CN105903157A

CN105903157A - 电子教练实现方法及系统

Info

Publication number: CN105903157A
Application number: CN201610243003.7A
Authority: CN
Inventors: 罗合见; 师丹玮
Original assignee: Shenzhen Taishan Sports Technology Corp Ltd
Current assignee: Shenzhen Taishan Sports Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2016-04-19
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2036-04-19
Also published as: WO2017181717A1; CN105903157B

Abstract

本发明公开的电子教练实现方法及系统包括：S1、获取登录用户的身份信息，调取与用户身份相匹配的运动方案；S2、从尚未执行的运动指导信息序列中，自首条运动指导信息开始引导用户运动；S3、拍摄用户运动图像；S4、提取用户当前动作姿态并与标准动作姿态进作比较，判断两者的差异是否在预设范围内；否则反馈给用户动作错误提醒信息并执行步骤S5；是则执行步骤S6；S5、将当前动作的标准姿态信息反馈给用户，引导用户重做当前动作，然后执行步骤S3；S6、判定当前执行的是否是最后一条运动指导信息，是则判定本次运动结束；否则返回执行步骤S2。本发明方案可以对健身者运动中的动作进行自动比对和纠正，实现实时指导健身。

Description

电子教练实现方法及系统

技术领域

本发明涉及人机互动领域，特别涉及一种电子教练实现方法及系统。

背景技术

随着生活水平的逐步提高，人们越来越重视自身健康。其中，通过运动健身的方式来促进身体健康是最根本的途径。

与开展无序、无计划性的自行健身相比，当用户在专业健身教练的指导下，开展针对性的健身活动时，可以获得更好的健身效果。但现有健身指导方式需要用户到专业的健身房，通过与教练之间进行面对面的交流，获得健身指导，且存在以下不足：

（1）用户在运动过程中无法随时获得教练的指导与督促；

（2）由于教练不是实时指导，用户无法实时知道自己的动作是否标准；

现有健身指导方式存在的不足，大大制约了人们参与健身活动的积极性，因此，在健身活动中，提供一种智能化的健身指导方式是有必要的。

发明内容

本发明提供一种电子教练实现方法及系统，解决现有技术中无法实时开展健身指导，以及在运动中对运动者动作是否标准实时作出判断的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电子教练实现方法，包括：

S1、获取登录用户的身份信息，调取与该用户身份相匹配的运动方案；所述运动方案包括依序排列的各运动指导信息；

S2、从尚未执行的运动指导信息序列中，自首条运动指导信息开始引导用户运动；

S3、拍摄用户运动图像；

S4、提取出拍摄到的用户运动图像中的当前动作姿态，将当前动作姿态与预存的标准动作姿态进行比较，判断两者之间的差异是否在预设范围内；若否，反馈给用户动作错误提醒信息并执行步骤S5；若是，则执行步骤S6；

S5、将当前动作的标准姿态引导信息反馈给用户，引导用户重做当前动作，然后执行步骤S3；

S6、判定当前执行的是否是最后一条运动指导信息，若是，则判定本次运动结束；若否，则返回执行步骤S2。

进一步，每条运动指导信息内包含了当前动作的允许重复次数，所述步骤S4中执行步骤S6之前还包括：检查用户重复做当前动作的次数是否已达到预设的允许重复次数，若是，则判定用户已执行完毕本条运动指导信息，接着执行步骤S6；若否，则执行步骤S5。

进一步，所述步骤S4中将当前动作姿态与预存的标准动作姿态进行比较包括：

根据当前动作定出人体上的关键关节点，计算出当前动作姿态中各关键关节点的旋转角度；

将当前动作姿态中各关键关节点的旋转角度与预存的标准动作姿态中相对应的关节点的旋转角度进行比较。

进一步，步骤S5中将当前动作的标准姿态引导信息反馈给用户包括：播放视频纠正出用户当前动作错误之处，并演示标准动作姿态。

进一步，步骤S6中判定若本次运动结束之后还包括，对用户该次运动信息进行记录以据此进行运动方案更新。

本发明还提供了一种电子教练实现系统，包括：

登录单元，用于获取登陆用户的身份信息，并调取与该用户身份相匹配的运动方案；所述运动方案包括依序排列的各运动指导信息；

运动指导单元，用于从尚未执行的运动指导信息序列中，自首条运动信息开始引导用户运动；

拍摄单元，用于拍摄用户运动图像；

动作判定单元，用于提取出拍摄单元拍摄到的用户运动图像中的当前动作姿态，将当前动作姿态与预存的标准动作姿态进行比较，判断两者之间的差异是否在预设范围内；若否则反馈给用户动作错误提醒信息并启动姿势引导单元，若是则启动进度单元；

