CN105641899B - 一种台阶体能测试的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种台阶体能测试的方法及系统，方法包括：S1、在测试区域设置测试台并定出启动控制区，初始拍摄测试区域图像，定出测试台和启动控制区在测试区域图像中的位置；S2、拍摄测试区域图像，判断拍摄到的测试区域图像中启动控制区是否有人体图像，是则执行S3，否则重复执行S2；S3、继续拍摄测试区域图像，判断测试区域图像中的测试台上方是否有人体图像，若有则对测试台上方的人体图像进行分析，判断人体图像竖直方向上与水平方向上的特征值之比是否小于一姿态阈值，若是，则判定人的站姿不正确，反之，判定人的站姿正确。本发明采用图像识别实现台阶体能测试，降低了人为因素对测试结果的影响，提高测试准确度，并节约了人力成本。

Description

一种台阶体能测试的方法及系统

技术领域

本发明涉及体质检测领域，尤其涉及一种台阶测试方法及系统。

背景技术

拥有一个健康的体魄是迈向成功的重要基础，但随着社会的发展和科技的进步，国民锻炼的机会却变少了，体质变差了，因此对国人进行体质测定具有必要性。其次，国人体质测定也是贯彻《中华人民共和国体育法》和《全民健身计划纲要》的重要举措，它旨在通过对人民进行体质测定，评价体质状况和体育锻炼效果，健全并督促人民参加体育锻炼的有效机制，科学地指导人民开展体育活动，从而不断地增强的国人的体质。

在传统体能测试中有一项台阶体能测试，目前的测试方法为：

初中、高中和大学各年级男生用高40厘米台阶(或凳子)，初中、高中和大学各年级女生及小学五、六年级男女生用高35厘米的台阶(或凳子)做踏台上、下运动。测试前测定安静时的脉搏，然后受试者做轻度的准备活动，主要是活动下肢关节。上、下台阶(或凳子)的频率是30次/分，因而节拍器的节律为120次/分(每上、下一次是四动)。受试者按节拍器的节律完成试验。被测试者从预备姿势开始，(1)被测试者一只脚踏在台阶上；(2)踏台腿伸直成台上站立；(3)先踏台的脚先下地；(4)还原成预备姿势。用2秒上、下一次的速度(按节拍器的节律来做)连续做3分钟。做完后，保持静止休息状态，测量运动结束后的1分钟至1分半钟、2分钟至2分半钟、3分钟至3分半钟的3次脉搏数。并用下列公式求得评定指数，计算结果包含有小数的，对小数点后的1位进行四舍五入取整进行评分。评定指数＝踏台上、下运动的持续时间(秒)×100/2×(3次测定脉搏的和)。整个过程需要人的干预，另外也易受干预者疲劳、情绪、心态等因素的影响，导致计数不准确，从而不能正确统计国人的体质。

因此，现有技术中的台阶体能测试的方法及系统受人为因素影响较大，测试的精准度交底。

发明内容

由于现有技术中的方案人为因素影响较大，本发明提供一种受人为因素影响较小的自动化的台阶体能测试的方法及系统。

同时，本发明还提供的一种受人为因素影响较小的台阶体能测试的方法及系统。

一种台阶体能测试的方法包括步骤：S1、在测试区域设置测试台并定出测试台下方的启动控制区，初始拍摄测试区域图像，定出所述测试台以及启动控制区在所述测试区域图像中的位置；S2、拍摄测试区域图像，判断拍摄到的测试区域图像中所述启动控制区是否有人体图像，是则执行步骤S3，否则重复执行步骤S2；S3、继续拍摄测试区域图像，判断测试区域图像中的测试台上方是否有人体图像，若有则对测试台上方的人体图像进行分析，计算人体图像在竖直方向和水平方向上的特征向量与特征值，若竖直方向上与水平方向上的特征值之比小于一姿态阈值，则判定人的站姿不正确，否则就判定人的站姿正确。

作为一种优选方案，步骤S1中定出所述测试台以及启动控制区在所述测试区域图像中的位置包括如下步骤：S11、在测试台上设置一标志点；S12、拍摄测试区域图像，检测出测试台上标志点，从而确定出测试台在测试区域图像中的位置；S13、根据所述启动控制区与测试台的位置关系定出启动控制区在测试区域图像中的位置。

作为一种优选方案，步骤S1中还定出了人体像素阈值，包括如下步骤：S14、人站立在所述启动控制区，拍摄测试区域图像；S15、统计启动控制区的人物图像像素值，根据统计到的人物图像像素值定出能够判定为人体时的最小像素值，即为人体像素阈值；

