CN105554400A - 一种通过智能手环实现自动跳跃拍照的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过智能手环实现自动跳跃拍照的方法。自动跳跃拍照方法包含阈值判断，加速度积分求和，实验得出时间预估量等关键步骤。其主要优点：为集成有加速度计的智能手环引入智能控制方法，创新性地加入跳跃自动拍照的功能，解决了因为跳跃过程非静止而导致拍出模糊照片的问题。智能手环在使用者跳跃过程中最高点给出触发信息，控制智能手机上的相机进行拍照从而获取清晰的跳跃瞬间。本发明极大地拓展了智能手机移动平台的应用范围，提高了用户的实际使用体验，具有广阔的商业价值与发展空间。

Description

一种通过智能手环实现自动跳跃拍照的方法

技术领域

本发明涉及一种可应用在智能手机平台引入自动跳跃拍照方法的IMU智能手环。

背景技术

智能手环随着智能手机的普及开始进入日常生活，常见的智能手环除了具有时间显示的功能，只具有运动检测与睡眠分析等较为单一的功能。

在生活中，人们常喜欢拍出跳跃动作的照片，但是因为人在运动中会导致照片出现模糊的情况。为了解决这个问题，市场上现有的三套方法分别是1)设置相机为连拍模式，例如通过连续拍摄10张照片来获取一张人在空中并清晰的照片，但是这没有从根本上解决问题，通常得到的照片依然是模糊的，而且这种方法会大量占用相机的存储空间；2)设置相机的快门的速度达到最高值，使得拍照过程极为短暂来获得较为清晰的动态照片，但是该方法对相机的要求高，一般手机的拍照功能无法实现，并且因为拍照时间很短引起了其他新的问题，包括时间短而无法清楚对焦等；3)通过相机获得的连续多帧的画面，通过机器视觉的方法提取人类轮廓并判断跳跃最高点，自动计算最高点的时刻再触发相机抓拍，但这种方法要求相机计算性能高，并且这种方法严重依赖于图片的图像质量。为了解决这个问题，我们使用佩戴在人体手臂的智能手环，根据传感器的跳跃数据计算最高时刻，并在此时自动触发手机拍出清晰的照片。

发明内容

本发明目的是解决手机在跳跃时拍照无法获得清晰图像的问题，提供一种通过智能手环实现自动跳跃拍照的方法。

本发明将集成了加速度计的IMU设备与智能手机有机结合，拓展了通常智能手环的控制方法。它实现了在智能手机平台上的自动跳跃拍照功能。

本发明的技术方案是：

一种通过智能手环实现自动跳跃拍照的方法，该方法利用IMU的传感器数据，通过阈值设定法和加速度积分来完成自动跳跃拍照；

第1、根据实验测试和拍照设备的反应速度给出拍照时间的预估量；

第2、利用IMU的传感器数据，通过加速度值的阈值判断，使用逆序的方法对跳跃完整动作进行截取；

第3、利用加速度值的积分求和，获取跳跃者最高点的时刻；

第4、根据第3步获取的跳跃者最高点的时刻并结合第1步拍照时间的预估量控制设备拍照时间，完成自动跳跃拍照。

本发明所述的自动跳跃拍照的具体方法是：

步骤S1，将直接由加速度计获取的手环加速度信息经过预处理，完成进制转换与单位换算，之后利用实验归纳出的高加速度阈值a_th划定出使用者的起跳阶段，进而回溯到起跳时刻start；

步骤S2，当使用者双脚离地的瞬间end，竖直方向的加速度由正值转为-g，利用这一特性，用积分计算出使用者在起跳前加速过程所具有的初始速度，由下面公式表示：

$V_0=\underset{t=start}{\overset{end}{\Σ}}a\left(t\right)t_s$

其中a(t)为由加速度计获取的竖直方向加速度，t_s为传感器采样时间；在使用者双脚离地之后，在竖直方向上作加速度为-g的匀加速直线运动，利用公式V₀＝gt_l计算出最终速度为零也即起跳后跳跃最高点时刻t_l；

步骤S3，在获取到使用者跳跃最高点的瞬间，使用智能手环向手机的摄像机发出触发信号，通知镜头拍摄，从而完成跳跃最高点的拍照功能。

本发明通过对加速度值的阈值判断，使用逆序的方法对跳跃完整动作进行截取；对加速度做积分求和处理，求出速度为零的时刻；根据实验和拍照设备的反应速度给出拍照时间的预估量；完成跳跃拍照最高处时自动控制设备抓拍。