姿势引导单元，将当前动作的标准姿态引导信息反馈给用户，引导用户重做当前动作；

进度单元，判定当前执行的是否是运动指导单元所发出的最后一条运动指导信息，若是则判定本次运动结束，若否则启动运动指导单元以引导用户继续运动。

进一步，每条运动指导信息内包含了当前动作的允许重复次数，所述电子教练实现系统还包括一计数单元，所述动作判定单元在启动姿势引导单元之前先启动所述计数单元，

所述计数单元用于检查用户重复做当前动作的次数是否已达到预设的允许重复次数，若是，则判定用户已执行完毕本条运动指导信息，并启动进度单元；若否，则启动姿势引导单元。

进一步，所述动作判定单元包括：

关节点确定模块，用于根据当前动作定出人体上的关键关节点；

旋转角度计算模块，用于计算出当前动作姿态中各关键关节点的旋转角度；以及

比较判定模块，用于将当前动作姿态中各关键关节点的旋转角度与预存的标准动作姿态中相对应的关节点的旋转角度进行比较，判断差异值是否在预设的容错范围内。

进一步，所述动作判定单元包括错误提示模块，用于播放视频纠正出用户当前动作错误之处。

进一步，所述电子教练实现系统还包括一记录模块，用于在进度单元判定本次运动结束后，对用户该次运动信息进行记录以据此进行运动方案更新。

本发明的有益效果是：本发明提供的电子教练实现方法及系统，在获取用户身份信息后，调取出用户匹配的运动方案，让用户根据运动方案做运动。运动过程中，采用图像拍摄的方式，对用户运动动作与预存的标准动作进行比较，实时纠正不标准动作。采用本发明方案，通过视觉识别的方式，为健身者提供了一名电子教练，可以对健身者运动中的动作进行自动比对和纠正，从而实时指导其按照运动处方开展健身活动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：

图1是本发明电子教练实现方法的一个优选实施方式的流程图；

图2是本发明电子教练实现系统一个优选实施例的模块图；

图3是人体主要关节示意图；

图4a是人体左手部处于水平状态的关节示意图；

图4b是人体左肘关节旋转后的关节示意图；

图5a是标准姿态下的太极起势动作的人体关节示意图；

图5b是用户做太极起势动作的人体关节示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2，本发明电子教练实现系统，包括登录单元1、运动指导单元2，拍摄单元3，动作判定单元4，姿势引导单元5和进度单元6，若有必要，还可以包括计数单元7。

请结合参阅图1，用户通过登录单元1进入电子教练实现系统。此时，系统进行步骤S1，即

S1、获取登录用户的身份信息，调取与该用户身份相匹配的运动方案。

登录单元1获取用户的身份信息，该身份信息包括用户的身份证、人脸等可以区分用户身份的信息。相应的，登录单元1可以是身份扫描器、人脸扫描器或者是多种身份信息扫描仪器的集成体。该身份信息已经进行过注册和存储，并在该用户身份下，存储有与其身份相匹配的运动方案。存储数据储存在云端或本地服务器中。当用户通过身份证、人脸扫描等方式进行登陆时，通过对获取的身份证、人脸等身份信息与存储的身份信息进行比对，确认身份后，调取出与该用户身份相匹配的运动方案。该运动方案包括依序排列的各运动指导信息。运动方案是针对用户身体体质状况出具的针对性健身计划，基于该健身计划，分解生成各运动指导信息。如该运动方案为完成一套四十二式太极拳锻炼。经过分解后，形成的运动指导信息为，“依次进行如下动作：起势（并脚站立）—起势（左脚开立）—起势（屈膝按掌）—……. — 收势（分手下按）—收势（收脚并立）”；又如该运动方案为划船器锻炼，锻炼时长30分钟。经过分解后，运动指导信息为，“依次进行全身耐力锻炼5分钟（腿部伸直，腰部后仰，双臂向两侧后划）—……. — 下半身爆发力锻炼5分钟（双臂伸直后腰部后仰，双腿弯曲蹬直）”。

