CN101655743B - 即时动作辨识方法及其惯性感测与轨迹重建装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种即时动作辨识方法，该方法包括步骤：撷取关于一惯性感测装置的动作所产生的一角速度信号；将该角速度信号与一门槛范围进行比较；以及如果该角速度信号超过该门槛范围，则判断该惯性感测装置处于动作状态。该方法利用检测角速度信号变化来作为惯性感测装置是否有动作的判断依据。利用该方法，本发明更提供一惯性感测与轨迹重建装置，其可在该装置动作的时候，记录所感测的加速度信号与角速度信号，进而通过演算并重建该惯性感测与轨迹重建装置的运动轨迹，以作为后续辨识或者是分析的依据。

Description

即时动作辨识方法及其惯性感测与轨迹重建装置

技术领域

本发明有关一种惯性感测方法及装置，尤其是指一种利用惯性感测信号进行断点检测与轨迹重建辨识的即时动作辨识方法及其惯性感测与轨迹重建装置。

背景技术

随着科技的进步，现代人的生活已经与信息科技产品密不可分。在信息科技的产品中，尤其是电脑与手机等科技产品，更是与多数人生活息息相关。而使用者可以利用这些电脑科技产品，将要执行的作业命令传递到电脑中，经过处理与转换后，电脑会将其处理后的结果呈现于屏幕上。在这样的操作过程中，使用者与电脑之间沟通的方式需要通过一输入界面作为人机对话的界面。

过去电脑产品的人机界面最常见的是键盘与鼠标。一般而言，鼠标主要仅能改变移动与选择的输入模式，因此功能有限，难以下达复杂多元的指令。而键盘输入，因为按键繁多，因此需经一定时间的学习与熟悉，所以有较高的学习门槛。此外，使用键盘或鼠标，通常较难进行细腻的图形绘制与处理，或是需要较多时间进行处理。基于这些限制，其他输入方式，例如：手写或者是语音的人机输入模式也就因应而生。在另一方面，由于多媒体技术的蓬勃发展，也间接带动与多媒体互动的人机界面技术的研究开发。一般而言，与多媒体互动的人机界面多半通过具有加速度或者是角速度的感测装置来进行感测，其中判断感测装置的起始与结束的技术也有相当多元的发展。

在常用的手写输入技术中，感测是否动作的方式可分成几类，第一类为无按钮式的感测，例如：美国公告专利US.Pat.No.5,902,968所公开的一种手写输入装置，主要是利用以加速度与陀螺仪信号检测为手写状态区间时，计算并补偿在此区间内笔轴倾角的手写过程的变化以求得位移变化。至于判断该输入装置是否动作，则是经过高通滤波器的加速度与陀螺仪信号是否大于10Hz，若是，则为手写状态，并补偿于手写状态的角度变化以求得手写轨迹的位移。另外，如美国公开专利申请号US2004/0184659所公开的一种手写输入轨迹辨识系统与方法就提供一个手写轨迹辨识系统，包含：一个运动检测单元用于输出系统本体在空间中的加速度变化的电子信号以及一控制单元用于检测当系统本体暂时停止时的非手写区段间隔，其通过加速度值的标准差跟一门槛范围比较来定义出书写的时间范围以得到手写的电子信号。在该技术中，字符间书写需刻意暂停才能做断点检测。

第二类是属于有按钮式的感测方式，例如：在美国公开专利申请号第2002/0067350号所公开的一种无线手写输入装置，其通过使用者按压一按钮时，建立无线传输模式，利用处理器将加速度计信号与内建加速度序列特征进行比对并辨识，并由蓝牙传送信息至终端器，在该技术中，判断是否开始或停止书写动作的方式是通过使用者是否压下按键来进行辨识。

第三类是属于利用压力计来感测并判断动作与否的技术，例如：美国公开专利申请号US2006/0088215所公开的一种书写辨识系统，其以一个压力感测器置于书写工具的前端，判别是否有接触书写面并且可分离字的轨迹和提笔信号，然后再利用加速度运算书写轨迹并加上压力计感测依据作为手写信号的断点检测。又如美国专利公告第US.Pat.No.6,628,847所公开的亦为一种利用一个压力感测器在笔头，判别是否有接触书写面，分离字的轨迹和提笔信号。

