CN111617438A - 一种智能跑步机及智能管理方法 - Google Patents

一种智能跑步机及智能管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能跑步机及智能管理方法，智能跑步机包括设置在跑步机上的仪表面板，仪表面板包括摄像头、显示屏、控制装置和按键，控制装置包括视频采集控制模块、身份识别模块、生理参数检测模块、显示控制模块、分析模块、存储模块、跑步参数调节模块和通讯模块，通过摄像头采集运动者视频，控制装置对采集的视频进行人脸检测获得用户身份，并根据IPPG技术提取心率和呼吸率，将检测出的心率和呼吸率实时显示在显示屏上，并结合运动模式给出运动者合理的运动建议，达到了运动管理、健康预警的功能，解决了跑步机功能单一的问题。

Description

一种智能跑步机及智能管理方法
技术领域
本发明涉及运动器材技术领域，更具体的说是涉及一种智能跑步机及智能管理方法。
背景技术
随着人们的生活节奏日益加快，健康和健身越来越受到人们的广泛关注。跑步作为一项简单、实用、普及的运动项目，是保持个人身心健康最有效、最科学的健身项目。
跑步机是家庭或健身房等室内健身设备中较为流行的一种锻炼器材。在现有技术中，跑步机通常功能单一，仅能提供跑步功能，不能实时感知训练者的运动参数，也不能针对训练者的运动能力给出合理建议等。
因此，如何提供一种用于运动管理的跑步机是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种智能跑步机及智能管理方法，能够对用户的运动信息进行管理，针对训练者的运动能力给出合理建议，解决了跑步机功能单一的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种智能跑步机，包括：设置在跑步机上的仪表面板，所述仪表面板包括摄像头、显示屏、控制装置和按键，所述摄像头、所述显示屏和所述按键均与所述控制装置连接。
进一步，所述控制装置包括视频采集控制模块、身份识别模块、生理参数检测模块、显示控制模块、分析模块、存储模块和跑步参数调节模块，所述身份识别模块分别与所述视频采集控制模块、所述显示控制模块、所述分析模块和所述存储模块连接，所述生理参数检测模块分别与所述视频采集控制模块、所述显示控制模块、所述分析模块和所述存储模块连接，所述跑步参数调节模块分别与所述显示控制模块和所述分析模块连接，且所述视频采集控制模块与所述摄像头连接，所述显示控制模块与所述显示屏连接，所述分析模块和所述存储模块均与所述按键连接。
进一步，所述控制装置还包括通讯模块，所述通讯模块与所述存储模块连接，所述通讯模块用于和外部设备连接。
一种基于智能跑步机的智能管理方法，包括以下步骤：
步骤一：视频采集控制模块控制摄像头采集运动者视频，得到人脸时序图片；
步骤二：身份识别模块对所述人脸时序图片进行人脸检测，并与所述存储模块预先存储的用户人脸信息进行对比，获得用户身份信息；
步骤三：生理参数检测模块通过所述人脸时序图片提取用户生理参数；
步骤四：分析模块根据所述用户生理参数、所述用户身份信息以及运动模式，给出运动建议或/和安全预警；
步骤五：显示控制模块控制显示屏显示所述用户身份信息、所述用户生理参数、所述运动建议以及预警信息。
进一步，在所述步骤一之前还包括以下步骤：
存储模块通过通讯模块与外部设备连接，预先存储所述用户人脸信息和所述用户身份信息。
进一步，生理参数检测模块通过所述人脸时序图片提取用户生理参数的具体步骤为：
步骤a：根据所述人脸时序图片，对每帧图像进行皮肤检测，将检测出的皮肤作为兴趣区域；
步骤b：根据每帧图像中的所述兴趣区域，分别在RGB通道中对像素值进行归一化，并求取每帧图像中红色、绿色和蓝色通道的像素均值，结合所述人脸时序图片获得像素均值组成的红色、绿色和蓝色3个离散信号；
步骤c：分别对3个所述离散信号进行预处理以及独立成分分析，获得3个源信号；
步骤d：分别计算3个所述源信号与所述绿色离散信号之间的相关系数，并进行离散傅里叶变换，得到频域内各信号分量的幅值和频率，将0.6Hz到4Hz之间的最大幅值处的频率f1作为心率初始值，将0.2Hz到0.6Hz之间的最大幅值处的频率f3作为呼吸率初始值，在f1±0.2Hz范围内取120个点，计算每个点傅里叶变换后的幅值，幅值最大处的频率f2作为心率最终值，在f3±0.2Hz范围内取120个点，计算每个点傅里叶变换后的幅值，幅值最大处的频率f4作为呼吸最终值。
