述采集单元对应的所述刚体在所述载体坐标系下的旋转三轴加速度；

一三轴陀螺仪，用以实时采集与所述采集单元对应的所述刚体在所述载体坐标系下的旋转三轴角速度；

一三轴磁力计，用以实时采集与所述采集单元对应的所述刚体在所述载体坐标系下的三轴磁力分量；

一控制模块，分别连接所述三轴加速度计、所述三轴陀螺仪和所述三轴磁力计，用以根据所述三轴加速度、所述三轴角速度和所述三轴磁力分量生成在世界坐标系下的四元数，所述动作数据包括所述四元数和与所述采集单元对应的所述位置标识。

优选的，所述控制单元包括：

一建模模块，用以根据每个所述采集单元的所述四元数及相应的所述位置标识依据所述多刚体模型建立人体的所述3D姿态；

一合成模块，连接所述建模模块，用以将实时的所述3D姿态合成为所述训练实时影像。

优选的，所述预设规则为判断所述标准数据与相应的所述训练标识对应的所述位置标识的所述动作数据之间的偏差是否在预设的阈值范围内，若所述偏差在所述阈值范围内，则匹配成功；若所述偏差未在所述阈值范围内，则匹配失败。

优选的，所述标准数据为第一欧拉角；

所述训练单元将所述标准数据与相应的所述训练标识对应的所述位置标识的所述动作数据转换为第二欧拉角，根据所述第一欧拉角与所述第二欧拉角之间的偏差生成相应的所述实时训练结果。

上述技术方案的有益效果：

本技术方案中，采用动态捕捉设备易于穿戴采集数据的精度高，避免了逐个贴置动作捕捉传感器的过程，且无需采用摄像设备录制影像，对外界环境的要求低，利用控制单元对动态捕捉设备采集的数据建模以实时生成3D影像，效率高；采用训练单元实时对训练人员的动作数据进行精确匹配，并反馈训练错误提示，提高了远程教学训练及无线教学训练的教学效率，通过显示单元训练人员可直观的了解训练动作的准确性，可有效的提高了训练人员的动作准确度。

附图说明

图1为本发明所述的用于训练的动作捕捉系统的一种实施例的模块图；

图2为本发明所述的采集单元的一种实施例的内部模块图；

图3为本发明所述的控制单元的一种实施例的内部模块图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1所示，一种用于训练的动作捕捉系统，包括：

一动态捕捉设备8，动态捕捉设备8用以采集穿戴动态捕捉设备8的训练人员的动作数据，动态捕捉设备8包括：复数个采集单元1，复数个采集单元1分别设于动态捕捉设备8的复数个预设位置，每个采集单元1分别对应一唯一的位置标识，采集单元1用以实时采集相应的预设位置的动作数据；

一控制单元5，与动态捕捉设备8连接，用以根据动作数据依据预设的人体运动模型建立人体的训练3D姿态，并根据训练3D姿态生成训练实时影像；

一存储单元6，用以存储标准实时影像；

一训练单元4，连接控制单元5，提供一组标准数据，每个标准数据匹配有唯一的训练标识，训练标识与位置标识一一对应，训练单元4用以将标准数据与相应的训练标识对应的位置标识的动作数据根据预设规则进行实时匹配，并生成相应的实时训练结果，实时训练结果用以表示训练人员的训练实时影像与标准实时影像的对比结果；

一显示单元7，分别连接控制单元5、存储单元6和训练单元4，提供一第一显示模块和一第二显示模板，第一显示模板用以显示标准实时影像，第二显示模块用以显示训练实时影像，显示单元7还用以显示实时训练结果。

进一步地，标准数据表示标准动作，动作数据表示用户动作。标准数据可通过教练预先穿戴所述动态捕捉设备，进行标准动作的录入获取。实时训练结果用于表示训练人员的动作与标准的对比结果，可为训练人员的错误动作进行提示。

在本实施例中，采用动态捕捉设备8易于穿戴采集数据的精度高，避免了逐个贴置动作捕捉传感器的过程，且无需采用摄像设备录制影像，对外界环境的要求低，利用控制单元5对动态捕捉设备8采集的数据建模以实时生成3D影像，效率高；采用训练单元4实时对训练人员的动作数据进行精确匹配，并反馈训练错误提示，提高了远程教学训练及无线教学训练的教学效率，通过显示单元7训练人员可直观的了解训练动作的准确性，可有效的提高了训练人员的动作准确度。

在优选的实施例中，动态捕捉设备8还包括：

一输出单元3，用以输出动作数据；

一处理单元2，分别连接输出单元3和复数个采集单元1，用以接收复数个采集单元1发送的复数个动作数据，将复数个动作数据发送至发送单元。

进一步地，动态捕捉设备8与控制单元5无线连接。

输出单元3采用无线模块，控制单元5采用无线方式通信与输出单元3进行动作数据传输。

进一步地，无线模块可采用2.4G模块，其频段处于2.400GHz～2.4835GHz之间，2.4G模块具有成本低，效率高、低电压、体积小等优点。

在本实施例中，处理单元2和输出单元3均设置于动态捕捉设备8上，以实现将数据通过无线的方式发送至控制单元5。

在优选的实施例中，人体运动模型为多刚体模型。多刚体模型包括多个刚体。以多刚体模型包括16个刚体为例，16个刚体包括：头部刚体、上躯干刚体、下躯干刚体、骨盆刚体、左上臂刚体、左前臂刚体、左手刚体、左大腿刚体、左小腿刚体、左脚刚体、右上臂刚体、右前臂刚体、右手刚体、右大腿刚体、右小腿刚体和右脚刚体。