在登录单元1调取出登录用户的运动方案，用户做好运动准备后，系统执行步骤S2，即

S2、从尚未执行的运动指导信息序列中，自首条运动指导信息开始引导用户运动。

根据登录单元1调取出的登录用户的运动方案，运动指导单元2从尚未执行的运动指导信息序列中，自首条运动指导信息开始引导用户运动。以运动方案为“完成一套四十二式太极拳锻炼”为例，若用户已完成运动指导信息中的“起势（并脚站立）”动作，则在尚未执行的运动指导信息序列中，首条运动指导信息为“起势（左脚开立）”，则运动指导单元2开始引导用户做“起势（左脚开立）”这一运动动作。

在用户根据运动指导单元2引导做运动过程中，系统执行步骤S3，即

S3、拍摄用户运动图像。

拍摄用户运动图像由拍摄单元3完成，该拍摄单元3可以是采用电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）类型的图像传感器。

拍摄得到的图像信息经拍摄单元3传输给动作判定单元4，此时，系统执行步骤S4，即

S4、提取出拍摄到的用户运动图像中的当前动作姿态，将当前动作姿态与预存的标准动作姿态进行比较，判断两者之间的差异是否在预设范围内；若否，反馈给用户动作错误提醒信息并执行步骤S5；若是，则执行步骤S6。

动作判定单元4从拍摄单元3拍摄到的用户运动图像中提取出用户当前动作，并将当前动作姿态与预存的标准动作姿态进行比较，判断两者之间的差异是否在预设范围内。关于如何从运动图像中提取出动作姿态，在图像处理领域已有成熟的技术方案，在这里不再赘述。

在阐述动作判定单元4如何将提取出的用户当前动作姿态与标准动作姿态进行比较之前，先对人体的关节关系进行说明，如图3所示，人体的关节分为五大部分：

身体部：胯中、脊柱、肩中心、头部，其中胯中为身体部的根关节。另外，胯中是脊柱的父关节，脊柱是肩中心的父关节，肩中心是头部的父关节，即后面每个关节的父关节为前一个关节；肩中心为左肩和右肩的父关节、胯中为左胯和右胯的父关节。

左手部：左肩、左肘、左腕，其中左肩为左手部的根关节，后面每个关节的父关节为前一个关节。

右手部：右肩、右肘、右腕，其中右肩为右手部的根关节，后面每个关节的父关节为前一个关节。

左腿部：左胯、左膝、左踝、左脚，其中左胯为左腿部的根关节，后面每个关节的父关节为前一个关节。

右腿部：右胯、右膝、右踝、右脚，其中右胯为右腿部的根关节，后面每个关节的父关节为前一个关节。

人体运动本质上是各个关节的运动，即各个关节相对于父关节的旋转，以及胯中的位移。

父关节的旋转带着它的所有子孙关节（相对于父关节旋转的关节）一起旋转，而不会影响其它父关节的旋转；关节的子孙关节作为此关节的一部分，若只是此关节旋转，其子孙关节本身并不旋转，其关系说明如下：

请参照图4a，以人体左手部动作为例，此时左手部处于水平状态，A点代表左肩，B点代表左肘，C点代表左腕。建立三维直角坐标系，X轴沿左手部水平方向，Y轴为垂直左手部方向，Z轴为垂直XY平面方向。关节的旋转角度用（x，y，z）表示，其中x，y，z分别表示该关节相对于其父关节绕x、y、z轴的旋转角度。在图4a所示左手部处于水平状态时，A、B、 C三点的旋转角度信息分别为A（0，0，0）、B（0，0，0）、C（0，0，0）。当左手部由处于水平状态进行左肘旋转，具体为左肘绕Y轴旋转45度，绕Z轴旋转45度后，如图4b所示，则此时A、B、 C三点的旋转角度信息分别变化为A（0，0，0）、B（0，45，45）、C（0，0，0），即作为左肘子孙关节的左腕并不发生旋转。

因此，动作判定单元4将当前动作姿态与标准动作姿态进行比较，判定动作是否符合要求，其基本原理是根据当前动作，定出人体上的关键关节点，然后检测这些关键关节点的旋转与标准动作姿态对应关节的旋转的误差是否在指定的容错范围内。因此，具体的，动作判定单元4具体包括一关节点确定模块（图中未示出），用于根据当前动作定出人体上的关键关节点；一旋转角度计算模块（图中未示出），用于计算出当前动作姿态中各关键关节点的旋转角度；以及一比较判定模块（图中未示出），用于将当前动作姿态中各关键关节点的旋转角度与预存的标准动作姿态中相对应的关节点的旋转角度进行比较，判断差异值是否在预设的容错范围内。