进一步，所述步骤a中具体检测过程为：
Figure BDA0002558511560000031
Max{RGB}表示红色、绿色、蓝色三个通道像素值中的最大值，Min{RGB}表示红色、绿色、蓝色三个通道像素值中的最小值；
当满足公式时，说明该像素属于皮肤。
进一步，所述生理参数检测模块(133)的检测窗口为5s，检测步长为1s。
进一步，步骤c中的预处理包括根据拉依达准则去除奇异值、五点平滑滤波和汉宁窗滤波。
进一步，所述存储模块储存所述用户人脸信息、所述用户身份信息和运动信息，所述运动信息包括运动时间和运动量。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种智能跑步机及智能管理方法，通过摄像头采集运动者视频，控制装置对采集的视频进行人脸检测获得用户身份，并根据IPPG技术提取心率和呼吸率特征，将检测出的心率和呼吸率实时显示在显示屏上，并结合运动模式给出运动者合理的运动建议，达到了运动管理、健康预警的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的智能跑步机结构示意图。
图2附图为本发明提供的仪表面板结构示意图，图2a是正面图，图2b是侧面图。
图3附图为本发明提供的控制装置中各模块连接原理框图。
图4附图为本发明提供的智能跑步机工作流程图。
其中，
1、仪表面板，11、摄像头，12、显示屏，13、控制装置，131、视频采集控制模块，132、身份识别模块，133、生理参数检测模块，134、显示控制模块，135、分析模块，136、存储模块，137、通讯模块，138、跑步参数调节模块，14、按键。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
本发明实施例公开了一种智能跑步机，如图1和2所示，在普通跑步机上设置仪表面板1，仪表面板1包括摄像头11、显示屏12、控制装置13和按键14，摄像头11、显示屏12和按键14均与控制装置13连接。摄像头11为彩色摄像头，用于拍摄运动者人脸视频，帧率≥30；显示屏12可以显示检测到的心率和呼吸率，以及给出的运动建议、安全预警信息；控制装置完成人脸身份识别、生理参数检测、生理参数显示、分析、存储及外部通讯等功能。
如图3所示，控制装置13包括视频采集控制模块131、身份识别模块132、生理参数检测模块133、显示控制模块134、分析模块135、存储模块136、通讯模块137和跑步参数调节模块138。
视频采集控制模块：用于控制摄像头获得运动者视频，得到人脸时序图片；
身份识别模块：用于对人脸时序图片进行人脸检测，并将检测到的人脸与存储模块中预先存储的人脸对比，获知用户身份；
生理参数检测模块：用于通过人脸时序图片提取用户生理参数，具体包括心率、呼吸率；
显示控制模块：用于控制显示屏显示用户身份信息以及检测的生理参数(心率、呼吸率)，以及对用户的运动建议等信息；
分析模块：用于根据检测的心率和呼吸率，在用户身体信息及运动模式基础上，进行安全预警、增减速建议等；
通讯模块：采用蓝牙方式，用于和外部设备(如手机、平板计算机等)无线连接；通过外部设备可以录入用户信息，查看、编辑、处理数据。
存储模块：用于存储用户人脸信息、用户身份信息、运动时间、运动结果等数据。
跑步参数调节模块用于控制跑步机的启停、速度、跑步、制动、反向、运动模式等动作，将运动信息提供给分析模块，结合用户生理参数、用户身份信息给出运动建议或/和安全预警。
本发明利用成像式光电容积描记技术(IPPG)，以光波作为媒介，从人体皮肤的连续图像中捕捉心脏搏动信息，然后解析出生理参数，实时监测跑步者的心率和呼吸率，从而实现运动管理、健康预警等功能。
本发明具体工作过程如图4所示，包括以下步骤：
步骤一：打开跑步机开关，通过通讯模块137与外部设备连接，通过外部设备录入用户身份信息并采集脸部图像，将以上信息保存至存储模块136中；
步骤二：运动者通过按键14设置跑步参数，开始跑步；
步骤三：摄像头11拍摄运动者视频，获得人脸时序图片；
步骤四：身份识别模块132对人脸时序图片进行人脸检测，并与预先存储的用户人脸信息进行对比，获得用户身份信息；
步骤五：生理参数检测模块133通过人脸时序图片提取用户生理参数，包括心率和呼吸率；