在本实施例中，多刚体模型是将人体的每段肢体看作为一个刚体，即内部任何位置不产生相对形变的物体。刚体在运动中或受力作用后，形状和大小不变，而且内部各点的相对位置不变的物体。绝对刚体实际上是不存在的，只是一种理想模型，因为任何物体在受力作用后，都或多或少地变形，如果变形的程度相对于物体本身几何尺寸来说极为微小，在研究物体运动时变形就可以忽略不计。

在优选的实施例中，包括：动态捕捉设备8与多刚体模型相匹配，刚体的数目与采集单元1的数目相对应，刚体与采集单元1一一对应。

进一步地，每个刚体的中心位置形成于动态捕捉设备8的预设位置，采集单元1用以采集刚体的中心位置的动作数据。

在本实施例中，利用采集单元1实时检测相应刚体的动作数据，然后将动作数据实时发送给配置在动态捕捉设备8上的处理单元2，处理单元2将所有采集单元1采集的数据收集，通过输出单元3将数据发送至控制单元5，控制单元5可采用移动终端，如安卓系统的客户端。根据多刚体模型的结构特点，可将刚体的连接节点分为子节点、父节点及根节点，以动态捕捉设备8为衣服为例，根节点位于腰部，子节点的绝对位置信息是由父节点的旋转决定的。

如图2所示，在优选的实施例中，于每个采集单元1分别形成一载体坐标系，载体坐标系的原点坐标为采集单元1的中心点；

采集单元1包括：

一三轴加速度计11，用以实时采集与采集单元1对应的刚体在载体坐标系下的旋转三轴加速度；

一三轴陀螺仪12，用以实时采集与采集单元1对应的刚体在载体坐标系下的旋转三轴角速度；

一三轴磁力计13，用以实时采集与采集单元1对应的刚体在载体坐标系下的三轴磁力分量；

一控制模块14，分别连接三轴加速度计11、三轴陀螺仪12和三轴磁力计13，用以根据三轴加速度、三轴角速度和三轴磁力分量生成在世界坐标系下的四元数，动作数据包括四元数和与采集单元1对应的位置标识。

进一步地，载体坐标系即为采集单元1自身的坐标系。

在本实施例中，采集单元1通过三轴加速度计11、三轴陀螺仪12和三轴磁力计13采集九轴数据提供了采集动作的精度，每个采集单元1中均配置有一控制模块14，通过控制模块14将三轴加速度计11、三轴陀螺仪12和三轴磁力计13采集的九轴数据转换为四元数，减少了控制单元5的运算及运行负担，提高了控制单元5生成实时影像的速度。

如图3所示，在优选的实施例中，控制单元5包括：

一建模模块51，用以根据每个采集单元1的四元数及相应的位置标识依据多刚体模型建立人体的3D姿态；

一合成模块52，连接建模模块51，用以将实时的3D姿态合成为训练实时影像。

在本实施例中，由于控制单元5是在世界坐标系下对动作数据进行建模，利用建模模块51根据每个采集单元1的位置标识依据多刚体模型及相应的四元数建立人体的3D姿态，通过合成模块52生成的3D姿态合成为实时影像。

在优选的实施例中，预设规则为判断标准数据与相应的训练标识对应的位置标识的动作数据之间的偏差是否在预设的阈值范围内，若偏差在阈值范围内，则匹配成功；若偏差未在阈值范围内，则匹配失败。进一步地，阈值可以为多个，以表示不同程度的难度系数，可根据用户需求选择相应的阈值。

在本实施例中，当动作数据与相应的标准数据之间的偏差超出阈值时，表示训练人员的动作不准确，动作捕捉系统可通过语言提示、文字提示或通过在显示单元7中区分出不标准动作及标准动作分别对应的相应的肢体的颜色，以提示训练人员动作不标准，便于训练人员及时改正。

在优选的实施例中，标准数据为第一欧拉角；

训练单元4将标准数据与相应的训练标识对应的位置标识的动作数据转换为第二欧拉角，根据第一欧拉角与第二欧拉角之间的偏差生成相应的实时训练结果。

在本实施例中，第一欧拉角和第二欧拉角均为世界坐标系下的，欧拉角可表示三轴的旋转信息，简化了比较结果，提高了用于训练的动作捕捉系统的处理速度。

在优选的实施例中，动态捕捉设备8包括：头套、上衣、裤子、手套和鞋。

进一步地，动态捕捉设备8可包括：帽子、连体衣、鞋和手套。

动作捕捉系统可预先将教练的标准动作数据提前利用动态捕捉设备8录制为标准实时影像，或者实时的将教练的标准动作传输给在线服务器，然后训练人员穿上动态捕捉设备8与教练的动作进行实时对比，其原理是实时对比教练与训练人员之间的每个动作的各段肢体的姿态信息是否在一定范围内吻合，然后可通过不同类型的提示信息提示在显示单元7上。由于真实情况下很难达到教练与训练人员的动作在各段肢体上的姿态信息(动作数据及标准数据)完全吻合，因此在姿态信息比对的过程上采用阈值的方式设置不同难度的区间范围，姿态信息是由绕X，Y，Z三轴角度的旋转信息，因此采用欧拉角在三个轴上的旋转信息的偏差范围来圈定比对成功范围。

目前虽然有3D动作捕捉这样的技术，但是没有动作对比的过程。尤其是在瑜伽、太极运动中，常常有教练的影像资料作为动作学习模板，但是没有办法将学员的动作作为反馈，并与教练动作进行比对，本发明可实时对比学员与教练之间的动作差异，并反馈动作错误，可提高学员的训练效率。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。