其中，检测用户动作是否标准的算法公式如下：

公式中，Pi.x、Pi.y、Pi.z:分别表示用户动作关键关节中第i个关节相对于其父关节绕x轴、y轴、z轴的旋转角度；Ti.x、Ti.y、Ti.z:分别表示标准动作关键关节中第i个关节相对于其父关节绕x轴、y轴、z轴的旋转角度；error表示用户此动作与标准动作的误差；预先设定一表示允许的最在容错阈值，用Tolerance表示，则，如果error < Tolerance，则表明用户动作与标准动作动作间的误差在预设范围内，符合动作要求；如果error >= Tolerance，则表明用户动作与标准动作动作间的误差不在预设范围内，不符合动作要求。

下面继续以太极的起势动作为例，对判断当前动作是否符合标准进行说明。由于对如何从提取的人体姿态中，计算出各个关节点的旋转角度信息，已有大量技术文献公开，如微软的Kinect技术，因此，该部分在这里不再赘述。

以检测太极的起势动作中，左手部是否标准为例。关节点确定模块定出左手部关键节点为左肩、左肘和左腕，检测时，只对该三个关节点进行旋转角度检测。标准动作姿态下，如图5a所示，左肩即图中a点的旋转角度为（47.6，40.2，11.1），左肘即图中b点的旋转角度为（-53.2，-20.7，-3.9），左腕即图中c点的旋转角度为（4.3，-9.8，23.2）；当用户做出的动作如图5b所示，旋转角度计算模块分别检测出左肩即图中a'点的旋转角度为（28.8，22.1，2.5），左肘即图中b'点的旋转角度为（-54.5，-20.2，-8.1），左腕即图中c'点的旋转角度为（21.9，8.5，30.8）；在经过比较判定模块的计算后，

左肩的误差为：

sqrt((47.6-28.8)*(47.6-28.8)+(40.2-22.1)*(40.2-22.1)+(11.1-2.5)*(11.1-2.5))=27.4774

左肘的误差为：

sqrt((-53.2+54.5)*(-53.2+54.5)+(-20.7+20.2)*(-20.7+20.2)+(-3.9+8.1)*(-3.9+8.1)) = 4.4249

左腕的误差为：

sqrt((4.3-21.9)*(4.3-21.9)+(-9.8-8.5)*(-9.8-8.5)+(23.2-30.8)*(23.2-30.8)) = 26.5030

根据前文所述的检测用户动作是否标准的算法公式，则用户在做太极的起势动作时，就左手部动作姿态，经比较判定模块计算出的用户当前动作与标准动作姿态的误差为：27.4774。同理，相继求出用户右手部，左腿部，右腿部以及身体部（根据动作类型及严格程度的需要，选择需要检测的人体关节部分）的动作误差，然后与预设的容错值进行比较，判断用户当前动作与标准动作姿态间的误差是否在预设范围内。

进一步的，动作判定单元4还包括一错误提示模块（图中未示出），该错误提示模块可以是一显示器，用于播放视频纠正出用户当前动作错误之处，除此，还可以显示登录用户的运动方案，以及播放声音和/或画面的方式向用户反馈动作错误提醒信息。

根据用户当前动作与标准动作姿态相比后的判断结果，系统分别作出不同处理：

（1）当检测出用户当前动作姿态与标准动作姿态间的差异值不在预设的容错范围内，即判断出用户当前动作不标准时，在反馈给用户动作错误提醒信息后，执行步骤S5，即

S5、将当前动作的标准姿态引导信息反馈给用户，引导用户重做当前动作，然后返回执行步骤S2。

根据动作判定单元4给过来的启动信号，姿势引导单元5将当前动作的标准姿态引导信息反馈给用户，引导用户重做当前动作。

进一步的，当检测出用户当前动作姿态与标准动作姿态间的差异值不在预设的容错范围内，系统在执行步骤S5之前还包括执行步骤S41，即

S41、检查用户重复做当前动作的次数是否已达到预设的允许重复次数。

相对应的，系统中的计数单元7，用于检查用户重复做当前动作的次数是否已达到预设的次数。当检测出用户当前动作姿态与标准动作姿态间的差异值不在预设的容错范围内时，动作判定单元4在启动姿势引导单元5之前先启动计数单元7，对用户重复做当前动作的次数是否已达到预设的允许重复次数进行检查。每条运动指导信息内中可预先设置好当前动作的允许重复次数，当用户在重复做该动作时，通过计数单元7的检查，可以避免出现当用户重复当前动作始终无法达到预设标准动作姿态时，一直不停地重复当前动作而无法进入下一条动作的情况。这样，即使用户执行某条运动指导无法达到预设标准动作姿态时，仍然可以继续进行下一条运动指导，做下一个运动动作，从而带来更好的用户体验。

