一種基于Kinect的自適應(yīng)連續(xù)動作訓(xùn)練方法
【專利摘要】一種基于Kinect的自適應(yīng)連續(xù)動作訓(xùn)練方法，用戶通過訓(xùn)練系統(tǒng)來練習(xí)自身的動作達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)動作，所述訓(xùn)練系統(tǒng)包括用戶骨架數(shù)據(jù)獲取模塊、骨架數(shù)據(jù)采樣模塊、快速動作比對模塊和顯示結(jié)果與動作回放模塊，骨架數(shù)據(jù)采樣模塊對用戶骨架數(shù)據(jù)獲取模塊獲取的用戶骨架數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并將采樣數(shù)據(jù)送至快速動作比對模塊進(jìn)行分析處理，顯示結(jié)果與動作回放模塊用于顯示及回放分析處理得到的數(shù)據(jù)，其中用戶骨架數(shù)據(jù)獲取模塊采用微軟的Kinect體感設(shè)備。本發(fā)明方法中，用戶本身不需要攜帶任何傳感器或者穿戴有標(biāo)記傳感器的衣物，在不需要教練員的情況下，用戶通過該系統(tǒng)可以跟著標(biāo)準(zhǔn)視頻動作自主地練習(xí)動作，通過系統(tǒng)的不斷反饋逐步提高學(xué)習(xí)的準(zhǔn)確度。
【專利說明】一種基于Kinect的自適應(yīng)連續(xù)動作訓(xùn)練方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種自適應(yīng)的連續(xù)動作的訓(xùn)練方法，特別涉及一種基于體感設(shè)備的自適應(yīng)的連續(xù)動作訓(xùn)練方法，屬于人機(jī)交互領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]自動訓(xùn)練技術(shù)使得用戶在不需要教練員的情況下能夠較準(zhǔn)確地學(xué)習(xí)動作。一般來說，要實(shí)現(xiàn)自動訓(xùn)練需要昂貴的設(shè)備的支持，而這會阻礙自動訓(xùn)練系統(tǒng)的普及。
[0003]2010年6月份，微軟正式推出了作為Xbox360的體感周邊外設(shè)的Kinect，使得人機(jī)交互的理念更加徹底的展現(xiàn)出來。通過Kinect，我們能夠獲得場景內(nèi)的彩色圖，深度圖，以及對至多達(dá)兩位用戶的骨架跟蹤圖的數(shù)據(jù)。對普通用戶而言，Kinect價位合理，這進(jìn)一步推動了它的普及。
[0004]人們在日常生活中，經(jīng)常需要練習(xí)一些連續(xù)的動作，比如練習(xí)太極拳，舞蹈訓(xùn)練，康復(fù)動作訓(xùn)練等等。Jacky C.P.Chan等人提出了一套基于動作捕捉技術(shù)的舞蹈動作訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了專用的光學(xué)相機(jī)，同時要求練習(xí)者穿戴專用的帶有標(biāo)記傳感器的衣服。練習(xí)者會按著專業(yè)的動作表演者的動作來練習(xí)，通過比對歸一化的關(guān)節(jié)長度來比較練習(xí)者的動作與標(biāo)準(zhǔn)動作，反饋時通過將明顯不同的部位用顯眼的顏色標(biāo)識來提醒練習(xí)者。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的問題是:現(xiàn)有技術(shù)中，再進(jìn)行動作練習(xí)時通常需要專業(yè)的設(shè)備，不適于普及應(yīng)用。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種基于Kinect的自適應(yīng)連續(xù)動作訓(xùn)練方法，用戶通過訓(xùn)練系統(tǒng)來練習(xí)自身的動作達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)動作，所述訓(xùn)練系統(tǒng)包括基于體感外設(shè)的用戶骨架數(shù)據(jù)獲取模塊、骨架數(shù)據(jù)采樣模塊、快速動作比對模塊和顯示結(jié)果與動作回放模塊，骨架數(shù)據(jù)采樣模塊對用戶骨架數(shù)據(jù)獲取模塊獲取的用戶骨架數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并將采樣數(shù)據(jù)送至快速動作比對模塊進(jìn)行分析處理，顯示結(jié)果與動作回放模塊用于顯示及回放分析處理得到的數(shù)據(jù)，其中基于體感外設(shè)的用戶骨架數(shù)據(jù)獲取模塊采用微軟的Kinect體感設(shè)備，
