CN102274028B - 一种人体运动状态多参数同步综合采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人体运动状态多参数同步综合采集方法，包括与信息处理服务器连接的多个视频图像采集设备、无线传感器网络的采集系统，所述方法包括：启动、进入自检测程序；等待接收采集到的信号，如果在设定的自检时间内没有全部收到采集到的信号，系统中止返回待机状态；确定采集数据参数；同步接收视频数据和传感器节点的数据信号。本发明实现了用综合同步方法采集同时发生的运动视频图像、各种人体运动和人体体质动态数据；用实时直播和回放模式播放采集的运动图像视频、各种人体运动和人体体质动态数据，运行操作简便易行，为现代体育运动科学训练提供了一种人体运动状态数据同步综合采集方法，可以直观定性定量地描述运动员在运动过程中每一时刻的运动能力状态和所处运动环境状态。

Description

一种人体运动状态多参数同步综合采集方法

技术领域

本发明属于体育运动训练采集技术领域，涉及一种人体运动状态多参数同步综合采集方法。

背景技术

在体育运动训练中，如何利用现代科学技术手段尽可能真实地采集运动员运动能力的状态，对于科学指导运动训练、提高运动技术水平是非常重要的。运动员在所处运动环境中运动能力的表现状态（运动环境状态可能影响这种能力发挥水平），可以用运动员完成运动技术动作形态的正确性、即时体质状态、运动过程中人体相关位置产生的各项动态物理数据和相关运动环境数据来进行定性和定量地描述。现代竞技体育运动科学训练，迫切需要研究一种人体运动状态多参数同步综合采集方法及系统，同步综合采集人体的运动技术动作形态和与运动技术动作同时发生的即时体质状态、运动过程中人体相关位置产生的各项动态物理数据和与之相关的运动环境数据，并用以直观地、定性和定量地描述运动员运动能力状态，而目前还没有可满足这这种需求的技术和产品。

发明内容

本发明的目的是针对在体育运动训练中采集运动员运动能力表现状态的需求而提出一种人体运动状态多参数同步综合采集方法，用视频图像、传感器、无线传感器网络和软件等技术同步综合采集人体的运动技术动作形态和与运动技术动作同时发生的即时体质状态、运动员运动过程中人体相关位置产生的各项动态物理数据和相关运动环境数据，用以直观地、定性和定量地描述运动员运动能力表现状态。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种人体运动状态多参数同步综合采集方法，包括由信息处理服务器和与之连接的多个视频图像采集设备、无线传感器网络组成的采集系统，所述无线传感器网络由无线网络网关设备和无线传感器网络节点组成；所述多个视频图像采集设备实现对运动员不同角度的视频采集，所述无线传感器网络实现对运动员参数和环境参数的采集，所述运动员参数包括人体体质类参数、人体运动类参数、运动环境类参数，所述无线传感器网络节点通过固定携带装置被固定在运动员身体的被测点、运动场地的测试点；所述采集方法包括以下步骤顺序：

a.启动：确定无线传感器网络节点、确定视频采集设备、设定自检时间、进入自检测程序；

a1.采集系统中无线传感器网络各个节点顺序启动并进入自检测程序：等待接收无线传感器网络中各个无线传感器网络节点采集到的信号，如果在设定的自检时间内收到无线传感器网络中全部节点采集到的信号，则无线传感器网络中全部节点进入采集状态，如果在设定的自检时间内没有全部收到无线传感器网络中每一个节点信号，则采集系统中止返回待机状态； 

a2. 多个视频图像采集设备依次顺序启动并进入自检测程序，等待接收每个视频图像采集设备采集到的信号，如在设定的自检时间内收到每个视频图像采集设备采集到的信号，则多个视频图像采集设备则进入采集状态，如果在设定的自检时间内没有全部收到每个视频图像采集设备采集到的信号，则系统中止返回待机状态；

b.确定采集频率，包括：确定视频图像采集设备视频采集频率、确定人体体质类参数采集频率、确定人体运动类参数采集频率、确定运动环境类参数采集频率，其中视频采集频率小于或等于人体体质类参数采集频率、人体运动类参数采集频率、运动环境类参数采集频率；

c. 启动同步采集，开始计时、同步接收多路视频数据信号和传感器网络中传感器节点的数据信号，以时间顺序的方式分别存储视频数据信号和传感器信号，并将信号送至播放器播放并存储直至到完成采集，停止采集回到待机状态。

