CN110109532A - 一种基于人体姿态获得系统的人体动作比对系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人体姿态获得系统的人体动作比对系统，包括：人体姿态获得系统，用于获得用户人体姿态信息；人体模型转换系统，用于将人体姿态信息转换为人体模型，建立运动过程动画；分析计算系统，用于将人体姿态信息进行关节和肌肉受力分析计算，计算出用户运动过程动画和标准运动过程动画中的力学模型，并将关键数据批注于力学模型的相关位置，获得标注的用户人体模型和标注的标准人体模型；对比系统，用于获得用户实时动作与标准动作的差异信息，本申请中的系统可同时满足3D，2D教学效果，并且能够大幅降低学员获得专业教练教学的成本。

Description

一种基于人体姿态获得系统的人体动作比对系统

技术领域

本发明涉及人体动作研究领域，具体地，涉及一种基于人体姿态获得系统的人体动作比对系统。

背景技术

基于互联网上的竞技体育、体育健身、舞蹈、人体姿态等教学的实现方案，目前有两种解决方案。一、2D方案以播放事先录制好的视频、音频文件的方式为主。学员根据所播放的视频(音频)内容跟进学习。二、3D方案以VR+光学动捕(或惯性动捕)为基础的交互。

2D方案缺点：1、此方案是开环系统，学员无法得知和判断自己做的动作是否正确、发力的肌肉群和具体的发力方式是否正确。2、视频(音频)内容所传递的信息均需要学员自己判断、理解。并不能准确表达意思(比如：描述“双脚张开与肩同宽”，只能是一个定性的描述，每个人做出来的效果会有很大偏差)。3、由于视频(音频)均为提前录制，教练无法参与和指导学员动作，无法在互联网上完成教学的这个过程

3D方案缺点:1、价格昂贵(VR+高性能电脑主机+动捕系统)，这个不是普通消费者能承受范围。2、由于受数据传输量、VR有线连接、动捕设备受限环境因素。所以使用必须在限定的狭窄空间进行。而无法实现在任意空间运行。3、VR技术本身还未完全解决人的眩晕、设备本身体积太大，无法长时间穿戴问题。4、体育教学本身特点，动作幅度大、动作频率和速度高，光学和惯性动捕无法实时高速的完成任务，导致教学效果差。5、此类系统安装，调试复杂、使用技术门槛高，不适合对计算机相关知识欠缺的人员使用。

以上两种方案都无法很好地解决互联网教学中的互动问题，导致互联网教学与教练现场教学效果相差很大，影响了网络教学的推广。

发明内容

本发明提供了一种基于人体姿态获得系统的人体动作比对系统，致力于低成本解决3D(2D)方法，在互联网上进行竞技体育、体育健身、舞蹈、人体姿态等教学中，所出现的与现实中教练现场教学，所反映出的使用不方便和教学效果差的问题。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种基于人体姿态获得系统的人体动作比对系统，所述人体动作比对系统包括：

终端主机，用于用户输入操作指令、个人信息，管理员输入教材信息；

人体姿态获得系统，用于获得用户人体姿态信息；

人体模型转换系统，用于将用户的人体姿态信息转换为用户人体模型，将人体姿态获得系统捕捉的用户全身的各个点位的位置信息，与主机预置的人体3D模型“通过用户自己输入的身体数据信息建立，如身高、体重、手长等信息”。对应的点位相绑定，并用电磁捕捉系统实时采集的点位变化信息作为数据驱动3D模型建立起用户运动过程动画，将教材信息中的标准人体姿态信息转换为标准人体模型，建立标准运动过程动画；

分析计算系统，用于将人体姿态信息进行关节和肌肉受力分析计算，计算出用户运动过程动画和标准运动过程动画中的力学模型，为力学建模基础，通过人体姿态获得系统采集的各个人体部位的运动信息，如V“速度”，a”加速度”，S“位移”，“角速度”，“角加速度”，等信息与事先采集的人体资料“如身高、体重、手长、脚长等参数相结合。计算出每个关节以及全身的受力情况，再根据模拟值将全身的力学模型建立)，并将关键数据(关键数据为：各个关节的运动数据：如：膝关节屈伸速度、加速度。旋转的角度，角速度。以及整个运动过程中膝关节的受力大小。又如：肘关节的旋转，屈伸运动速度、加速度以及运动部位受力情况等参数。)批注于力学模型的相关位置，获得标注的用户人体模型和标注的标准人体模型；