本发明的优点和积极效果：

本发明提出了一种具有自动跳跃拍照控制方法的IMU智能手环，该功能解决了手机在跳跃拍照时无法获得清晰图像的实际问题。并为相应的手机产品增加了许多内置的配套功能。使用本控制方法解决跳跃拍照不清晰的问题的优点有：1)低成本，区别于其他市场的现有解决方法，本方法可以使用普通手机拍出清晰的照片，只依靠市场常见的智能手环，而不要求价格昂贵的高性能相机；2)可靠性，本方法通过检测人体速度的物理量来计算跳跃最高点的时刻，对图像的光线等外部条件没有要求，并且基于精确的传感器数据本方法的准确性很高。例如连拍方法等有可能全部都是模糊的照片，而本方法可以消除这种风险。

附图说明

图1为自动跳跃拍照控制算法的流程示意图；

图2为基于智能手机平台的系统架构图；

图3为智能手机平台上软件程序流程图；

图4为跳跃过程加速度曲线；

图5为跳跃实例示意图；

图6为跳跃实验高度对比图；

图7为本发明跳跃拍照结果实例。

具体实施方式

实施例1

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图提供的具体实施例旨在作为本发明示例的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开一种通过智能手环实现自动跳跃拍照的方法，该方法利用佩戴在身体上的智能手环，测量手环处的加速度数据，基于跳跃最高点获取方法实现跳跃拍照的功能。

在实例的实施过程中，为了准确区分使用者以及手环器件所达到的最高点高度，将手环(IMU设备)固定在使用者胸前，并利用由红、黄、蓝、绿四种有明显区别的颜色标识出的2cm等分色带作为测量标尺，该标尺的最小刻度为1厘米。通过辨识最高点位置所在的色带区域，可以清晰明了地获取最高点的实际高度。

实施前，将智能手机正对标尺摆放并由最高点获取方法控制进行抓拍，在其附近同一高度的另一架摄像机全程记录整个跳跃过程。对比由本方法控制抓拍到的最高点与跳跃视频慢放获取的实际最高点之间的差值，验证基于本跳跃最高点获取方法的智能手环的准确性与可靠性，如图5所示。

经过20次实际跳跃测试，获取到由本方法控制的抓拍高度与实际高度的数据，见表1。

表1、跳跃实例结果

如图6所示跳跃实验高度对比图，由抓拍高度与实际最高点的对比可以看出，本跳跃最高点获取方法准确地计算出了手环器件抛出过程的最高位置，相比于实际高度值平均误差仅为0.505cm，具有很高的准确性，较好地完成了对于跳跃最高点抓拍的要求。

自动跳跃拍照

附图1展示了自动跳跃拍照算法实现跳跃拍照功能的流程，包含以下步骤：

步骤S1，直接由手环上的加速度计获取的手环加速度信息通常含有包括随机噪声在内的各种误差，这些误差会对计算结果产生不良的影响，因此在直接使用加速度数据之前，先利用手环上的微处理器对数据进行均值滤波尽可能减小误差。在此基础上为了方便计算应用，将加速度计直接读出的十六进制数据转化为十进制，并变换到以m/s²为单位的标准加速度数据。经过反复的实验测试，归纳出高加速度阈值a_th＝1.8g作为判断使用者起跳阶段的标准，即当处理器检测出加速度计的数据在某一时刻大于该阈值a_th时，表示使用者已经处于准备起跳的阶段，那么可以预想使用者的加速度必然经历了由正常站立增长到该高阈值a_th的过程，所以从查找到阈值a_th的时刻往前回溯到第一次出现站立时标准加速度值为止，该时间点即作为起跳时刻start＝106；

步骤S2，当使用者双脚离地的时刻end＝116，其竖直方向的加速度由正值转为-g，利用这一特性并结合在步骤S1中获取的起跳时刻start，可以准确地截取出使用者完整的起跳加速过程，由此即可以利用手环的微处理器对加速度数据积分，从而计算出使用者双脚离地的瞬间积累得到的初始速度V₀，该初始速度可以由下面公式计算：