所述同步接收多路视频数据信号和传感器网络中传感器节点的数据信号：是在同一时间段内，同时获取视频图像和人体体质类参数、人体运动类参数、运动环境类参数，并将获取的参数和视频图像进行同步存储和播放。

所述在同一时间段内，同时获取视频图像和人体体质类参数、人体运动类参数、运动环境类参数：是在采集系统中设置带有触发控制的参数并行接收装置，用视频帧信号触发带有触发控制的参数并行接收装置实现视频数据信号和无线传感器节点信号的同步采集。

所述在同一时间段内，同时获取视频图像和人体体质类参数、人体运动类参数、运动环境类参数：是按时间顺序获取视频和人体体质类参数、人体运动类参数、运动环境类参数数据，在每一帧视频数据结构中设置时间和时间长度标志，在每一个参数数据结构中设置时间标志，将包含在一帧视频时间长度标志内的相同时间参数与所述一帧视频打包处理，实现视频信号和传感器节点信号的同步采集。

所述的打包处理：是将一帧视频时间长度标志内的数个参数值取最大值、或平均值、或最小值，然后将参数最大值、或平均值、或最小值与所述一帧视频一起送至播放器播放并存储。

所述的视频采集频率范围是20至1000帧/秒；所述的人体体质类参数包括心率、肌电参数，其中，心率参数采集频率范围和肌电参数采集频率范围分别是20至4000Hz；所述人体运动类参数包括加速度、拉压力参数，其中，加速度参数采集频率范围是20至4000Hz，拉压力参数采集频率范是20至4000Hz；所述运动环境类参数包括如风速、风向、温度、湿度和噪声参数，其中，风速、风向参数采集频率范围是20至4000Hz，温度参数采集频率范围是20至4000Hz，湿度参数采集频率范围是20至4000Hz，噪声参数采集频率范围是20至4000Hz。 

所述视频采集设备包括高速摄像机和高速摄像头、普通摄像机和普通摄像头、水下摄像机和水下摄像头。

所述无线传感器网络节点由传感器、放大器、A/D转换器、主控CPU、无线发射接收模块、数据存储模块、电池和壳体构成，该无线传感器网络节点壳体上设置有携带装置，通过携带装置无线传感器网络节点被佩戴在人体被测点部位上。

所述携带装置是环形松紧带，在环形松紧带上有可装载无线传感器网络节点的兜袋。

本发明的有益效果是：实现了用综合同步方法采集同时发生的运动视频图像数据、各种人体体质数据（如：心率、肌电、脑电等参数）、各种人体运动数据（如：速度、加速度、位移、力值、时间等参数）和各种运动环境数据（如运动环境温度、湿度、风向风速和噪声等参数）；用系统控制操作软件即时合成存储；用实时直播和回放2种模式播放用综合同步方法采集的运动图像视频、各种人体体质数据（如：心率、肌电、脑电等参数）、各种人体运动数据（如：速度、加速度、位移、力值等参数）及所处运动环境参数值（如运动环境温度、湿度、风向风速和噪声等参数）；通过点选某一关键数据（如加速度、力值、心率等）即可同时看到与之对应同步发生的运动视频图像和其他数据（其他运动员人体状态参数值和运动环境参数值），点选运动视频图像关键帧即可同时看到与之对应同步的运动员人体状态参数值和运动环境参数值。

本发明结构简单，运行操作简便易行，为现代体育运动科学训练提供了一种人体运动状态数据同步综合采集方法及系统，可以直观地、定性和定量地描述运动员在运动过程中每一时刻的运动能力状态和所处运动环境状态。

下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。

附图说明

图1为本发明实现的采集系统组成框图；

图2 为本发明同步综合采集方法流程图；

图3 为本发明采集系统中无线传感器网络节点结构示意图；

图4 为本发明采集系统中无线传感器网络节点携带装置示意图。

具体实施方式

实施例1，

一种人体运动状态多参数同步综合采集方法实例，参见图1至图4，所述采集方法包括与信息处理服务器1连接的多个视频图像采集设备2、无线传感器网络的采集系统，所述无线传感器网络由无线网络网关设备3和无线传感器网络节点组成；所述节点包括人体体质类参数节点4、人体运动类参数节点5、运动环境类参数节点6，所述多个视频图像采集设备实现对运动员不同角度的视频采集，所述无线传感器网络实现运动员参数和环境参数的采集，即对人体体质类参数、人体运动类参数、运动环境类参数的采集，无线传感器网络节点通过固定携带装置被固定在运动员身体的被测点、运动场地的测试点；所述采集方法包括以下步骤顺序：