各步骤中判断为有人体图像部分的像素值需大于所述人体像素阈值。

作为一种优选方案，在拍摄测试区域图像时，将测试区域的背景设置为反光布，且提供红外光源照射测试区域并利用红外摄像机进行拍摄，以对拍摄到的测试区域图像作二值化处理。

作为一种优选方案，所述步骤S3中，当判定人的站姿正确时，则记为有效体测次数。

一种台阶体能测试的系统包括：测试区域，包含有测试台以及测试台下方的启动控制区；拍摄模块，拍摄测试区域图像；定位模块，定出所述测试台以及所述启动控制区在所述测试区域图像中的位置；人体识别模块，接收所述拍摄模块拍摄到的测试区域图像以及所述定位模块定出的位置，并计算判断测试区域图像中的启动控制区或测试台上方是否有人体图像，当先判断出启动控制区有人体图像接着又判断出测试台上方有人体图像时向姿态判定模块发出启动信号并传送测试台上方的人体图像；以及姿态判定模块，当接收到人体识别模块发送的启动信号时启动并接收测试台上方的所述人体图像，对所述人体图像进行分析，计算人体图像在竖直方向和水平方向上的特征向量与特征值，若竖直方向上与水平方向上的特征值之比小于一姿态阈值，则判定人的站姿不正确，否则就判定人的站姿正确。

作为一种优选方案，所述测试台上贴有一标志点，所述定位模块接收拍摄模块拍摄的测试区域图像，检测出测试台上的标志点，从而确定出测试台在测试区域图像中的位置，并根据所述启动控制区与测试台的位置关系定出启动控制区在测试区域图像中的位置。

作为一种优选方案，所述人体识别模块包括一像素阈值设定单元，用于测试开始前接收控制区确定站立有人时所述拍摄模块拍摄到的测试区域图像，并根据此时统计到的人物图像像素值计算出能够判定为人体时的最小像素值，定为人体像素阈值；所述人体识别模块判断为有人体图像部分的像素值需大于所述人体像素阈值。

作为一种优选方案，所述拍摄模块为红外摄像机；所述台阶测试系统还包括：反光布，设置为测试区域的测试背景；以及红外光源，在拍摄模块拍摄测试区域图像时，照射所述测试区域；所述人体识别模块包括：二值化单元，将接收到的测试区域图像作二值化处理；所述人体识别模块以及姿态判定模块接收到的测试区域图像均通过所述二值化单元进行二值化处理。

作为一种优选方案，还包括一统计模块，用于当姿态判定模块判定人的站姿正确时，则将该次记为有效体测次数。

本发明的台阶体能测试的方法及系统，采用图像识别实现台阶体能测试，取代了传统台阶测试过程中人为的判断和统计，降低了人为因素对测试结果的影响，提高测试准确度，并节约了人力成本。

附图说明

图1是本发明台阶体能测试的方法流程图；

图2是本发明台阶体能测试的系统模块示意图；

图3是应用本发明台阶体能测试系统的场景示意图；

图4是标定时对拍摄到的测试区域图像作二值化处理后得到的图像a；

图5是标定时对拍摄到的测试区域图像作二值化处理后得到的图像b。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用来限定本发明。

参看图1及图3，图1是本发明台阶体能测试的方法流程图，本发明台阶体能测试的方法，包括：

S1、在测试区域设置测试台并定出测试台一侧的启动控制区，初始拍摄测试区域图像，定出所述测试台以及启动控制区在所述测试区域图像中的位置；

在台阶测试区域，设置测试台，以及位于测试台一侧下方的启动控制区。在进行台阶测试前，事先进行标定。标定的内容包括：定出测试台、启动控制区在拍得的测试区域图像中的位置。

在本实施例中，为了快速定出测试台和启动控制区在图像中的位置，以及方便后续进行目标检测，我们将测试区域的背景设置为反光布，且提供红外光源照射测试区域并利用红外摄像机进行拍摄。该拍摄环境，贯穿整个体测过程。同时，在测试台上，如测试台中间，设置一标志点，该标志点为不易于反射光线的材料，如黑色材料。设置完毕后，红外光源照射测试区域，摄像机拍摄测试区域图像。由于背景为反光布，图像中黑色材料的标志点或人体较反光布反射光的能力弱，因此拍得的图像中标志点或人体部分的图像亮度将低于图像中其它部分的亮度值。参看图4，在经过对拍摄得到的测试区域图像作二值化处理后，图像中检测到的黑线即是设置在测试台上的标志点。由于标志点在测试台上的位置已知，因此，根据检测到的标志点的位置，即可定出测试台在测试区域图像中的位置，继而，定出位于测试台一侧下方的启动控制区位置。