$V_0=\underset{t=start}{\overset{end}{\Σ}}a\left(t\right)t_s$

其中a(t)为由加速度计获取的竖直方向加速度，t_s为传感器采样时间0.02s，可以计算出初始速度V₀＝2.8m/s；在双脚离地之后，忽略空气阻力等次要因素，使用者只受到重力提供的竖直向下的加速度。因此可以假设使用者在空中进行初始速度为V₀，加速度为-g的匀加速直线运动，其运动过程可以用公式表示为V₀＝gt_l，随着时间的推进，使用者在跳跃过程中的速度不断减小，当到达t_l＝0.286s时刻，速度刚好减小为0，也即使用者到达了跳跃过程中的最高点。

步骤S3，在经过步骤S1与S2后，智能手环上的处理器已经准确获取到了使用者跳跃最高点的瞬间t_h＝122，这时智能手环会通过其上面的无线通讯模块，向手机的照相机设备发出触发信号，通知镜头拍摄，从而完成跳跃最高点的拍照功能。在实际使用的过程中，考虑到该触发信号从发出到通知照相机设备进行拍摄，以及照相机在接收信号到实际拍摄过程中的时间延迟，通常会将使用者实际跳跃最高点时刻前的某一时刻作为触发点t_a＝121，使得相机最终可以拍出清晰准确的跳跃照片。

附图2为基于智能手机平台的系统架构图，由TI公司的CC2541和INVENSENSE公司的MPU6050芯片构成了智能手环的硬件结构(图2中的左侧部分)，智能手环通过蓝牙BLE协议与智能手机(图2中的右侧部分)连接。智能手环将6轴传感器数据以10Hz的频率传送给手机。手机端通过蓝牙管理、相机管理和所述最高点获取方法，接收数据并实现跳跃拍照功能。

图3为智能手机平台上的软件流程示意图，启动手机应用程序后，提醒用户打开蓝牙，搜索设备并与手环建立连接。根据UUID搜索硬件设备已有服务。用户在功能界面选择后，等待自动跳跃拍照算法后的广播。进入跳跃拍照应用后，通过跳跃最高点获取方法得到的广播来触发相机拍照并保存；在软件应用的过程中，程序会首先将拍照后的图片作为预览提供给用户，在确认后可以进一步完成照片的保存工作，并退出程序。

图4为跳跃过程中的加速度曲线，该曲线完整地表示出了跳跃过程中加速度的变化。图中标识出“跳跃起始点”，“判断跳跃点”，“高加速度阈值”与“跳跃终止点”的定义，即“高加速度阈值”为1.8g或1.8倍重力加速度，“判断跳跃点”为加速度为1.8g的时刻，“跳跃起始点”为从“判断跳跃点”随时间倒推至加速度为1g或1倍重力加速度的时刻，“跳跃终止点”为经过本方法计算出的跳跃最高点时刻。阐释了本跳跃最高点获取方法的原理。

Claims (2)

1.一种通过智能手环实现自动跳跃拍照的方法，其特征在于：该方法利用IMU的传感器数据，通过阈值设定法和加速度积分来完成自动跳跃拍照；

第1、根据实验测试和拍照设备的反应速度给出拍照时间的预估量；

第2、利用IMU的传感器数据，通过加速度值的阈值判断，使用逆序的方法对跳跃完整动作进行截取；

第3、利用加速度值的积分求和，获取跳跃者最高点的时刻；

第4、根据第3步获取的跳跃者最高点的时刻并结合第1步拍照时间的预估量控制设备拍照时间，完成自动跳跃拍照。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的自动跳跃拍照的具体方法是：

步骤S1，将直接由加速度计获取的手环加速度信息经过预处理，完成进制转换与单位换算，之后利用实验归纳出的高加速度阈值a_th划定出使用者的起跳阶段，进而回溯到起跳时刻start；

步骤S2，当使用者双脚离地的瞬间end，竖直方向的加速度由正值转为-g，利用这一特性，用积分计算出使用者在起跳前加速过程所具有的初始速度，由下面公式表示：

$V_0=\underset{t=start}{\overset{end}{\Σ}}a\left(t\right)t_s$

其中a(t)为由加速度计获取的竖直方向加速度，t_s为传感器采样时间；在使用者双脚离地之后，在竖直方向上作加速度为-g的匀加速直线运动，利用公式V₀＝gt_l计算出最终速度为零也即起跳后跳跃最高点时刻t_l；

步骤S3，在获取到使用者跳跃最高点的瞬间，使用智能手环内的蓝牙模块向手机的摄像机发出触发信号，通知镜头拍摄，从而完成跳跃最高点的拍照功能。