[0007]所述快速動作比對模塊的分析處理步驟為:
[0008]步驟一、維護(hù)練習(xí)者的用戶ID:Kinect體感設(shè)備對識別到的每個人體骨架分配一個固定ID，快速動作比對模塊只對動作練習(xí)者的用戶ID的骨架進(jìn)行比對，排除臨時走入Kinect體感設(shè)備視野的旁人的干擾；
[0009]步驟二、計算練習(xí)者的具有一個自由度的關(guān)節(jié)的張開角度與標(biāo)準(zhǔn)動作對應(yīng)關(guān)節(jié)張開角度之間的角度差，所述具有一個自由度的關(guān)節(jié)包括左手肘、右手肘、左膝和右膝；
[0010]步驟三、計算練習(xí)者的具有三個自由度的關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度與標(biāo)準(zhǔn)動作對應(yīng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度之間的角度差，所述具有三個自由度的關(guān)節(jié)包括左肩、右肩、左臀和右臀；
[0011]步驟四、計算練習(xí)者脊柱關(guān)節(jié)夾角與標(biāo)準(zhǔn)動作脊柱關(guān)節(jié)夾角的角度差，所述脊柱關(guān)節(jié)夾角為兩肩關(guān)節(jié)形成的向量與兩臀關(guān)節(jié)形成的向量的夾角，將當(dāng)前動作練習(xí)者脊柱關(guān)節(jié)夾角與標(biāo)準(zhǔn)動作的夾角相減得兩者的角度差；
[0012]步驟五、計算當(dāng)前得分和到目前為止的總得分:對每個動作設(shè)定一個固定的總分，為步驟二、三、四的各個角度差計算一個部分得分；通過對不同的部分得分設(shè)置權(quán)重值，計算得到動作的相似度得分S，練習(xí)者通過相似度得分S判斷自身動作的準(zhǔn)確性，來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的連續(xù)動作訓(xùn)練，動作的相似度得分S是通過計算步驟二、三、四各部分得分的帶權(quán)均值來得到的，計算公式如下:
[0013]
【權(quán)利要求】
1.一種基于Kinect的自適應(yīng)連續(xù)動作訓(xùn)練方法，其特征是用戶通過訓(xùn)練系統(tǒng)來練習(xí)自身的動作達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)動作，所述訓(xùn)練系統(tǒng)包括基于體感外設(shè)的用戶骨架數(shù)據(jù)獲取模塊、骨架數(shù)據(jù)采樣模塊、快速動作比對模塊和顯示結(jié)果與動作回放模塊，骨架數(shù)據(jù)采樣模塊對用戶骨架數(shù)據(jù)獲取模塊獲取的用戶骨架數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并將采樣數(shù)據(jù)送至快速動作比對模塊進(jìn)行分析處理，顯示結(jié)果與動作回放模塊用于顯示及回放分析處理得到的數(shù)據(jù)，其中基于體感外設(shè)的用戶骨架數(shù)據(jù)獲取模塊采用微軟的Kinect體感設(shè)備， 所述快速動作比對模塊的分析處理步驟為: 步驟一、維護(hù)練習(xí)者的用戶ID =Kinect體感設(shè)備對識別到的每個人體骨架分配一個固定ID，快速動作比對模塊只對動作練習(xí)者的用戶ID的骨架進(jìn)行比對，排除臨時走入Kinect體感設(shè)備視野的旁人的干擾； 步驟二、計算練習(xí)者的具有一個自由度的關(guān)節(jié)的張開角度與標(biāo)準(zhǔn)動作對應(yīng)關(guān)節(jié)張開角度之間的角度差，所述具有一個自由度的關(guān)節(jié)包括左手肘、右手肘、左膝和右膝； 步驟三、計算練習(xí)者的具有三個自由度的關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度與標(biāo)準(zhǔn)動作對應(yīng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度之間的角度差，所述具有三個自由度的關(guān)節(jié)包括左肩、右肩、左臀和右臀； 步驟四、計算練習(xí)者脊柱關(guān)節(jié)夾角與標(biāo)準(zhǔn)動作脊柱關(guān)節(jié)夾角的角度差，所述脊柱關(guān)節(jié)夾角為兩肩關(guān)節(jié)形成的向量與兩臀關(guān)節(jié)形成的向量的夾角，將當(dāng)前動作練習(xí)者脊柱關(guān)節(jié)夾角與標(biāo)準(zhǔn)動作的夾角相減得兩者的角度差； 