此外，测试前的标定还包括对人体像素阈值的设定，为后续作人体检测时判断图像中测试台和启动控制区否有人提供依据。参看图5，标定时，有人站立在启动控制区，经对拍摄到的测试区域图像作二值化处理后，图像中右边黑色部分即为站立在启动控制区的人。统计该部分像素值，根据统计到的该部分人物图像像素值，从而定出能够判定为人体时的最小像素值，即为人体像素阈值。

S2、拍摄测试区域图像，判断拍摄到的测试区域图像中所述启动控制区是否有人体图像，是则执行步骤S3，否则重复执行步骤S2。

完成测试前的标定后，进行体测过程的人体检测。首先，拍摄测试区域图像，对图像中启动控制区位置处的图像作二值化处理，统计处理后的图像中黑色像素值，若该黑色像素值大于人体像素阈值，则判定启动控制区处站有人，执行步骤S3；若小于，则判定启动控制区处没有人，继续拍摄测试区域图像，进行图像中启动控制区处是否有人的判定。

S3、继续拍摄测试区域图像，判断测试区域图像中的测试台上方是否有人体图像，若有则对测试台上方的人体图像进行分析，计算人体图像在竖直方向(图3中标示为Y方向)和水平方向(图3中标示为X方向)上的特征向量与特征值，若竖直方向上与水平方向上的特征值之比小于一姿态阈值，则判定人的站姿不正确，否则就判定人的站姿正确。

在判定启动控制区处有人后，继续拍摄测试区域图像，对获得的测试区域图像中测试台上方位置的图像作二值化处理，统计处理后的图像中黑色像素值，若该黑色像素值大于人体像素阈值，则判定测试台上方处站有人；反之，则判定测试台上方处没有人。当判定测试台上方没人时，则可设置一检测时间，在该段时间内，若检测到测试台上方一直没有人，就返回执行步骤S2，进行启动控制区位置处是否有人的判断；而当判定测试台上方有人时，则进一步对测试台上的人体图像进行计算分析，判断人的的站姿是否正确。

在本实施例中，对人的站姿是否正确进行判断的方法为，对二值化后的测试台上方位置的图像进行位置统计，计算人像区域的协方差矩阵，并计算出人体图像在竖直方向和水平方向上的特征向量与特征值。其中，计算协方差矩阵的方法为：设非零图像点个数为n，其相应的坐标位置记为(x1,y1)、(x2,y2),……,(xi,yi),……,(xn,yn)，其质心位置设为(u,v)，则

因此计算协方差矩阵

其中X、Y为随机变量，其取值分别为(x1,x2,……,xn)、(y1,y2,……,yn),E表示期望。

令Ax＝λx，计算协方差矩阵的特征值λ₁,λ₂与对应的单位特征向量x¹,x²，其x¹的方向是基本上垂直于水平的方向，其x²的方向是基本上水平的方向，其相应的特征值就代表了其在相应方向上的投影值。因为特征向量代表站的方向，而特征值代表了方向上的取值，因此可用其特征值的比来确定人的姿态是否正确。

在计算获得人体图像在竖直方向和水平方向上的特征向量与特征值后，计算竖直方向上与水平方向上的特征值之比，若该比值小于一姿态阈值，则判定人的站姿不正确，反之，就判定人的站姿正确。姿态阈值事先进行如下方式设定：人以标准姿势站在台阶上时，计算人体图像在竖直方向和水平方向上的特征向量与特征值，获得其特征值之比，定为姿态阈值。

进一步的，在判定人的站姿正确后，则将该次站立记为有效体测次数，计入到测试者成绩中。

相对于现有技术，本发明的台阶体能测试的方法采用图像识别实现台阶体能测试，取代了传统台阶测试过程中人为的判断和统计，降低了人为因素对测试结果的影响，提高测试准确度，并节约了人力成本。

请参看图2及图3，本发明还提供一种台阶体能测试的系统，该系统包括：测试区域1、拍摄模块2、人体识别模块3、姿态判定模块4和定位模块5。人体识别模块3中包括一二值化单元和一像素值设定单元(图中未示出)。