对比系统，用于将标注的用户人体模型和标注的标准人体模型按照同一坐标原点建立对比图像，并在终端显示器中进行对比显示，基于用户人体模型和标准人体模型上标注参数的对比结果，获得用户实时动作与标准动作的差异信息。

其中，人体姿态获得系统为现有技术的系统，请参考[中国发明]CN201711258283.X。

进一步的，所述人体动作比对系统还包括：存储系统，用于对人体姿态信息实时纠错、并将判断通过的数据按照要求分时段进行记录和储存。

进一步的，所述人体动作比对系统还包括：统计系统，用于从存储系统中调用一段时间动捕数据，进行统计、分析并输出结果。

进一步的，所述人体动作比对系统能够建立标准动作教材，具体包括：

通过终端主机输入教练对应的教练个人身材信息；通过人体模型转换系统实时建立教练人体模型，人体姿态获得系统获得教练人体姿态信息，并将获得的教练人体姿态信息传输给人体模型转换系统建立起整个运动过程动画；分析计算系统对建立的教练人体模型进行分析计算，计算出整个运动过程中的力学模型，并将关键数据批注于力学模型的相关位置，将整个运动过程动画和批注内容记录下来，生成教材内容。

进一步的，所述人体动作比对系统能够用于用户进行动作学习，具体包括：

用户学习时，穿戴人体姿态获得系统，并通过终端主机作为显示界面，通过终端主机输入用户身材信息，调用人体模型转换系统建立用户人体模型，然后调用教材，

终端主机运行教材，基于分析计算系统，通过终端主机显示端显示用户人体模型与教材中人体模型，按照同一坐标原点建立并显示，当教材人体模型播放时，用户跟踪学习，基于用户人体模型与教材人体模型实时对比，并输出关键点参数对比差异。

进一步的，所述人体动作比对系统能够用于教练进行实时教学，具体包括：

教练和用户同时穿戴人体姿态获得系统，通过各自终端主机实时将自己动捕数据通过网络传输到对方主机，再由各自人体模型转换系统建立对方的人体模型，并基于分析计算系统获得标注后的人体模型并显示到自己的主机上。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明可同时满足3D，2D教学效果，专业教练通过互联网教学成为可能，解决专业教练匮乏、专业运动场地匮乏等问题，学员受时间因素、空间因素影响小，可利用碎片化时间学习，由于人体姿态获得系统价格便宜，从而大幅降低了学员获得专业教练教学的成本，采集的身体姿态大数据可以用来进行产品设计、健康分析、运动分析等广大用途。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中基于人体姿态获得系统的人体动作比对系统的组成示意图；

图2是本申请中基于人体动作比对系统的教材制作流程示意图；

图3是本申请中基于人体动作比对系统的教材播放学习流程示意图；

图4是本申请中基于人体动作比对系统的实时教学流程示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于人体姿态获得系统的人体动作比对系统，致力于低成本解决3D(2D)方法，在互联网上进行竞技体育、体育健身、舞蹈、人体姿态等教学中，所出现的与现实中教练现场教学，所反映出的使用不方便和教学效果差的问题。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本系统由硬件+底层软件+应用软件构成

硬件系统包括：

(1)本公司自主研发的电磁场人体动捕系统(紧身运动服装、固定在紧身运动服上的探测点、处理器、及通讯单元)，(2)终端主机(手机、AR眼镜主机、电脑主机、笔记本等都均适用)(3)终端显示器(AR眼镜、手机屏幕、电视屏、电脑显示器等均可)。

底层软件系统包括：

将动作捕捉数据转化为人体模型并通过动捕数据实时驱动的“3D(2D)转换软件系统”

对动作捕捉数据进行关节和肌肉受力分析计算的“分析计算软件系统”。

将实时捕捉的3D(2D)模型与标准模型进行比对的“实时分析输出软件系统”。

将动作捕捉数据传输到指定主机的“传送软件系统”。

动捕数据实时纠错、并将判断好的正确数据按照要求分时段进行记录和储存的“分时存储软件系统”。

调用一段时间动捕数据，进行统计、分析并输出结果的“统计软件系统”。

应用软件包括：

手机(AR)APP，调用以上底层软件系统，运行相应功能。

(2)电脑相应的运行软件，调用底层软件。

工作原理及流程如下(以移动终端为例即手机(或AR))

