CN112435731B - 一种判断实时姿势是否满足预设规则的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种判断实时姿势是否满足预设规则的方法，所述方法包括：采集用户全身的特征关节点数据在光学动作捕捉设备空间坐标系下的三维坐标；根据获取的特征关节点数据在身体姿势规则下对多种空间关系进行匹配计算，判断用户姿势是否符合预设的身体姿势，并输出判断结果。本发明的优点在于：解决用户在自助康复训练过程中，不能按照预设规则进行正确训练的问题，从而减轻了医生的看护压力，提升用户训练的效果；本发明具有灵活性高、判断效率高、简单易用等优点。

Description

一种判断实时姿势是否满足预设规则的方法
技术领域
本发明涉及计算机视觉和模式识别技术领域，尤其涉及一种判断实时姿势是否满足预设规则的方法。
背景技术
计算机视觉，使用计算机模拟人的大脑视觉机理获取和处理信息的能力，例如进行图像目标的检测、识别、跟踪等任务。计算机视觉也是交叉了统计学、计算机科学、神经生物学等学科，最终的目标就是实现计算机对三维现实世界的理解，实现人类视觉系统的功能。更抽象的，计算机视觉可以是看作在图像等高维数据中的感知问题，包含了图像处理和图像理解等。
模式识别，寻找数据中的模式问题是一个基本问题，模式识别领域关注的是利用计算机算法自动发现数据中的规律，以及使用这些规律采取将数据分类等行动。
在康复运动疗法中，通过对上肢的训练，可增加关节的稳定性，改善生理曲度，同时可以有效缓解疼痛，修复肌肉损伤。目前在康复领域，传统的训练需要在专业治疗师的指导下进行。治疗师需要向用户详细讲解训练的方式和注意事项，引导用户进行康复训练。传统的训练往往具有以下不足之处：用户训练需要医生持续关注，才能保证姿势正确。用户自助训练不能保证可以正确的完成训练。训练强度和训练效果不易评估，不利于医疗工作者判断训练状况。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种判断实时姿势是否满足预设规则的方法，解决了现有用户在康复训练过程中存在的不足。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种判断实时姿势是否满足预设规则的方法，所述方法包括采集用户全身的特征关节点数据在光学动作捕捉设备空间坐标系下的三维坐标；
根据获取的特征关节点数据在身体姿势规则下对多种空间关系进行匹配计算，判断用户姿势是否符合预设的身体姿势，并输出判断结果。
所述对多种空间关系进行匹配计算包括：
对两个关节点在某个方向上的距离进行计算比较，判断是否满足该类型要求；
对骨骼与身体剖面之间的夹角进行计算比较，判断是否满足该类型要求；
对三个关节点之间的夹角进行计算比较，判断是否满足该类型要求；
对关节点与身体剖面之间的距离进行计算比较，判断是否满足该类型要求。
所述对两个关节点在某个方向上的距离进行计算比较，判断是否满足该类型要求包括：
设关节点1的空间位置坐标为(x1,y1,z1)，关节点2的空间位置坐标为(x2,y2,z2)；
根据对应坐标轴的差值计算两个关节点在不同方向的距离，并将计算出的真实距离与距离条件值进行比较，判断是否满足该类型要求。
所述对骨骼与身体剖面之间的夹角进行计算比较，判断是否满足该类型要求包括：
设关节点1的空间位置坐标为(x1,y1,z1)，关节点2的空间位置坐标为(x2,y2,z2)；
计算出关节点1到关节点2的骨骼向量坐标(x2-x1,y2-y1,z2-z1)，选取各个身体剖面的法向量作为参考向量得到冠状面法向量坐标、横断面法向量坐标和矢状面法向量坐标；
计算参考向量与关节点1到关节点2的向量之间的夹角α，进而得到关节点1到关节点2的骨骼与对应身体剖面的夹角θ，并将该值与角度条件值进行比较，判断是否满足该类型要求。
所述对三个关节点之间的夹角进行计算比较，判断是否满足该类型要求包括：
设关节点A的空间位置坐标为(xA,yA,zA)，关节点O的空间位置坐标为(x0,y0,z0)，关节点B的空间位置坐标为(xB,yB,zB)；
计算出关节点O指向关节点A的向量的坐标表示为关节点O指向关节点B的向量的坐标表示为进而得到/>与/>之间的夹角β；
将其转换为角度后与角度条件值进行比较，判断是否满足该类型要求。
所述对关节点与身体剖面之间的距离进行计算比较，判断是否满足该类型要求包括：
设某关节点的空间位置坐标为(x,y,z)，以胸部(SPINE_CHEST)作为参考点(xref,yref,zref)；