第四类是属于判断笔尖是否接触到手写板以作为判断有无书写的依据，例如美国专利US.Pat.No.5,923,793所公开的一种手写装置，使用者书写于平面板上时，此装置判断笔在一特定方框内的位置，并将此笔划特征存于内存中并辨识，利用笔尖接触手写板来判定为书写开始，因此只能用于二维平面书写。另外，其他诸如美国公开专利US.20070038711也公开一种应用于平面书写的手写输入与辨识装置。

发明内容

本发明提供一种即时动作辨识方法，其利用角速度信号来判断动作信号的开始与结束，以减短惯性辨识所需的时间，可以即时并准确的判断动作区间。

本发明提供一种即时动作辨识方法，其利用角速度信号来判断动作信号的开始与结束，通过角速度感测装置不受于重力的影响，因此其判断运动的基准值并不会因为使用者的姿势而改变，进而可以增加判断是否动作的准确度以及简化判断的程序。

本发明提供一种惯性感测与轨迹重建装置，其利用角速度信号来判断动作信号的开始与结束，并在动作进行中记录所感测的惯性感测信号，以通过演算得到对应动作的运动轨迹，并根据该运动轨迹进行文字辨识或者是动作分析。

在一实施例中，本发明提供一种即时动作辨识方法，包括有下列步骤：撷取一惯性感测装置的动作所产生的角速度信号；将该角速度信号与一门槛范围进行比较；如果该角速度信号超过由该门槛范围所定出的范围，则判断该惯性感测装置处于动作状态。

在另一实施例中，本发明更提供一种惯性感测与轨迹重建装置，包括：一惯性感测单元，其可感测至少一轴的加速度信号以及至少一轴的角速度信号；以及一动作运算单元，其与该惯性感测单元电性连接，该动作运算单元更具有：一动作断点检测单元，其根据该至少一轴的角速度信号，判断出该惯性感测与轨迹重建装置是否处于运动状态；以及一轨迹重建运算单元，其可根据该惯性感测与轨迹重建装置在运动时，该惯性感测单元所感测至少一轴的加速度信号进行轨迹重建以形成一运动轨迹。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1A为本发明的即时动作辨识方法流程示意图；

图1B为感测的三轴(Wx，Wy，Wz)角速度信号示意图；

图2为本发明的即时动作辨识方法另一实施例示意图；

图3A至图3B为将加速度信号重建成运动轨迹示意图；

图4为本发明的惯性感测与轨迹重建装置实施例方块示意图；

图5为本发明的惯性感测与轨迹重建装置另一实施例方块示意图。

其中，附图标记

2-书写动作辨识方法

20～26-步骤

3-惯性感测与轨迹重建装置

30-惯性信号感测单元

31-动作运算单元

310-动作断点检测单元

90-区间

91-基准值

92-动作起始点

93-动作终止点

311-轨迹重建运算单元

312-储存单元

32-信号传送单元

33-第一记忆单元

34-辨识单元

35-显示单元

36-第二记忆单元

4-电子运算装置

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，将参照附图并配合实施例详细说明如下，但以下附图及实施例仅为辅助说明，本发明并不限于附图及实施例。

请参阅图1A所示，该图为本发明的即时动作辨识方法流程示意图。在本实施例中，该即时动作辨识方法的目的在于辨识具有惯性感测元件的动作感测装置是否处于操作状态，并记录动作时所产生的感测信号作为后续轨迹重建与辨识的依据。该方法2包括下列步骤，首先进行步骤20，提供一具有惯性感测元件的惯性感测装置。该惯性感测元件具有可以感测三轴(X，Y，Z)运动状态加速度计以及感测三轴(Wx，Wy，Wz)转动状态的陀螺仪，其中加速度计用以感测此惯性感测装置于运动时所产生的加速度信号，而陀螺仪则用以感测此惯性感测装置运动时所产生的角速度信号。

接着进行步骤21，该惯性感测装置利用一特定时间长度寻找出角速度信号的判断基准。由于陀螺仪会受到环境温度的影响，在不同的使用环境下可能会有不同的角速度判断基准，因此通过一特定时间，检测在该特定时间内陀螺仪感测的角速度信号，并求取平均值以作为后续判断惯性感测装置是否动作的基准。例如，在本实施例中，检测的频率为每秒100次，因此，该惯性感测装置在未动作的情况下或者是静置的情况下，该特定时间长度可以设为1秒，也就是每秒记录100个角速度感测信号，再求取该100个记录的平均值，作为判断的基准值。请参阅图1B所示，该图为感测的三轴(Wx，Wy，Wz)角速度信号示意图。在图中区间90所测量到的角速度Wx，Wy，Wz取100个数据以形成判断的基准值91。

