专利名称：一种基于动作识别技术的体育教学辅助系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及人机交互、动作识别以及计算机辅助教学领域，尤其涉及ー种体育教学辅助系统的构建系统。
背景技术：
目前，在人机交互领域比较常用的运动追踪技术是惯性追踪技术和光学追踪技木。惯性追踪技术通过在目标上设置惯性测量単元，測量得到加速度、角速度等数据，以此为基础使用数学工具解算，得到目标的运动情況。惯性追踪的特点是实现简单，抗干扰性強；缺点是不能全面地获取被追踪目标的运动特征，只能有限和局部地反映被追踪目标的运动特点。光学追踪技术通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动追踪的任务。
理论上，对于空间的任意ー个点，只要它能同时被两台摄像机所见，则根据同一瞬间两摄像机所拍摄的图像和摄像机參数，即可以确定这一时刻该点的空间位置。当摄像机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。其中图像的处理采用的是三维图象重建技术，即通过摄像机记录图像，通过数字化处理形成虚拟物体，然后通过三维空间标定，确定物体的空间位置。光学追踪技术的特点是能全面地反映物体的运动情况，精度高；缺点是实现较为困难，且追踪的范围较小。CN10115888公开了ー种基于计算机视觉的虚拟体育系统及其实现方法，用于通用计算机，利用计算机视觉来识别人体以及体育器械的运动状态和动作模式，并将动作模式反馈给计算机，通过计算机的处理，控制虚拟体育运动中的角色做出相应的动作。其不足之处对于实际动作的识别范围较小，动作标准度不够。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种基于动作识别技术的体育教学辅助系统，解决利用人机交互技术以及光学追踪与惯性追踪相结合的方法，能够有效扩大运动追踪范围并及时反馈运动信息，实现较大范围内特定运动信息的采集与处理，应用于计算机虚拟辅助体育教学问题。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于动作识别技术的体育教学辅助系统，用于PC或嵌入式主机，其包括运动数据采集模块、运动数据获取模块、辨识与训练模块、虚拟教学环境模块组成；所述的运动数据采集模块进一歩包括特定波长点光源、不少于ニ个摄像头；所述的运动数据获取模块进一歩包括图像特征提取単元、三维空间定位単元、运动信息解算单元、多传感器数据融合単元；所述的辨识与训练模块进ー步包括动作模式数据采集模块、训练模块、辨识单元;所述的虚拟教学环境模块包括一动作模式标准库、ー动作解析単元、一虚拟教学环境、ー显示设备；其特征在干在所述的运动数据采集模块中还是设有一微惯性测量单元和ー惯性參数提取単元，微惯性测量单元与被测目标绑定，用于测量被测目标的惯性參数，供运动数据获取模块处理，所述的微惯性测量単元通过无线信号与所述的惯性參数提取単元信号输入端连接；所述的运动信息解算单元对惯性參数提取单元输出的数据传输到多传感器数据融合単元作解算处理。所述的运动数据获取模块，其中所述的三维空间定位単元利用标记点在两个摄像头内成像的位置，利用双目视觉算法得到标记点的三维空间坐标，所述多传感器数据融合单元采用基于D-S证据理论的多传感器数据融合算法对运动目标的惯性參数和三维空间坐标作处理，获取目标的动作模式数据。