a.启动：确定传感器网络节点、确定视频采集设备、设定自检时间、进入自检测程序；其中的确定传感器网络节点是确定被测参数的有效点，确定视频采集设备是确定有几个视频采集角度采集设备；

a1.系统传感器网络各个节点顺序启动并进入自检程序：等待接收传感器网络中各个传感器节点采集到达的信号，如果在设定的自检时间内收到传感器网络中全部节点采集到的信号，则传感器网络中全部节点进入采集状态，如果在设定的自检时间内没有全部收到传感器网络中每一个节点信号，则系统中止返回待机状态； 

a2. 多个视频采集设备依次顺序启动并进入自检程序，等待接收每个视频采集设备采集到的信号，如在设定的自检时间内收到每个视频采集设备采集到的信号，则多个视频采集设备则进入采集状态，如果在设定的自检时间内没有全部收到每个视频采集设备采集到的信号，则系统中止返回待机状态；

b.确定采集频率，包括：确定采集摄像机（摄像头）视频采集频率、确定人体体质类参数采集频率、确定人体运动类参数采集频率、确定运动环境类参数采集频率，其中视频采集频率小于或等于人体体质类参数采集频率、人体运动类参数采集频率、运动环境类参数采集频率；

c. 启动同步采集，开始计时、同步接收多路视频数据信号和传感器网络中传感器节点的数据信号，以时间为基准分别存储视频信号和传感器信号，并将信号送至播放器播放并存储直至到完成采集，停止采集回到待机状态，其过程包括视频设备采集存储c1、网络节点采集存储c2、采集结束c3。

上述步骤中，所述同步接收多路视频数据信号和传感器网络中传感器节点的数据信号：是在同一时间段内，同时获取这一时间段内的人体体质类参数、人体运动类参数、运动环境类参数，并将所选取的参数同所述的同时获取的视频图像进行存储和播放。

在一个较大的运动场内，运动员处在各个不同的运动位置。教练员需要在运动员运动时，获取多点、多位的实时同步人体运动视频图像和运动状态参数值（如：速度、加速度、位移、力值、心率、时间和温度、湿度、风向风速等运动环境参数），能够直观地、定性和定量地对运动状态和运动技术进行监测和综合分析。本实施例将一个大的运动场用一个无线传感器网络（采用无线传感器网络技术采集运动状态时参数的装置）覆盖，运动场中无线传感器网络节点用携带装置佩戴在每一个人体的运动数据采集部位，例如手腕、手掌、脚腕、脚面、胳膊肘端、腰、前胸和头部等，采集的数据通过无线网络网关传输至计算机（信息处理服务器），摄像机（摄像头）设置在场地中用于取得运动员的运动图像，并即时通过无线或有线方式传输至计算机，计算机用系统软件控制着整个数据采集和与数据采集同步的图像采集过程；计算机中装有无线传感器网络数据采集控制和管理、以及数据分析软件。

实例中，所述的视频采集频率范围是20至1000帧/秒；所述的人体体质类参数包括心率、肌电参数，其中，心率参数采集频率范围是20至4000Hz，肌电参数采集频率范围是20至4000Hz；所述人体运动类参数包括加速度、拉压力参数，其中，加速度参数采集频率范围是20至4000Hz，拉压力参数采集频率范围是20至4000Hz；所述运动环境类参数包括如风速、风向、温度、湿度和噪声等参数，其中，风速、风向参数采集频率范围是20至4000Hz，温度参数采集频率范围是20至4000Hz，湿度参数采集频率范围是20至4000Hz。噪声参数采集频率范围是20至4000Hz；所述的视频采集频率与所述参数采集频率的比值是1：3至5，例如，视频采集频率是100帧/秒，那么参数采集频率是300Hz至500Hz；例如，普通摄像机的采集频率通常设置在30帧/秒，参数采集频率是90Hz至150Hz；高速摄像机的采集频率通常设置在500帧/秒，参数采集频率是1500Hz至3000Hz；此种比例的数据采集失真度较低，可以较真实的反映运动员的能力状态。