具体提取过程为：
生理参数检测以5s为检测窗口，检测步长1s。
a.获得人脸时序图像后，对每帧图像进行皮肤检测，将检测出的皮肤作为兴趣区域；皮肤检测算法以像素阈值法为例。
当图像像素值在0至255之间，对于图像中的一个点，如果同时满足以下条件，则认为该点属于皮肤：(1)红色通道像素值大于95；(2)绿色通道像素值大于40；(3)蓝色通道像素值大于20；(4)红色、绿色、蓝色三个通道像素值中的最大值与最小值之差大于15；(5)红色通道值与绿色通道值之间的差值大于15。即满足以下公式：
Figure BDA0002558511560000061
b.对于每帧图像中的兴趣区域，分别在红色、绿色、蓝色通道中对像素值进行归一化，并求取每帧图像中红色、绿色和蓝色通道的像素均值。根据人脸时序图片获得由像素均值组成的红色、绿色、蓝色3个离散信号。
c.分别对3个离散信号进行预处理，包括利用3Sigma去除奇异值、五点平滑滤波去除高频噪声、汉宁窗滤波减少频谱泄漏。
d.对预处理后的3个离散信号进行独立成分分析，获得3个源信号。
e.分别计算3个源信号与原始绿色信号之间的相关系数，将相关系数最大的源信号作为计算心率和呼吸率的信号。
心率计算方式如下：(1)对步骤e获得的信号进行离散傅里叶变换，得到频域内的各信号分量的幅值和频率；(2)将0.6Hz到4Hz之间的最大幅值处的频率f1作为心率初始值。(3)由于傅里叶变换后各信号的频率精度只有0.2Hz(对应心率12次/min)，因此还需进行峰值平滑操作，具体为：在f1±0.2Hz范围内取120个点，计算每个点傅里叶变换后的幅值，幅值最大处的频率为最终的心率值。
傅里叶变换后在0.6至4Hz内选取最大幅值处的频率作为初始心率。由于傅里叶变换的原始缺陷，得到的心率值精度较低。因为傅里叶变换得到的心率分布的精度是1/t Hz，其中，t为检测步长，折合到心率就是每分钟60/t的精度，即傅里叶变换得到的应该是12、24、36、48、60、72，初始心率是其中的一个，比如60，就在48至72的区间内等距取120个点，在每个点处求傅里叶变换后的幅值，将幅值最大处的频率作为最终结果。呼吸率同理。
呼吸率计算方式如下：(1)对步骤e获得的信号进行离散傅里叶变换，得到频域内的各信号分量的幅值和频率；(2)将0.2Hz到0.6Hz之间的最大幅值处的频率f3作为呼吸率初始值。(3)由于傅里叶变换后各信号的频率精度只有0.2Hz，因此还需进行峰值平滑操作，具体为：在f3±0.2Hz范围内取120个点，计算每个点傅里叶变换后的幅值，幅值最大处的频率为最终的呼吸率值。
其中，心率和呼吸率的正常范围为：
健康成年人最大心率＝220-年龄。不同的运动目的对应合适的心率，有氧运动适合最大心率的70％-80％，力量练习适合最大心率的80％-90％。当运动者心率低于40或者高于最大心率时，显示屏给出警示；当运动者选择了心肺锻炼或力量锻炼，将根据心率是否在对应区间内给出增速或减速建议。
呼吸率的值因人和运功强度不同，运动者可以根据实时的呼吸率有目的地控制呼吸频率，取得更好的训练效果。
步骤六：分析模块135根据心率、呼吸率、用户身份信息以及运动模式，给出运动建议，根据心率是否异常，判断是否预警；
步骤七：显示控制模块134控制显示屏显示用户身份信息、用户生理参数、运动建议以及预警信息；
步骤八：运动者结束跑步、摄像头停止拍摄。
本发明相比于常见的跑步机，包括以下新功能：
1、使用摄像头拍摄视频，并检测、识别人脸，获得跑步用户的身份信息，方便运动管理；
2、利用人脸视频检测用户的心率和呼吸率；
3、利用用户的心率和呼吸率进行运动管理，①根据心率、呼吸率，及选择的跑步模式，给予跑步者增速或减速的运动建议；②对个人的跑步行为及生理参数进行记录，用作分析；③当心率异常时，视情况严重程度进行警示、求救等。
4、具有无线通讯功能，可以将用户数据传输至其他电子设备。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种智能跑步机，其特征在于，包括：设置在跑步机上的仪表面板(1)，所述仪表面板(1)包括摄像头(11)、显示屏(12)、控制装置(13)和按键(14)，所述摄像头(11)、所述显示屏(12)和所述按键(14)均与所述控制装置(13)连接。