接下来，进行步骤22，对每一轴分别撷取对应的角速度感测信号。该角速度感测信号可以是单一值或者是为多个数据的平均值。为了增加精准度，在本步骤22中，撷取角速度感测信号的数据个数为多个，并求取该多个角速度信号的平均值，以作为步骤22得到的结果。至于撷取的个数可以根据需要而定。例如，在本实施例中，对每一轴的转动状态连续撷取5个角速度信号(历时0.05秒)，再将该5个角速度信号予以平均，以分别得到关于每一轴的角速度感测信号。然后，进行步骤23，将该角速度感测信号与一门槛范围比较。该门槛范围的决定方式可以将步骤21所得到的基准值加减一特定值而定。例如：在本实施例中，该门槛范围为将该基准值上下加减8个计数(count)而定。该特定值的大小根据需要而定，并不以本发明实施例为限。如果该代表三轴的角速度感测信号只要有一轴的角速度感测信号落于该门槛范围内的话，则代表该惯性感测装置处于未运动状态，此时再回到步骤22，持续检测。反之，如果三轴的角速度感测信号分别同时超过该门槛范围的话，则代表该惯性感测装置处于动作状态，例如在图1B中，标号92与93间的三轴角速度信号同时满足步骤23的条件，因此标号92代表动作起始点，而标号93代表动作终止点。当惯性感测装置处于动作状态时，可以进行步骤24，记录惯性感测装置所产生的加速度信号。当然，在记录的过程中，还是持续进行步骤21至步骤22以判断该惯性感测装置是否已经停止动作。

请参阅图2所示，该图为本发明即时动作辨识方法另一实施例示意图。在本实施例中，基本上的步骤与图1A类似，而差异在于本实施例更包括有对所记录的加速度感测信号进行辨识的步骤。在图2中，当记录完惯性感测装置在运动中所产生的加速度感测信号之后，随即进行步骤25，根据三轴(X，Y，Z)记录的加速度信号进行演算以重建出运动轨迹，演算的方式属于常用技术，亦即对加速度信号进行积分的运算，将加速度积分成位移以形成该惯性感测装置移动的轨迹。请参阅图3A至图3B所示，该图为将加速度信号重建成运动轨迹示意图。在图3A至图3B中，将惯性感测装置在移动的过程中所感测到的三维加速度信号进行积分，最后重建出如图3B的轨迹。

再回到图2所示，接下来进行步骤26，亦即对步骤25所重建的轨迹进行辨识，以解析出轨迹的内容。在本步骤中，可以有不同的应用。在一实施例中，该轨迹辨识可以为文字书写的辨识，亦即将步骤25所得到的轨迹视为文字的轨迹，根据该轨迹与现有的数据进行比对以辨识出该文字的内容。将轨迹辨识出对应的文字的技术，属于常用的技术，在常用的技术中，有很多辨识技术可以根据轨迹的内容辨识出该轨迹所对应的文字，因此在此不作赘述。在另一实施例中，该轨迹辨识可以应用于运动员的动作判断，例如：在棒球领域中，投球或者是挥打的姿势亦可在惯性感测装置的检测下产生运动的轨迹，此时利用步骤25可以针对该轨迹与理想的挥打姿势或者是投球姿势进行比较，使得运动员可以即时修正其姿势与理想姿势的差异，进而改善投球或者是挥打的效果。虽然前述以棒球作为说明的实施例，但是在其他运动领域(如篮球、高尔夫球或者是体操，但不以此为限)或者是其他需要通过轨迹来判断动作优劣的场合，例如：在数字电影产业通过描绘撷取实体人/物3D位移轨迹达到仿真动画制作，或者是物理治疗康复通过撷取人体动作3D位移轨迹作为康复状态分析、人工关节义肢设计等，都可以利用本发明的图2的流程来进行动作分析与判断。

请参阅图4所示，该图为本发明的惯性感测与轨迹重建装置实施例方块示意图。该惯性感测与轨迹重建装置3，包括有一惯性信号感测单元30以及一动作运算单元31。该惯性信号感测单元30，其可感测至少一轴的加速度信号以及至少一轴的角速度信号。在本实施例中，该惯性感测单元30为可感测三轴运动状态的加速度感测器以及可以感测到三轴的角速度的角速度感测器，该角速度感测器为陀螺仪，但不以此为限。