教练穿戴好我司电磁场人体动作捕捉系统。系统将采集的数据实时发送给主机(数据通过无线传送：蓝牙、WIFI或移动网络等方式)。

请参考图2，通过手机(AR)打开相应APP，输入教练对应的身高、腿长、手长、体重等信息。APP通过调用“3D(2D)转换软件系统”实时建立人体3D模型。并不断接收动捕数据，即建立起整个运动过程的3D(2D)动画。在建立3D(2D)模型的过程中APP自动调用“受力分析的计算软件系统”，计算出整个运动过程中的力学模型，并将关键数据批注于运动模型的相关位置。将整个动画过程和批注内容记录下来，便完成了教材内容录制。

三、请参考图3，学员学习时，穿戴好我司电磁场人体动作捕捉系统，并通过手机屏(AR眼镜)作为显示界面。学员打开APP输入自己对应的身高、腿长、手长、体重等信息，APP调用“3D(2D)转换软件系统”将学员的3D(2D)模型建立。然后调用教材。

四、主机运行教材时同时，APP调用“实时分析输出软件系统”。并通过主机显示端显示(显示端手机屏幕、AR眼镜)，将学员实时3D(或2D)人体模型与教材中的3D(或2D)人体模型，按照同一坐标原点建立并显示。当教材3D(或2D)模型开始播放时，学员跟踪学习，在此过程中如果学员动作不标准，那学员的3D(或2D)模型与教材的3D(或2D)模型实时反应出直观差别(也可以语音提醒)。此过程中APP自动调用“受力分析的计算软件系统”，将学员运动过程中的力学模型建立，并输出关键点参数。学员将这些参数与教材对比，可直观了解差异。

五、以上模式也可以切换为实时教学。请参考图4，即教练和学员同时穿戴好我司电磁场人体动作捕捉系统，通过各自主机由APP调用“传送软件系统”，实时将自己动捕数据通过网络传输到对方主机。再由各自APP调用“人体模型的3D(2D)转换软件系统”将对方的3D(2D)模型建立并显示到自己的主机上。这样教练即可实时看到学员动作，及时发现问题并纠正。学员也可以实时的看到教练的运动模型，便于纠正和学习。这样即可通过网络完成实时教学。

六、教学过程中APP调用“分时存储软件系统”将学员所产生的身体姿态关键数据采集和储存。

七：学员可以定期通过APP调用“统计软件系统”，调出一段时间的统计数据。通过这些数据可以更好的改善学习效果。

其中，本申请中的系统具有如下技术特点：

采用电磁场动作捕捉系统捕捉人体实时姿态。系统包括紧身运动服装、固定在紧身运动服上的探测点、处理器、及通讯单元。(采用电磁场动捕的原因：光学动捕，惯性动捕。价格昂贵、实时性差、数据传输量大、怕干扰、无法在室外进行等，不适合用在运动领域，尤其是室外运动领域基本不可行)。

本申请中的底层软件，(1)实现将动捕数据建立为相应的人体模型。(2)可通过动捕数据建立人体相应的力学模型并进行标注。(3)可将教材中的人体模型与学员的模型按照同一坐标点建立，教材模型播放的同时，学员模式可以根据采集的数据实时驱动。(4)采集的动捕数据可通过网络进行传输。(5)可通过算法(1、由于人体运动具有延续性和连贯性的特点，故可以通过一段时间的运动曲线分析出哪些运动曲线是不可能发生的，系统将此部分剔除。2、在一定的时间段内比如1个月，同一人的运动模型不会发生大的改变，如果出现异常，算法可以对比前一段时间的运动曲线和后面一段时间的运动曲线做出判断。3、可以在一段时间内采用“随机误差”“加权滑动滤波法”“系统误差”等处理方法判断和降低误差)。将错误或者误差数据剔除，只存储有效数据。(6)可通过调用一段时间数据进行自动分析。