若用户正面面对光学动作捕捉设备空间坐标系站立，则计算得到关节点到冠状面的距离对应关节点与胸部Z轴坐标差值的绝对值|z-zref|，关节点到矢状面的距离对应关节点与胸部X轴坐标差值的绝对值|x-xref|，关节点到横断面的距离对应关节点与胸部Y轴坐标差值的绝对值|y-yref|；
之后将真实值与距离条件值进行比较，判断是否满足该类型的要求。
所述方法还包括建立坐标系的步骤，其包括将原点(0，0，0)设于光学动作捕捉设备处，坐标正X轴朝向设备右方；正Y轴朝下；正Z轴朝向设备前方。
所述方法还包括设置于采集用户全身的特征关节点数据在光学动作捕捉设备空间坐标系下的三维坐标步骤之前的定义身体姿势规则步骤；所述定义身体姿势规则步骤包括：
定义两个关节点在某个方向上的距离小于预设值；
定义骨骼与身体剖面之间的夹角小于预设值；
定义三个关节点之间的夹角小于预设值；
定义关节点与身体剖面之间的距离小于预设值。
本发明具有以下优点：一种判断实时姿势是否满足预设规则的方法，解决用户在自助康复训练过程中，不能按照预设规则进行正确训练的问题，从而减轻了医生的看护压力，提升用户训练的效果；本发明具有灵活性高、判断效率高、简单易用等优点。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为人体全身特征关节点示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1和图2所示，本发明提供一种通过光学动作捕捉设备判断实时姿势是否满足预设规则的方法，通过持续判断用户的特征点数据是否满足预设的规则，实现方式包括以下步骤：
S1、建立坐标系，原点(0,0,0)位于光学动作捕捉设备处，坐标正X轴朝向设备右方；正Y轴朝下；正Z轴朝向设备前方。
S2、定义身体姿势规则；
人体的各种身体姿势可以抽象为三维空间中不同关节点之间、关节点与平面之间的几何关系。为了能使计算机识别出人体是否保持某个指定的姿势，本算法定义了四种空间关系，通过组合多个空间关系条件即可灵活地定义出具体的身体姿势。这四种空间关系如下：
两个关节点在某个方向上的距离：关节点1在关节点2方向的距离与距离条件值比较，如头部(HEAD)在胸部(SPINE_CHEST)前方的距离小于6.5cm；
骨骼与身体剖面之间的夹角：关节点1和关节点2之间的骨骼/连线与某身体剖面之间的夹角与夹角条件值比较，如左肩(SHOULDER_LEFT)和右肩(SHOULDER_RIGHT)连线与矢状面之间的夹角大于75°；
三个关节点之间的夹角：关节点A、关节点O、关节点B之间的夹角(即∠AOB)与夹角条件值比较，如右手(HAND_RIGHT)右肘(ELBOW_RIGHT)右肩(SHOULDER_RIGHT)之间的夹角大于60°；
关节点与身体剖面之间的距离：关节点与身体剖面之间的距离与距离条件值比较，如头部(HEAD)与冠状面之间的距离小于6.5cm。
S3、持续采集用户特征关节点数据，即用户32个关节点在光学动作捕捉设备空间坐标系下的三维坐标。
S4、根据获取的特征关节点数据在身体姿势规则下进行匹配计算，判断用户姿势是否符合预设的身体姿势。
具体四种空间关系的匹配算法如下：
1、两个关节点在某个方向上的距离；
关节点1的空间位置坐标为(x1,y1,z1)，关节点2的空间位置坐标为(x2,y2,z2)，则对应坐标轴的差值也就体现了两个关节点在不同方向上的距离：
关节点1在关节点2上方的距离为：y2-y1；
关节点1在关节点2下方的距离为：y1-y2；
关节点1在关节点2左方的距离为：x1-x2；
关节点1在关节点2右方的距离为：x2-x1；
关节点1在关节点2前方的距离为：z2-z1；
关节点1在关节点2后方的距离为：z1-z2；
将计算出的真实距离与距离条件值进行比较，判断是否满足该类型要求。
2、骨骼与身体剖面之间的夹角；
关节点1的空间位置坐标为(x1,y1,z1)，关节点2的空间位置坐标为(x2,y2,z2)，关节点1到关节点2的连线(骨骼)向量的坐标表示即为(x2-x1,y2-y1,z2-z1)。选取各个身体剖面的法向量作为参考向量
冠状面法向量即为Z轴正方向：
横断面法向量即为Y轴正方向：
矢状面面法向量即为X轴正方向：
之后计算参考向量与关节点1到关节点2的向量之间的夹角α：
则关节点1到关节点2的连线/骨骼与对应身体剖面的夹角将该值与角度条件值进行比较，判断是否满足该类型要求。
3、三个关节点之间的夹角；
关节点A的空间位置坐标为(xA,yA,zA)，关节点O的空间位置坐标为(x0,y0,z0)，关节点B的空间位置坐标为(xB,yB,zB)。则关节点O指向关节点A的向量的坐标表示为 关节点O指向关节点B的向量的坐标表示为 与/>之间的夹角β也就体现了关节点A、关节点O和关节点B之间的夹角(即∠AOB)：