（2）当检测出用户当前动作姿态与标准动作姿态间的差异值在预设的容错范围内，即判断出用户当前动作标准时，系统执行步骤S6，即

S6、判定当前执行的是否是最后一条运动指导信息。若是，则执行步骤S7；若否，则返回执行步骤S2。

S7、判定本次运动结束。

根据动作判定单元4给过来的启动信号，进度单元6判定当前执行的是否是运动指导单元4所发出的最后一条运动指导信息，若是，则判定本次运动结束。如当用户以符合要求的动作姿态完成了四十二式太极拳运动方案中的最后一条运动指导信息“收势（收脚并立）”动作，则判定用户已完成运动方案“完成一套四十二式太极拳运动”。相反的，若判定当前执行的不是最后一条指导信息，则启动运动指导单元4以引导用户继续运动，即从尚未执行的运动指导信息序列中，执行首条运动指导信息。如当前用户以符合要求的动作姿态完成了四十二式太极拳运动方案中的运动指导信息“收势（分手下按）”动作，此时，判定出当前执行并不是最后一条运动指导信息，尚未执行的运动指导信息序列中，还有“收势（收脚并立）”这一条运动指导信息，因此，继续引导用户做“收势（收脚并立）”这一动作。

进一步的，系统在执行步骤S6中判定若本次运动结束之后还包括，对用户该次运动信息进行记录以据此进行运动方案更新。

相对应的，系统还包括一记录模块（图中未示出），用于在在判定用户本次运动结束后，对用户该次运动信息进行记录，上传到本地或云端服务器，对其运动方案进行更新。

本发明提供的电子教练实现方法及系统，在获取用户身份信息后，调取出用户匹配的运动方案，让用户根据运动方案做运动。运动过程中，采用图像拍摄的方式，对用户运动动作与预存的标准动作进行比较，实时纠正不标准动作。采用本发明方案，通过视觉识别的方式，为健身者提供了一名电子教练，可以对健身者运动中的动作进行自动比对和纠正，从而实时指导其按照运动处方开展健身活动。

以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种电子教练实现方法，其特征在于，包括：

S3、拍摄用户运动图像；

2.根据权利要求1所述的电子教练实现方法，其特征在于，每条运动指导信息内包含了当前动作的允许重复次数，所述步骤S4中执行步骤S5之前还包括：检查用户重复做当前动作的次数是否已达到预设的允许重复次数，若是，则判定用户已执行完毕本条运动指导信息，接着执行步骤S6；若否，则执行步骤S5。

3.根据权利要求1或2所述的电子教练实现方法，其特征在于，所述步骤S4中将当前动作姿态与预存的标准动作姿态进行比较包括：

4.根据权利要求1或2所述的电子教练实现方法，其特征在于，所述步骤S5中将当前动作的标准姿态引导信息反馈给用户包括：播放视频纠正出用户当前动作错误之处，并演示标准动作姿态。

5.根据权利要求1或2所述的电子教练实现方法，其特征在于，步骤S6中判定若本次运动结束之后还包括，对用户该次运动信息进行记录以据此进行运动方案更新。

6.一种电子教练实现系统，其特征在于，包括：

拍摄单元，用于拍摄用户运动图像；

7.根据权利要求6所述的电子教练实现系统，其特性在于，每条运动指导信息内包含了当前动作的允许重复次数，所述电子教练实现系统还包括一计数单元，所述动作判定单元在启动姿势引导单元之前先启动所述计数单元，所述计数单元用于检查用户重复做当前动作的次数是否已达到预设的允许重复次数，若是，则判定用户已执行完毕本条运动指导信息，并启动进度单元；若否，则启动姿势引导单元。

8.根据权利要求6或7所述的电子教练实现系统，其特征在于，所述动作判定单元包括：

9.根据权利要求6或7所述的电子教练系统，其特征在于，所述动作判定单元包括错误提示模块，用于播放视频纠正出用户当前动作错误之处。

10.根据权利要求6或7所述的电子教练实现系统，其特征在于，所述电子教练实现系统还包括一记录模块，用于在进度单元判定本次运动结束后，对用户该次运动信息进行记录以据此进行运动方案更新。