教材端人体3D模型建立多种体型，学员学习时，软件自动调用与其体型匹配的3D人体模型教学。对比训练，3D模型匹配和关键数据匹配同步进行。并在教学时可以暂停、回放或任意调整教材3D模型的驱动速度。运动过程中会自动记录有效信息，在运动完毕后进行分析，给出建议。实时教学时，教学两端可以实时通讯，3D运动模型也实时驱动。显示端最好采用AR眼镜的形式，但根据情况也可采用VR，手机、电脑显示等。

本申请中的系统可以在运动健身APP中所实现的在线教学。如平板撑，之前均采用教练录制视屏，学员跟着视频学习的模式。学员在跟着做此动作时，并不清楚自己是否做得标准。而此发明的解决方案可以通过所描述的方法，让学员非常简单和直观的发现自己的动作与标准动作的差别。从而起到精准锻炼的目的。

本申请中的系统可以实现教练远距离教学，可将自己的示范动作传输给学员，学员在学习的同时将自己的数据传回给教练，教练可以直观的了解学员动作的规范性，并给出建议。此方法可以在互联网中完成体育教学的互动过程。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于人体姿态获得系统的人体动作比对系统，其特征在于，所述人体动作比对系统包括：

终端主机，用于用户输入操作指令、个人信息，管理员输入教材信息；

人体姿态获得系统，用于获得用户人体姿态信息；

人体模型转换系统，用于将用户的人体姿态信息转换为用户人体模型，建立用户运动过程动画，将教材信息中的标准人体姿态信息转换为标准人体模型，建立标准运动过程动画；

分析计算系统，用于将人体姿态信息进行关节和肌肉受力分析计算，计算出用户运动过程动画和标准运动过程动画中的力学模型，并将关键数据批注于力学模型的相关位置，获得标注的用户人体模型和标注的标准人体模型；

对比系统，用于将标注的用户人体模型和标注的标准人体模型按照同一坐标原点建立对比图像，并在终端显示器中进行对比显示，基于用户人体模型和标准人体模型上标注参数的对比结果，获得用户实时动作与标准动作的差异信息。

2.根据权利要求1所述的基于人体姿态获得系统的人体动作比对系，其特征在于，所述人体动作比对系统还包括：存储系统，用于对人体姿态信息实时纠错、并将判断通过的数据按照要求分时段进行记录和储存。

3.根据权利要求1所述的基于人体姿态获得系统的人体动作比对系，其特征在于，所述人体动作比对系统还包括：统计系统，用于从存储系统中调用一段时间动捕数据，进行统计、分析并输出结果。

4.根据权利要求1所述的基于人体姿态获得系统的人体动作比对系，其特征在于，所述人体动作比对系统能够建立标准动作教材，具体包括：

通过终端主机输入教练对应的教练个人身材信息；通过人体模型转换系统实时建立教练人体模型，人体姿态获得系统获得教练人体姿态信息，并将获得的教练人体姿态信息传输给人体模型转换系统建立起整个运动过程动画；分析计算系统对建立的教练人体模型进行分析计算，计算出整个运动过程中的力学模型，并将关键数据批注于力学模型的相关位置，将整个运动过程动画和批注内容记录下来，生成教材内容。

5.根据权利要求1所述的基于人体姿态获得系统的人体动作比对系，其特征在于，所述人体动作比对系统能够用于用户进行动作学习，具体包括：

用户学习时，穿戴人体姿态获得系统，并通过终端主机作为显示界面，通过终端主机输入用户身材信息，调用人体模型转换系统建立用户人体模型，然后调用教材，

终端主机运行教材，基于分析计算系统，通过终端主机显示端显示用户人体模型与教材中人体模型，按照同一坐标原点建立并显示，当教材人体模型播放时，用户跟踪学习，基于用户人体模型与教材人体模型实时对比，并输出关键点参数对比差异。

6.根据权利要求1所述的基于人体姿态获得系统的人体动作比对系，其特征在于，所述人体动作比对系统能够用于教练进行实时教学，具体包括：

教练和用户同时穿戴人体姿态获得系统，通过各自终端主机实时将自己动捕数据通过网络传输到对方主机，再由各自人体模型转换系统建立对方的人体模型，并基于分析计算系统获得标注后的人体模型并显示到自己的主机上。