该动作运算单元31以一信号传送单元32与该惯性信号感测单元30之间电性连接，电性连接的方式可以选择使用有线传输或者是无线传输的方式，在本实施例中，该信号传送单元32以无线传输的方式传递感测信号给该动作运算单元31。该动作运算单元31具有一动作断点检测单元310以及一轨迹重建运算单元311。该动作断点检测单元310根据该至少一轴的角速度信号，判断出该惯性感测与轨迹重建装置3是否处于运动状态。在本实施例中，该动作断点检测单元310的判断步骤为根据图1所述的步骤来进行检测，以判断该惯性感测与轨迹重建装置3是否处于运动的状态。该轨迹重建运算单元311则可根据该惯性感测与轨迹重建装置3在运动时，该惯性感测单元30所感测三轴加速度信号进行轨迹重建以形成一运动轨迹，其轨迹重建的方式如图2中的步骤24所示，亦即分别对三轴的加速度感测信号积分成位移信号，以形成运动的轨迹，如图3A与图3B所示。该动作运算单元31更具有一储存单元312，其用以记录该惯性感测单元30所感测出的加速度信号以及角速度信号。例如在图3A中的(a)图，代表动作开始时，也就是利用角速度信号判断出惯性感测与轨迹重建装置3处于动作时，从动作起始点时利用加速度(X、Y、Z)三轴的感测信号所积分出来的位移变化轨迹。当惯性感测与轨迹重建装置3持续在书写或动作的过程中，加速度信号积分出来的结果如图3A中的(b)图所示。当角速度信号落在门槛范围内时，则断定动作停止，因此加速度信号的积分处理也会处理到动作终点前所感测到的加速度信号。从动作起点到终点所行程的轨迹如图3A的(c)所示。至于图3B则是表示在三维空间中书写时所解析出来的轨迹。

该动作运算单元31，更连接有一第一记忆单元33，以记录该轨迹重建运算单元311所重建的运动轨迹。此外，该惯性感测与轨迹重建装置3，其更具有一辨识单元34，与该第一记忆单元33相偶接，该辨识单元34可读取该第一记忆单元33内所记录的运动轨迹，并且根据该运动轨迹辨识出一对应的文字。该辨识单元34更耦接有一显示单元35以显示该辨识单元34所辨识出的文字。该显示单元35可以整合于该惯性感测与轨迹重建装置3的一壳体上，如图3B所示。该显示单元可选择为LCD或者是LED显示器，但不以此为限。在另一实施例中，该显示单元35可以为一独立的显示器与该辨识单元34有线或者是无线连接。另一方面，该辨识单元34更连接有一第二记忆单元36以记录辨识出的文字内容。

请参阅图5所示，该图为本发明的惯性感测与轨迹重建装置另一实施例方块示意图。在本实施例中，基本上与图4的实施例类似，差异的是，在本实施例中，该惯性感测与轨迹重建装置3并非利用于文字辨识的领域。该惯性感测与轨迹重建装置3与一电子运算装置4相连接。该电子运算装置4可选择为具有运算以及多媒体显示能力的电脑、工作站或者是服务器等，但不以此为限。在本实施例中，该惯性感测与轨迹重建装置并不一定是呈现书写笔的状态，可能是做成可以贴负在人的肢体上(例如：手或者是脚或者是腰部等)的结构，来感测使用者因动作所产生的信号，进而利用图1A或图2的方法进行处理与辨识。该电子运算装置4可存取储存于该第一记忆单元33内的重建轨迹信息以进行辨识，该轨迹辨识可以应用于运动员的动作判断，例如：在棒球领域中，投球或者是挥打的姿势亦可在惯性感测装置的检测下产生运动的轨迹，此时利用步骤25可以针对该轨迹与理想的挥打姿势或者是投球姿势进行比较以作为动作与姿态训练的依据，使得运动员可以即时修正其姿势与理想姿势的差异，进而改善投球或者是挥打的效果。虽然前述以棒球作为说明的实施例，但是在其他运动领域(如篮球、高尔夫球或者是体操，但不以此为限)或者是其他需要通过轨迹来判断动作优劣的场合，例如：在数字电影产业通过描绘撷取实体人/物3D位移轨迹达到仿真动画制作，或者是物理治疗康复通过撷取人体动作3D位移轨迹作为康复状态分析、人工关节义肢设计等，都可以利用本发明的图2的流程来进行动作分析与判断。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

综合上述，本发明提供的即时动作辨识方法及其惯性感测与轨迹重建装置，可通过角速度辨识出是否处于动作状态，并更进一步辨识出动作轨迹，以利进行后续文字辨识以及动作分析。