2.根据权利要求1所述的一种智能跑步机，其特征在于，所述控制装置(13)包括视频采集控制模块(131)、身份识别模块(132)、生理参数检测模块(133)、显示控制模块(134)、分析模块(135)、存储模块(136)和跑步参数调节模块(138)，所述身份识别模块(132)分别与所述视频采集控制模块(131)、所述显示控制模块(134)、所述分析模块(135)和所述存储模块(136)连接，所述生理参数检测模块(133)分别与所述视频采集控制模块(131)、所述显示控制模块(134)、所述分析模块(135)和所述存储模块(136)连接，所述跑步参数调节模块(138)分别与所述显示控制模块(134)和所述分析模块(135)连接，且所述视频采集控制模块(131)与所述摄像头(11)连接，所述显示控制模块(134)与所述显示屏(12)连接，所述跑步参数调节模块(138)与所述按键(14)连接。
3.根据权利要求2所述的一种智能跑步机，其特征在于，所述控制装置(13)还包括通讯模块(137)，所述通讯模块(137)与所述存储模块(136)连接，所述通讯模块(137)用于和外部设备无线连接。
4.一种基于智能跑步机的智能管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：视频采集控制模块(131)控制摄像头(11)采集运动者视频，得到人脸时序图片；
步骤二：身份识别模块(132)对所述人脸时序图片进行人脸检测，并与所述存储模块(135)预先存储的用户人脸信息进行对比，获得用户身份信息；
步骤三：生理参数检测模块(133)通过所述人脸时序图片提取用户生理参数；
步骤四：分析模块(135)根据所述用户生理参数、所述用户身份信息以及运动模式，给出运动建议或/和安全预警；
步骤五：显示控制模块(134)控制显示屏(12)显示所述用户身份信息、所述用户生理参数、所述运动建议以及预警信息。
5.根据权利要求4所述的一种基于智能跑步机的智能管理方法，其特征在于，在所述步骤一之前还包括以下步骤：
存储模块(136)通过通讯模块(137)与外部设备无线连接，预先存储所述用户人脸信息和所述用户身份信息。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于智能跑步机的智能管理方法，其特征在于，生理参数检测模块(133)通过所述人脸时序图片提取用户生理参数的具体步骤为：
步骤a：根据所述人脸时序图片，对每帧图像进行皮肤检测，将检测出的皮肤作为兴趣区域；
步骤b：根据每帧图像中的所述兴趣区域，分别在RGB通道中对像素值进行归一化，并求取每帧图像中红色、绿色和蓝色通道的像素均值，结合所述人脸时序图片获得像素均值组成的红色、绿色和蓝色3个离散信号；
步骤c：分别对3个所述离散信号进行预处理以及独立成分分析，获得3个源信号；
步骤d：分别计算3个所述源信号与所述绿色离散信号之间的相关系数，并进行离散傅里叶变换，得到频域内各信号分量的幅值和频率，将0.6Hz到4Hz之间的最大幅值处的频率f1作为心率初始值，将0.2Hz到0.6Hz之间的最大幅值处的频率f3作为呼吸率初始值，在f1±0.2Hz范围内取120个点，计算每个点傅里叶变换后的幅值，幅值最大处的频率f2作为心率最终值，在f3±0.2Hz范围内取120个点，计算每个点傅里叶变换后的幅值，幅值最大处的频率f4作为呼吸最终值。
7.根据权利要求6所述的一种基于智能跑步机的智能管理方法，其特征在于，所述步骤a中具体检测过程为：
Figure FDA0002558511550000021
Max{RGB}表示红色、绿色、蓝色三个通道像素值中的最大值，Min{RGB}表示红色、绿色、蓝色三个通道像素值中的最小值；
当满足公式时，说明该像素属于皮肤。
8.根据权利要求7所述的一种基于智能跑步机的智能管理方法，其特征在于，所述生理参数检测模块(133)的检测窗口为5s，检测步长为1s。
9.根据权利要求6或8所述的一种基于智能跑步机的智能管理方法，其特征在于，步骤c中的预处理包括根据拉依达准则去除奇异值、五点平滑滤波和汉宁窗滤波。
10.根据权利要求5所述的一种基于智能跑步机的智能管理方法，其特征在于，所述存储模块(136)储存所述用户人脸信息、所述用户身份信息和运动信息，所述运动信息包括运动时间和运动量。
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