步驟五、計算當(dāng)前得分和到目前為止的總得分:對每個動作設(shè)定一個固定的總分，為步驟二、三、四的各個角度差計算一個部分得分；通過對不同的部分得分設(shè)置權(quán)重值，計算得到動作的相似度得分S，練習(xí)者通過相似度得分S判斷自身動作的準(zhǔn)確性，來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的連續(xù)動作訓(xùn)練，動 作的相似度得分S是通過計算步驟二、三、四各部分得分的帶權(quán)均值來得到的，計算公式如下:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Kinect的自適應(yīng)連續(xù)動作訓(xùn)練方法，其特征是步驟二中關(guān)節(jié)的張開角度的計算為: 左手肘:從Kinect體感設(shè)備獲取左手腕、左手肘、左肩的三維空間坐標(biāo)，分別設(shè)為L、M、N，左手肘關(guān)節(jié)張開的角度計算公式如下:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Kinect的自適應(yīng)連續(xù)動作訓(xùn)練方法，其特征是步驟三中關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度的計算為: 左肩:從Kinect體感設(shè)備獲取左手肘、左肩、右肩的三維空間坐標(biāo)，分別設(shè)為P、Q、R，則左肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度的計算步驟如下: 1)計算練習(xí)者動作中兩肩關(guān)節(jié)相對于標(biāo)準(zhǔn)動作中兩肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，即計算練習(xí)者動作兩肩關(guān)節(jié)構(gòu)成的空間向量與標(biāo)準(zhǔn)動作兩肩關(guān)節(jié)構(gòu)成的空間向量之間的夾角Θ ； 2)構(gòu)造旋轉(zhuǎn)矩陣，練習(xí)者動作和標(biāo)準(zhǔn)動作計算方式一樣: 2.D 將
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Kinect的自適應(yīng)連續(xù)動作訓(xùn)練方法，其特征是所述骨架數(shù)據(jù)采樣模塊對從Kinect體感設(shè)備獲取的用戶骨架數(shù)據(jù)按照該數(shù)據(jù)獲取的時間戳進(jìn)行均勻采樣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Kinect的自適應(yīng)連續(xù)動作訓(xùn)練方法，其特征是所述顯示結(jié)果與動作回放模塊的顯示包括:對當(dāng)前動作相似度得分和到目前為止的總得分在屏幕上實(shí)時顯示； 對具有三個自由度的關(guān)節(jié)，顯示練習(xí)者動作的關(guān)節(jié)與標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸，并用箭頭顯示旋轉(zhuǎn)的方向，以便用戶直觀地改進(jìn)動作； 對具有一個自由度和三個自由度的關(guān)節(jié)分別設(shè)置一個閾值，若練習(xí)者動作與標(biāo)準(zhǔn)動作該關(guān)節(jié)的角度差超過其閾值，則用顏色標(biāo)識出該關(guān)節(jié)以提醒練習(xí)者注意； 當(dāng)練習(xí)者選擇暫停時，將標(biāo)準(zhǔn)動作定格疊加顯示在暫停時的動作上，練習(xí)者據(jù)此調(diào)整自己的動作，直至達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)動作； 在練習(xí)者練習(xí)動作的時候，將Kinect體感設(shè)備拍攝的彩色圖，獲得的練習(xí)者所有關(guān)節(jié)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，以及每次的得分保存起來，當(dāng)練習(xí)者選擇回放時，按照時間序列將這些信息展示給練習(xí)者，用于練習(xí)者分析自己練習(xí)過的動作。
【文檔編號】A63B69/00GK103706106SQ201310745454
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】武港山, 胡曉祥, 金宇 申請人:南京大學(xué)