Claims (19)

1.一种即时动作辨识方法，其特征在于，包括有下列步骤：

撷取关于一惯性感测装置的动作所产生的一角速度信号；

将该角速度信号与一门槛范围进行比较；以及

如果该角速度信号超过该门槛范围，则判断该惯性感测装置处于动作状态；

该角速度信号为三轴的角速度信号，若该三轴的角速度感测信号有一轴的角速度感测信号落于该门槛范围内，则代表该惯性感测装置处于未运动状态，持续检测该三轴的角速度信号，若该三轴的角速度感测信号分别同时超过该门槛范围，则代表该惯性感测装置处于动作状态；

还包括有：

在该惯性感测装置动作期间记录其所产生的运动状态信号的一步骤；

对该运动状态信号进行轨迹重建的一步骤。

2.根据权利要求1所述的即时动作辨识方法，其特征在于，该方法在撷取该角速度信号之前包括有检测一基准值的步骤。

3.根据权利要求2所述的即时动作辨识方法，其特征在于，检测该基准值的步骤为在一特定时间内，将所撷取的角速度信号取一平均值以得到该基准值。

4.根据权利要求2所述的即时动作辨识方法，其特征在于，该门槛范围为将该基准值加减一特定值而成。

5.根据权利要求1所述的即时动作辨识方法，其特征在于，该角速度信号为在一特定时间内所撷取的角速度信号所得的一平均值。

6.根据权利要求1所述的即时动作辨识方法，其特征在于，该方法包括有对该重建后的轨迹进行文字辨识的一步骤。

7.根据权利要求1所述的即时动作辨识方法，其特征在于，该方法包括有对该重建后的轨迹进行操作者动作辨识的一步骤。

8.一种惯性感测与轨迹重建装置，其特征在于，包括：

一惯性感测单元，其可感测至少一轴的加速度信号以及至少一轴的角速度信号；以及

一动作运算单元，其与该惯性感测单元电性连接，该动作运算单元具有：

一动作断点检测单元，其根据该至少一轴的角速度信号，判断出该惯性感测与轨迹重建装置是否处于运动状态；以及

一轨迹重建运算单元，其可根据该惯性感测与轨迹重建装置在运动时，该惯性感测单元所感测至少一轴的加速度信号进行轨迹重建以形成一运动轨迹；

该动作断点检测单元当该角速度信号为三轴的角速度信号时，若该三轴的角速度感测信号有一轴的角速度感测信号落于一门槛范围内，则判定该惯性感测与轨迹重建装置处于未运动状态，若该三轴的角速度感测信号分别同时超过该门槛范围，则判定该惯性感测与轨迹重建装置处于动作状态。

9.根据权利要求8所述的惯性感测与轨迹重建装置，其特征在于，该惯性感测单元由至少一个加速度计以及至少一个角速度感测器所构成。

10.根据权利要求9所述的惯性感测与轨迹重建装置，其特征在于，该角速度感测器为陀螺仪感测器。

11.根据权利要求10所述的惯性感测与轨迹重建装置，其特征在于，该陀螺仪感测器用以感测该惯性感测与轨迹重建装置是否处于动作状态。

12.根据权利要求9所述的惯性感测与轨迹重建装置，其特征在于，该加速度计用来感测该惯性感测与轨迹重建装置动作时的运动轨迹。

13.根据权利要求8所述的惯性感测与轨迹重建装置，其特征在于，该动作运算单元连接有一储存单元，其用以记录该加速度信号与该角速度信号。

14.根据权利要求8所述的惯性感测与轨迹重建装置，其特征在于，该装置具有一第一记忆单元以记录该运动轨迹。

15.根据权利要求8所述的惯性感测与轨迹重建装置，其特征在于，该装置具有一辨识单元，该辨识单元根据该运动轨迹辨识出一对应的文字。

16.根据权利要求15所述的惯性感测与轨迹重建装置，其特征在于，该装置具有一显示单元以显示辨识出的文字。

17.根据权利要求16所述的惯性感测与轨迹重建装置，其特征在于，该显示单元设置于该惯性感测与轨迹重建装置的一壳体上。

18.根据权利要求15所述的惯性感测与轨迹重建装置，其特征在于，该装置具有一第二记忆单元以记录辨识出的文字。

19.根据权利要求8所述的惯性感测与轨迹重建装置，其特征在于，该装置与一电子运算装置相连接，该电子运算装置将该运动轨迹与一特定轨迹进行比对。

Images