在本实施例中，拍摄模块2可以是红外摄像机。同时，系统还包括反光布和红外光源(图中未示出)。反光布为测试区域1提供背景，其与拍摄模块2分别布置在测试区域1的相对两侧，而拍摄模块2正对测试者人体的侧面。红外光源设置在拍摄模块2的周边，用于拍摄模块2拍摄测试区域图像时，照射测试区域1。

在进行台阶测试前，事先进行标定。请参看图4及图5中二值化后的图像，标定的内容包括：定出测试台101、启动控制区102在拍得的测试区图像中的位置，以及对作为判定图像中是否有人依据的人体像素阈值的设定。

为快速定出测试台101在拍得的测试区图像中的位置，在测试台101上，如测试台101中间，设置一标志点，该标志点为不易于反射光线的材料，如黑色材料。设置完毕后，红外光源照射测试区域，摄像机拍摄测试区域图像。由于背景为反光布，图像中采用黑色材料的标志点或人体较反光布反射光的能力弱，因此拍得的图像中标志点或人体部分的图像亮度将低于图像中其它部分的亮度值。参看图4，在经由拍摄识别模块2中的二值化单元对拍摄的测试区图像作二值化处理后，定位模块5检测出图像中黑线的位置，该位置即是设置在测试台101上的标志点。由于标志点在测试台101上的位置已知，因此，定位模块5即可定出测试台101在测试区域图像中的位置，继而，定出位于测试台一侧下方的启动控制区102的位置。

而关于对作为判定图像中是否有人依据的人体像素阈值的设定，过程为：标定时，人站立在启动控制区102处，拍摄模块2拍摄测试区域图像，经由人体识别模块3中的二值化单元作二值化处理后，得到图5。该图中，站立在启动控制区102处的人，即图像中右边黑色部分，人体识别模块3中的像素阈值设定单元统计该黑色部分像素值，根据统计到的该部分人物图像像素值，从而定出能够判定为人体时的最小像素值，即为人体像素阈值。

标定结束后，开始进行台阶体能测试中的人体检测。首先，拍摄模块2拍摄测试区域图像，人体识别模块3中的二值化单元对图像中启动控制区102位置处的图像作二值化处理，统计处理后的图像中黑色像素值，若全部黑色像素值不大于人体像素阈值，则判定启动控制区处没有人，拍摄模块2继续拍摄测试区域图像，人体识别模块3继续判定图像中启动控制区102处是否有人；若该黑色像素值大于人体像素阈值，则判定启动控制区102处有人。

当判定启动控制区102处有人时，拍摄模块2继续拍摄测试区域图像，人体识别模块3的二值化单元对测试台101上方位置处图像作二值化处理，统计处理后的图像中黑色像素值，若全部黑色像素值不大于人体像素阈值，则判定测试台101上没有人，反之，则判定测试台101上有人。

当人体识别模块2判定当前获得的测试区图像中测试台上没有人时，可设置一检测时间，在该段时间内，若人体识别模块一直没有检测到测试台101上方有人，就开始检测启动控制区102是否有人。

当人体识别模块2判定当前获得的测试区域图像中测试台101上有人时，姿态判定模块4进一步对测试台上的人体图像进行计算分析，判断人的的站姿是否正确。计算方法为，姿态判定模块4对经人体识别模块2二值化后的测试台101上方位置的图像进行位置统计，计算人像区域的协方差矩阵，并计算出人体图像在竖直方向和水平方向上的特征向量与特征值。若竖直方向上与水平方向上的特征值之比小于一姿态阈值，则判定人的站姿不正确，否则就判定人的站姿正确。因为特征向量代表站的方向，特征值代表了方向上的取值，因此可用其特征值的比来确定人的姿态是否正确。关于协方差矩阵的计算，请参看方法技术内容部分的说明，这里不再赘述。

姿态阈值采取如下方式进行设定，当人以标准姿势站在台阶上时，计算人体图像在竖直方向和水平方向上的特征向量与特征值，获得其特征值之比，定为姿态阈值。

经姿态判定模块4判定为人的站姿正确后，该系统还包括一统计模块6，统计模块6将该次站立记为有效体测次数，计入到测试者成绩中。

相对于现有技术，本发明台阶体能测试的系统，采用图像识别技术实现台阶体能测试，取代了传统台阶测试过程中人为的判断和统计，降低了人为因素对测试结果的影响，提高测试准确度，并节约了人力成本。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种台阶体能测试的方法，其特征在于，包括步骤：