转换为角度后即为将该值与角度条件值进行比较，判断是否满足该类型要求。
4、关节点与身体剖面之间的距离；
关节点的空间位置坐标为(x,y,z)，以胸部(SPINE_CHEST)作为参考点(xref,yref,zref)。若用户正面面对光学动作捕捉设备站立，则关节点到冠状面的距离对应关节点与胸部Z轴坐标差值的绝对值|z-zref|；关节点到矢状面的距离对应关节点与胸部X轴坐标差值的绝对值|x-xref|；关节点到横断面的距离对应关节点与胸部Y轴坐标差值的绝对值|y-yref|。之后将真实值与距离条件值进行比较，判断是否满足该类型的要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种判断实时姿势是否满足预设规则的方法，其特征在于：所述方法包括：
采集用户全身的特征关节点数据在光学动作捕捉设备空间坐标系下的三维坐标；
根据获取的特征关节点数据在身体姿势规则下对多种空间关系进行匹配计算，判断用户姿势是否符合预设的身体姿势，并输出判断结果；
所述对多种空间关系进行匹配计算包括：
对两个关节点在某个方向上的距离进行计算比较，判断是否满足该类型要求；
对骨骼与身体剖面之间的夹角进行计算比较，判断是否满足该类型要求；
对三个关节点之间的夹角进行计算比较，判断是否满足该类型要求；
对关节点与身体剖面之间的距离进行计算比较，判断是否满足该类型要求；
所述对骨骼与身体剖面之间的夹角进行计算比较，判断是否满足该类型要求包括：
设关节点1的空间位置坐标为(x1,y1,z1)，关节点2的空间位置坐标为(x2,y2,z2)；
计算出关节点1到关节点2的骨骼向量坐标(x2-x1,y2-y1,z2-z1)，选取各个身体剖面的法向量作为参考向量得到冠状面法向量坐标、横断面法向量坐标和矢状面法向量坐标；
计算参考向量与关节点1到关节点2的向量之间的夹角α，进而得到关节点1到关节点2的骨骼与对应身体剖面的夹角θ，并将该值与角度条件值进行比较，判断是否满足该类型要求；
所述对关节点与身体剖面之间的距离进行计算比较，判断是否满足该类型要求包括：
设某关节点的空间位置坐标为(x,y,z)，以胸部(SPINE_CHEST)作为参考点(xref,yref,zref)；
若用户正面面对光学动作捕捉设备空间坐标系站立，则计算得到关节点到冠状面的距离对应关节点与胸部Z轴坐标差值的绝对值|z-zref|，关节点到矢状面的距离对应关节点与胸部X轴坐标差值的绝对值|x-xref|，关节点到横断面的距离对应关节点与胸部Y轴坐标差值的绝对值|y-yref|；
之后将真实值与距离条件值进行比较，判断是否满足该类型的要求。
2.根据权利要求1所述的一种判断实时姿势是否满足预设规则的方法，其特征在于：所述对两个关节点在某个方向上的距离进行计算比较，判断是否满足该类型要求包括：
设关节点1的空间位置坐标为(x1,y1,z1)，关节点2的空间位置坐标为(x2,y2,z2)；
根据对应坐标轴的差值计算两个关节点在不同方向的距离，并将计算出的真实距离与距离条件值进行比较，判断是否满足该类型要求。
3.根据权利要求1所述的一种判断实时姿势是否满足预设规则的方法，其特征在于：所述对三个关节点之间的夹角进行计算比较，判断是否满足该类型要求包括：
设关节点A的空间位置坐标为(xA,yA,zA)，关节点O的空间位置坐标为(xo,yo,zo)，关节点B的空间位置坐标为(xB,yB,zB)；
计算出关节点O指向关节点A的向量的坐标表示为关节点O指向关节点B的向量的坐标表示为/>进而得到/>与之间的夹角β；
将其转换为角度后与角度条件值进行比较，判断是否满足该类型要求。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种判断实时姿势是否满足预设规则的方法，其特征在于：所述方法还包括建立坐标系的步骤，其包括将原点(0，0，0)设于光学动作捕捉设备处，坐标正X轴朝向设备右方；正Y轴朝下；正Z轴朝向设备前方。
5.根据权利要求4所述的一种判断实时姿势是否满足预设规则的方法，其特征在于：所述方法还包括设置于采集用户全身的特征关节点数据在光学动作捕捉设备空间坐标系下的三维坐标步骤之前的定义身体姿势规则步骤；所述定义身体姿势规则步骤包括：
定义两个关节点在某个方向上的距离小于预设值；
定义骨骼与身体剖面之间的夹角小于预设值；
定义三个关节点之间的夹角小于预设值；
定义关节点与身体剖面之间的距离小于预设值。
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