所述的虚拟教学环境模块，其中所述动作模式标准库用于供动作解析単元解析动作模式的范本；所述动作解析単元用于解析动作模式数据的辨识结果；所述虚拟教学环境为人机互动平台，用于提供体育教学方案；所述显示设备用于反馈运动动作模式辨识的解析结果、显示人机交互动作状态，其输入端与计算机连接；所述的动作模式标准库包括特定体育运动动作模式标准库、非特定动作模式标准库和连续动作模型库。 所述的特定体育运动动作模式标准库，以体育运动项目的基本动作为主，包括乒乓球的基本动作、网球基本动作、高尔夫挥杆动作、保龄球掷球动作、跑步的抬腿动作等。所述的非特定动作模式标准库，是根据体育教学要求定制特殊应用的动作模型库，包括鞍马运动员基本动作、体操、体育教学动漫游戏类应用的动作等。所述的连续动作模型库，为辅助体育教学特定功能而设计的由系列动作组成的组合动作库，它基于特定动作模型库和非特定模型库，包括体操、舞蹈、武术、健身气功等ー套完整的动作。本实用新型的有益效果由于采用惯性追踪和光学追踪两种方式综合反映目标运动情况，有效扩大了追踪范围，提高了测量的精度，解决了惯性追踪无法获取目标整体信息、不能做复杂的运动识别、敏感性差的问题，同时也解决光学追踪技术还原真实性差、有效追踪范围小以及阻挡影响的问题。本实用新型还具有很强的实用性，为体育教学提供一种全新的教学模式，让体育运动教学方法趋于数字化、多媒体化和科学标准化。以下将结合附图和实施例，对发明进行较为详细的说明。
图I为本实用新型基于动作识别技术的体育辅助教学系统示意框图。图2为本实用新型运动数据采集模块示意框图。图3为本实用新型运动数据获取模块示意框图。图4为本实用新型辨识与训练模块示意框图。图5为本实用新型虚拟教学环境模块示意框图。图6为图5的局部放大示意框图。图7为本实用新型总体结构的示意框图。
具体实施方式
如图I、图7所示，一种基于动作识别技术的体育教学辅助系统，用于PC或嵌入式主机，其包括运动数据采集模块I、运动数据获取模块2、辨识与训练模块3、虚拟教学环境模块3组成；如图2所示，所述的运动数据采集模块I进ー步包括特定波长点光源11、不少于_■个摄像头12 ；如图3所示，所述的运动数据获取模块2进ー步包括图像特征提取単元21、三维空间定位単元22、运动信息解算单元23、多传感器数据融合単元24 ；运动数据获取模块2，其中所述的三维空间定位単元22利用标记点在两个摄像头12内成像的位置，利用双目视觉算法得到标记点的三维空间坐标，所述的多传感器数据融合単元24采用基于D-S证据理论的多传感器数据融合算法对运动目标的惯性參数和三维空间坐标作处理，获取目标的动作模式数据。如图4所示，所述的辨识与训练模块3进ー步包括动作模式数据采集模块31、训 练模块32、辨识单元33 ；如图5所示，所述的虚拟教学环境模块4包括一动作模式标准库41、ー动作解析单兀42、一虚拟教学环境43、一显不设备44 ；所述的虚拟教学环境模块4，其中所述动作模式标准库41用于供动作解析単元解析动作模式的范本；所述动作解析単元42用于解析动作模式数据的辨识结果；所述虚拟教学环境43为人机互动平台，用于提供体育教学方案；所述显示44设备用于反馈运动动作模式辨识的解析结果、显示人机交互动作状态，其输入端与计算机连接；如图2所示，在所述的运动数据采集模块I中还是设有一微惯性测量单13元和一惯性參数提取单元14，微惯性测量单元13与被测目标绑定，用于测量被测目标的惯性參数，供运动数据获取模块2处理，所述的微惯性测量単元13通过无线信号与所述的惯性參数提取单元14信号输入端连接；所述的运动信息解算单元23对惯性參数提取単元14输出的数据传输到多传感器数据融合単元24作解算处理。如图6所示，所述的动作模式标准库41包括特定体育运动动作模式标准库45、非特定动作模式标准库46和连续动作模型库47。