实施例中，所述视频采集设备包括高速摄像机及摄像头、普通摄像机及摄像头、水下摄像机及摄像头。

实施例中，所述无线传感器网络节点由传感器7、放大器、A/D转换器8、主控CPU9、无线发射接收模块10、数据存储模块11、电池12和壳体构成，该无线传感器网络节点壳体上设置有携带装置，通过携带装置无线传感器网络节点被佩戴在人体各测试部位上。

实施例中，所述携带装置是环形松紧带，例如护腕、护肘、护踝、护腰带或相似可调节尺寸的开放非环形粘贴带等，在环形松紧带13上有可装载无线传感器网络节点的兜袋13-1。

本实施例具体的实施是将采集人体目标参数（如速度、加速度、力值、心率、肌电等）的无线传感器网络节点通过携带装置佩戴在人体上的目标位置，例如手腕、手掌、脚腕、脚面、胳膊肘端、腰、前胸和头部等；将采集运动环境参数（如温度、湿度、风向、风速和噪声等）的无线传感器网络节点布置在运动场所的相应采集位置；在运动场所适宜的拍摄位置架设一至三台摄像装置，连接摄像机与计算机；通过计算机程序软件控制启动摄像装置拍摄，并同步控制无线传感器网络中的各个节点开始采集所需要的人体运动和运动环境参数动态数据，采集到的数据与视频信号相同步。可以在计算机软件工作界面上实时观看受测人运动的视频图像和与之同步发生的速度、加速度、位移、力值、心率、时间和运动环境参数（如温度、湿度、风向、风速和噪声）等数据，数据以数值、曲线等方式显示。采集到的数据和视频可以记录到计算机或存储介质中，可以利用回放和选取关键帧等方式对数据和视频图像进行状态和技术的分析和诊断，可以将数据和视频叠加后生成新的视频图像输出。 

实施例2，

一种人体运动状态多参数同步综合采集方法的优选实施例，参见实施例1，本实施例对于实施例1中所述在一帧视频时间长度内同时获取同一时间内的人体体质类参数、人体运动类参数、运动环境类参数进一步的方法：是在系统中用软件或硬件的方法设置带有触发控制的参数并行接收装置，用视频帧信号触发参数并行接收装置，进而实现视频信号和传感器节点信号的同步采集。

实施例3，

一种人体运动状态多参数同步综合采集方法的优选实施例，参见实施例1，本实施例对于实施例1中所述在同一时间段内同时获取人体体质类参数、人体运动类参数、运动环境类参数进一步的方法：是按时间顺序获取视频和参数数据，在每一帧视频数据结构中设置时间和时间长度标志，同时在每一个所述参数数据结构中设置时间标志，将包含在一帧视频时间长度标志内的相同时间的参数与所述一帧视频打包处理，实现频信号和传感器节点信号的同步采集。所述的打包处理是将一帧视频时间长度内同时获取同一时间内的人体体质类参数、人体运动类参数、运动环境类参数，进行参数最大值提取，然后将参数最大值与所述一帧视频进行存储并将信号送至播放器播放，也可以根据需要对所述参数取最小值或平均值与所述一帧视频进行存储并将信号送至播放器播放。 

Claims (9)

1. 一种人体运动状态多参数同步综合采集方法，包括由信息处理服务器和与之连接的多个视频图像采集设备和无线传感器网络组成的采集系统，所述无线传感器网络由无线网络网关设备和无线传感器网络节点组成；所述多个视频图像采集设备实现对运动员不同角度的视频采集，所述无线传感器网络实现对运动员参数和环境参数的采集，所述运动员参数包括人体体质类参数和人体运动类参数和运动环境类参数，所述无线传感器网络节点通过固定携带装置被固定在运动员身体的被测点和运动场地的测试点；其特征在于，所述采集方法包括以下步骤顺序：

a.启动：确定所述无线传感器网络节点、确定所述视频图像采集设备、设定自检时间、进入自检测程序；

a1.所述采集系统中各个所述无线传感器网络节点顺序启动并进入自检测程序：等待接收所述无线传感器网络中各个所述无线传感器网络节点采集到的数据信号，如果在设定的自检时间内收到所述无线传感器网络中全部所述无线传感器网络节点采集到的数据信号，则全部所述无线传感器网络节点进入采集状态；如果在设定的自检时间内没有全部收到所述无线传感器网络中每一个无线传感器网络节点数据信号，则所述采集系统中止采集返回待机状态； 