S1、在测试区域设置测试台并定出测试台下方的启动控制区，初始拍摄测试区域图像，定出所述测试台以及启动控制区在所述测试区域图像中的位置；

S2、拍摄测试区域图像，判断拍摄到的测试区域图像中所述启动控制区是否有人体图像，是则执行步骤S3，否则重复执行步骤S2；

S3、继续拍摄测试区域图像，判断测试区域图像中的测试台上方是否有人体图像，若有则对测试台上方的人体图像进行分析，计算人体图像在竖直方向和水平方向上的特征向量与特征值，若竖直方向上与水平方向上的特征值之比小于一姿态阈值，则判定人的站姿不正确，否则就判定人的站姿正确。

2.根据权利要求1所述的台阶体能测试的方法，其特征在于，步骤S1中定出所述测试台以及启动控制区在所述测试区域图像中的位置包括如下步骤：

S11、在测试台上设置一标志点；

S12、拍摄测试区域图像，检测出测试台上标志点，从而确定出测试台在测试区域图像中的位置；

S13、根据所述启动控制区与测试台的位置关系定出启动控制区在测试区域图像中的位置。

3.根据权利要求1所述的台阶体能测试的方法，其特征在于，步骤S1中还定出了人体像素阈值，包括如下步骤：

S14、人站立在所述启动控制区，拍摄测试区域图像；

S15、统计启动控制区的人物图像像素值，根据统计到的人物图像像素值定出能够判定为人体时的最小像素值，即为人体像素阈值；

各步骤中判断为有人体图像部分的像素值需大于所述人体像素阈值。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的台阶体能测试的方法，其特征在于，在拍摄测试区域图像时，将测试区域的背景设置为反光布，且提供红外光源照射测试区域并利用红外摄像机进行拍摄，以对拍摄到的测试区域图像作二值化处理。

5.根据权利要求1所述的台阶体能测试的方法，其特征在于，所述步骤S3中，当判定人的站姿正确时，则记为有效体测次数。

6.一种台阶体能测试的系统，其特征在于，包括：

测试区域，包含有测试台以及测试台下方的启动控制区；

拍摄模块，拍摄测试区域图像；

定位模块，定出所述测试台以及所述启动控制区在所述测试区域图像中的位置；

人体识别模块，接收所述拍摄模块拍摄到的测试区域图像以及所述定位模块定出的位置，并计算判断测试区域图像中的启动控制区或测试台上方是否有人体图像，当先判断出启动控制区有人体图像接着又判断出测试台上方有人体图像时向姿态判定模块发出启动信号并传送测试台上方的人体图像；以及

姿态判定模块，当接收到人体识别模块发送的启动信号时启动并接收测试台上方的所述人体图像，对所述人体图像进行分析，计算人体图像在竖直方向和水平方向上的特征向量与特征值，若竖直方向上与水平方向上的特征值之比小于一姿态阈值，则判定人的站姿不正确，否则就判定人的站姿正确。

7.根据权利要求6所述的台阶体能测试的系统，其特征在于，所述测试台上贴有一标志点，所述定位模块接收拍摄模块拍摄的测试区域图像，检测出测试台上的标志点，从而确定出测试台在测试区域图像中的位置，并根据所述启动控制区与测试台的位置关系定出启动控制区在测试区域图像中的位置。

8.根据权利要求6所述的台阶体能测试的系统，其特征在于，所述人体识别模块包括一像素阈值设定单元，用于测试开始前接收控制区确定站立有人时所述拍摄模块拍摄到的测试区域图像，并根据此时统计到的人物图像像素值计算出能够判定为人体时的最小像素值，定为人体像素阈值；所述人体识别模块判断为有人体图像部分的像素值需大于所述人体像素阈值。

9.根据权利要求6至8任意一项所述的台阶体能测试的系统，其特征在于，所述拍摄模块为红外摄像机；

所述台阶体能测试的系统还包括：

反光布，设置为测试区域的测试背景；以及

红外光源，在拍摄模块拍摄测试区域图像时，照射所述测试区域；

所述人体识别模块包括：

二值化单元，将接收到的测试区域图像作二值化处理；

所述人体识别模块以及姿态判定模块接收到的测试区域图像均通过所述二值化单元进行二值化处理。

10.根据权利要求6所述的台阶体能测试的系统，其特征在于，还包括一统计模块，用于当姿态判定模块判定人的站姿正确时，则将该次记为有效体测次数。