所述的特定体育运动动作模式标准库45，以体育运动项目的基本动作为主，包括乒乓球的基本动作、网球基本动作、高尔夫挥杆动作、保龄球掷球动作、跑步的抬腿动作等。所述非特定动作模式标准库46，是根据体育教学要求定制特殊应用的动作模型库，包括鞍马运动员基本动作、体操、体育教学动漫游戏类应用的动作等.所述连续动作模型库47，为辅助体育教学特定功能而设计的由系列动作组成的组合动作库，它基于特定动作模型库和非特定模型库，包括体操、舞蹈、武术、健身气功等ー套完整的动作。本实用新型的工作方法，目标在所述显示设备44正面运动，与目标绑定的所述微惯性测量単元13将测量得到ー组运动数据，经惯性參数提取単元14处理后得到运动惯性參数，通过无线传输模块传送至所述运动信息解算单元23 ;运动数据采集模块I中特定波长点光源11为发出単色光的点光源，图像采集设备为不少于ニ个的可见光摄像头，特定波长点光源的光信号则由摄像头采集，摄像头12输出端与图像特征提取単元21输入端连接。运动数据采集模块I采集的运动数据输入运动数据获取模块2中运动信息解析単元23和图像特征提取単元21，供运动数据获取模块2分析处理。运动信息解算单元23对所获数据进行解算并将结果传送至多传感器数据融合单元24 ;图像特征提取単元21对所获视频图像进行ニ值算法得到运动目标的特征构图，三维空间定位単元22通过运算变换，得到运动目标的三维空间坐标，并将其传送至多传感器数据融合単元24 ;多传感器数据融合単元24将得到的数据信息采用基于D-S证据理论的多传感器数据融合算法对运动目标的惯性參数和三维空间坐标作处理，获取目标的动作模式数据。辨识与训练模块3，通过动作模式数据采集模块31采集各种动作模式样本数据，由训练模块32对样本模式数据进行预处理，得到训练数据。图4中的分类器从训练数据中提取反映数据本质特征的特征向量井根据特征向量对其进行分类，建立从特征向量到所属类别之间映射关系的分类器；辨识单元33对经运动数据获取模块2分析得到的待检测的动作模式数据进行预处理，得到辨识数据，从辨识数据中提取特征向量并输入到图4所述分类器中，分类器根据其特征向量进行判別，得到对待辨识动作模式数据的辨识結果。 自定义不同类别的标准动作模式，建立动作模式标准库41，有如乒乓球的基本动作、网球基本动作、高尔夫挥杆动作、保龄球掷球动作、跑步的抬腿动作等以体育运动项目的基本动作为主的特定体育运动动作模式标准库45，如鞍马运动员基本动作、体操、体育教学动漫游戏类应用的动作等根据体育教学要求定制特殊应用的非特定动作模式标准库46，以及基于特定动作模型库和非特定模型库为辅助体育教学特定功能而设计的由系列动作组成的续动作模型库47，包括体操、舞蹈、武术、健身气功等一套完整的动作。将标准动作模式和体育运动教学步骤自定义为教学方案，并输入虚拟体育教学环境中；将辨识结果输入到虚拟教学环境43中，实现人机交互运动状态；以动作标准模式库为參照标准，由动作解析単元42对辨识结果进行解析，得到动作修正方案(如位置、速度、角度等方面)，并将结果输出在显示设备44。由于采用在原来的光学追踪方式下増加了惯性追踪方式其综合后使反映目标运动情况，有效扩大了追踪范围，提高了测量的精度，解决了惯性追踪无法获取目标整体信息、不能做复杂的运动识别、敏感性差的问题，同时也解决光学追踪技术还原真实性差、有效追踪范围小以及阻挡影响的问题。本发明还具有很强的实用性，为体育教学提供ー种全新的教学模式，让体育运动教学方法趋于数字化、多媒体化和科学标准化。