a2. 所述多个视频图像采集设备依次顺序启动并进入自检测程序：等待接收每个视频图像采集设备采集到的信号，如在设定的自检时间内收到每个视频图像采集设备采集到的信号，则所述多个视频图像采集设备则进入采集状态；如果在设定的自检时间内没有全部收到每个视频图像采集设备采集到的信号，则所述采集系统中止采集返回待机状态；

b.确定采集频率，包括：确定所述多个视频图像采集设备视频采集频率、确定所述人体体质类参数采集频率、确定所述人体运动类参数采集频率、确定所述运动环境类参数采集频率，其中所述视频采集频率小于或等于所述人体体质类参数采集频率和人体运动类参数采集频率和运动环境类参数采集频率；

c.启动同步采集：开始计时并且同步接收多路视频数据信号和所述无线传感器网络中无线传感器网络节点的数据信号，以时间顺序的方式分别存储所述多路视频数据信号和所述无线传感器网络节点的数据信号，并将所述多路视频数据信号和所述无线传感器网络节点的数据信号送至播放器播放并存储直至到完成采集，停止采集回到待机状态。

2.根据权利要求1所述的一种人体运动状态多参数同步综合采集方法，其特征在于，所述同步接收多路视频数据信号和所述无线传感器网络中无线传感器网络节点的数据信号，是在同一时间段内，同时获取视频图像和所述人体体质类参数和人体运动类参数和运动环境类参数，并将获取的人体体质类参数和人体运动类参数和运动环境类参数和所述视频图像进行同步存储和播放。

3.根据权利要求2所述的一种人体运动状态多参数同步综合采集方法，其特征在于，所述在同一时间段内，同时获取视频图像和所述人体体质类参数和人体运动类参数和运动环境类参数，是在所述采集系统中设置带有触发控制的参数并行接收装置，用视频帧信号触发带有触发控制的参数并行接收装置实现多路视频数据信号和所述无线传感器网络节点数据信号的同步采集。

4.根据权利要求2所述的一种人体运动状态多参数同步综合采集方法，其特征在于，所述在同一时间段内，同时获取视频图像和所述人体体质类参数和人体运动类参数和运动环境类参数：是按时间顺序获取视频图像和所述人体体质类参数和人体运动类参数和运动环境类参数，在每一帧视频图像的数据结构中设置时间标志和时间长度标志，在所述人体体质类参数和人体运动类参数和运动环境类参数中的每一个参数的数据结构中设置时间标志，将包含在一帧视频图像时间长度标志内的相同时间参数与所述一帧视频图像打包处理，实现所述视频图像的信号和所述无线传感器网络节点数据信号的同步采集。

5.根据权利要求4所述的一种人体运动状态多参数同步综合采集方法，其特征在于，所述的打包处理，是将所述一帧视频图像时间长度标志内的数个参数值取最大值或平均值或最小值，然后将参数最大值或平均值或最小值与所述一帧视频图像一起送至播放器播放并存储。

6.根据权利要求1所述的一种人体运动状态多参数同步综合采集方法，其特征在于，所述的视频图像采集频率范围是20至1000帧/秒；所述的人体体质类参数包括心率、肌电参数，其中，心率参数采集频率范围是20至4000Hz，肌电参数采集频率范围是20至4000Hz；所述人体运动类参数包括加速度、拉压力参数，其中，加速度参数采集频率范围是20至4000Hz，拉压力参数采集频率范围是20至4000Hz；所述运动环境类参数包括风速、风向、温度、湿度和噪声参数，其中，风速、风向参数采集频率范围是20至4000Hz，温度参数采集频率范围是20至4000Hz，湿度参数采集频率范围是20至4000Hz，噪声参数采集频率范围是20至4000Hz。

7.根据权利要求1所述的一种人体运动状态多参数同步综合采集方法，其特征在于，所述视频图像采集设备包括高速摄像机和高速摄像头和普通摄像机和普通摄像头和水下摄像机和水下摄像头。

8.根据权利要求1所述的一种人体运动状态多参数同步综合采集方法，其特征在于，所述无线传感器网络节点由传感器、放大器、A/D转换器、主控CPU、无线发射接收模块、数据存储模块、电池和壳体构成，该无线传感器网络节点壳体上设置有固定携带装置，通过固定携带装置，所述无线传感器网络节点被佩戴在运动员身体的被测点部位上。

9.根据权利要求1所述的一种人体运动状态多参数同步综合采集方法，其特征在于，所述固定携带装置是环形松紧带，在环形松紧带上有可装载所述无线传感器网络节点的兜袋。

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