权利要求1.一种基于动作识别技术的体育教学辅助系统，用于PC或嵌入式主机，其包括运动数据采集模块、运动数据获取模块、辨识与训练模块、虚拟教学环境模块组成， 所述的运动数据采集模块进一歩包括特定波长点光源、不少于ニ个摄像头； 所述的运动数据获取模块进一歩包括图像特征提取単元、三维空间定位単元、运动信息解算单元、多传感器数据融合単元； 所述的辨识与训练模块进ー步包括动作模式数据采集模块、训练模块、辨识単元； 所述的虚拟教学环境模块包括一动作模式标准库、ー动作解析単元、一虚拟教学环境、ー显不设备； 其特征在干在所述的运动数据采集模块中还是设有一微惯性测量单元和一惯性參数提取单元，微惯性测量单元与被测目标绑定，用于测量被测目标的惯性參数，供运动数据获取模块处理，所述的微惯性测量単元通过无线信号与所述的惯性參数提取単元信号输入端连接；所述的运动信息解算单元对惯性參数提取单元输出的数据传输到多传感器数据融合単元作解算处理。
2.如权利要求I所述的ー种基于动作识别技术的体育教学辅助系统，其特征在于所述的运动数据获取模块，其中所述的三维空间定位単元利用标记点在两个摄像头内成像的位置，利用双目视觉算法得到标记点的三维空间坐标，所述多传感器数据融合单元采用基于D-S证据理论的多传感器数据融合算法对运动目标的惯性參数和三维空间坐标作处理，获取目标的动作模式数据。
3.如权利要求I所述的ー种基于动作识别技术的体育教学辅助系统，其特征在于所述的虚拟教学环境模块，其中 所述动作模式标准库用于供动作解析単元解析动作模式的范本； 所述动作解析単元用于解析动作模式数据的辨识結果； 所述虚拟教学环境为人机互动平台，用于提供体育教学方案； 所述显示设备用于反馈运动动作模式辨识的解析结果、显示人机交互动作状态，其输入端与计算机连接。
4.如权利要求3所述的ー种基于动作识别技术的体育教学辅助系统，其特征在于所述的动作模式标准库包括特定体育运动动作模式标准库、非特定动作模式标准库和连续动作模型库。
5.如权利要求4所述的ー种基于动作识别技术的体育教学辅助系统，其特征在于所述的特定体育运动动作模式标准库，以体育运动项目的基本动作为主，包括乒乓球的基本动作、网球基本动作、高尔夫挥杆动作、保龄球掷球动作、跑步的抬腿动作等。
6.如权利要求4所述的ー种基于动作识别技术的体育教学辅助系统,其特征在于所述的非特定动作模式标准库，是根据体育教学要求定制特殊应用的动作模型库，包括鞍马运动员基本动作、体操、体育教学动漫游戏类应用的动作等。
7.如权利要求4所述的ー种基于动作识别技术的体育教学辅助系统，其特征在于所述的连续动作模型库，为辅助体育教学特定功能而设计的由系列动作组成的组合动作库，它基于特定动作模型库和非特定模型库，包括体操、舞蹈、武术、健身气功等ー套完整的动作。
专利摘要本实用新型提供了一种基于动作识别技术的体育教学辅助系统，用于PC或嵌入式主机，包括运动数据采集模块、运动数据获取模块、辨识与训练模块、虚拟教学环境模块组成，其特征在于在所述的运动数据采集模块中还是设有一微惯性测量单元和一惯性参数提取单元，所述的运动信息解算单元对惯性参数提取单元输出的数据传输到多传感器数据融合单元作解算处理。由于采用惯性追踪和光学追踪两种方式综合反映目标运动情况，有效扩大了追踪范围，提高了测量的精度，解决了惯性追踪无法获取目标整体信息、不能做复杂的运动识别、敏感性差的特点。为体育教学提供一种全新的教学模式，让体育运动教学方法趋于数字化、多媒体化和科学标准化。
文档编号A63B71/06GK202662011SQ20112012243
公开日2013年1月9日 申请日期2011年4月22日 优先权日2011年4月22日
发明者陈拥权, 刘思杨, 牛涛, 宁岩, 王略志 申请人:安徽寰智信息科技股份有限公司