CN113537179B - 基于数字处理的跑步数据处理方法 - Google Patents

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CN113537179B CN202111089084.7A CN202111089084A CN113537179B CN 113537179 B CN113537179 B CN 113537179B CN 202111089084 A CN202111089084 A CN 202111089084A CN 113537179 B CN113537179 B CN 113537179B
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Abstract

本发明涉及一种基于数字处理的跑步数据处理方法，包括：从跑步视频中检测出人体关键点，获得人体骨架，得到关键点的二维坐标，并得到一个完整的跑步周期T;根据关节点坐标，获得跑步时的步幅和躯干倾斜角度，分别与标准跑步姿势对比，得到其对膝关节的损伤指标。本发明对损伤程度进行量化，但不使用外部传感器等设备，也不需要获得反作用力的具体数值，只通过拍摄的跑步视频进行图像处理，获得跑步姿势对膝关节的损伤程度，并提出纠正建议，以降低跑步姿势不当带来的关节损伤。

Description

基于数字处理的跑步数据处理方法
技术领域
本发明涉及人工智能领域，具体涉及一种基于数字处理的跑步数据处理方法。
背景技术
跑步由于简单易行，成为了大众主流健身方式，但大多数跑者对自身的跑步姿势没有正确认识，导致了大量因自身姿势不正引起的运动损伤。如果能对跑步者的运动姿势进行识别并分析，提出合理的改善建议，将能有效地降低因为跑步姿势不当带来的不必要损伤。而现阶段的跑步姿势多通过穿戴设备或专业者指导进行纠正，成本较高，且有很多不便之处。现有技术中判断着地方式对膝关节损伤程度的方法主要包括两类：一类是只给出着地方式对膝关节损伤程度的高低排序信息，如前脚掌着地方式损伤程度最低，脚跟着地方式次之，全脚掌着地方式的损伤程度最高这一信息，没有对损伤程度进行量化，不够具体客观；另一类是使用压力传感器设备，根据实验者跑步时的足底压力，得到不同着地方式中地面对人体的反作用力的具体数值，判断其对膝关节的损伤程度，成本太高，且不具有实时性，不适用于跑步机初跑步者。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明采用以下技术方案：
一种基于数字处理的跑步数据处理方法，包括以下步骤：
步骤一：从跑步视频中检测出人体关键点，获得人体骨架，得到关键点的二维坐标，并得到一个完整的跑步周期T;
步骤二：根据关节点坐标，获得跑步时的步幅和躯干倾斜角度，分别与标准跑步姿势对比，得到其对膝关节的损伤指标;
步骤三：基于不同着地方式对应的角度差异，根据反作用力方向量化着地方式对人的推动力或制约力；结合反作用力方向与小腿的夹角量化着地方式对小腿的冲击力，与标准跑姿对比，得到着地方式对膝关节的损伤指标;为步幅、躯干倾斜角度和着地方式的损伤指标设置对应权值，并根据跑步过程中的稳定性，并结合跑步时间，获得着地方式损伤指标的权值的损伤系数，获得该跑步姿势对膝关节的损伤程度;
步骤四：基于该跑步姿势对膝关节的损伤程度，提出对姿势纠正的建议。
进一步，所述步骤三方法为：判断跑步者的着地方式：以右脚落地时刻脚尖
Figure 203801DEST_PATH_IMAGE001
的纵坐标
Figure 967358DEST_PATH_IMAGE002
和脚跟
Figure 942267DEST_PATH_IMAGE003
的纵坐标
Figure 158485DEST_PATH_IMAGE004
的高低作为判断依据;
若
Figure 40990DEST_PATH_IMAGE005
，即脚尖纵坐标更低，则表示是前脚掌着地方式；
若
Figure 593807DEST_PATH_IMAGE006
，即脚跟纵坐标更低，则表示是脚跟着地方式；
若
Figure 801934DEST_PATH_IMAGE007
，即脚尖和脚跟的纵坐标一样，则表示是全脚掌着地方式;
落地时人体对地面的压力大小不变，定义为
Figure 239869DEST_PATH_IMAGE008
;在配速为6分速的情况下，标准着地方式为前脚掌着地。
进一步，所述步骤三方法为:确定反作用力的方向：人体对地面的作用力方向和地面对人体的反作用力的方向在一条直线上，且与右脚尖和右脚跟相连的线段垂直，则该反作用力与竖直方向的夹角等于右脚尖和右脚跟相连的线段与水平线的夹角
Figure 863748DEST_PATH_IMAGE009
，计算方式如下：对于前脚掌着地方式，右脚跟比右脚尖更高，因此地面反作用力方向为斜向右上，即
Figure 601897DEST_PATH_IMAGE009
为右脚尖在竖直方向上投影点
Figure 715347DEST_PATH_IMAGE010
-右脚尖
Figure 843840DEST_PATH_IMAGE011
-右脚跟
Figure 333727DEST_PATH_IMAGE012
三点形成的夹角;对于脚跟着地方式，右脚尖比右脚跟更高，因此地面反作用力方向为斜向左上，即
Figure 598486DEST_PATH_IMAGE009
为右脚跟在竖直方向上投影点
Figure 882837DEST_PATH_IMAGE013
-右脚尖
Figure 560943DEST_PATH_IMAGE011
-右脚跟
Figure 792204DEST_PATH_IMAGE012
三点形成的夹角；其中
Figure 973787DEST_PATH_IMAGE008
为图像最右边像素点横坐标;对于全脚掌着地方式，右脚尖和右脚跟一样高，因此地面反作用力方向为垂直向上，即
Figure 429039DEST_PATH_IMAGE014
;对于同一个人，其前脚掌着地和脚跟着地中右脚和地面形成的夹角大小一样，即
Figure 532124DEST_PATH_IMAGE015
。
进一步，所述步骤三具体如下：通过分别计算不同着地方式的地面反作用力在水平方向上的分力，比较差异：
前脚掌着地方式中反作用力对人体有一个推动力；脚跟着地方式中反作用力对人体有一个制动力；
而全脚掌着地方式不考虑推动力和制动力;其中，推动力和制动力大小均为：
Figure 98235DEST_PATH_IMAGE016
;则不同着地方式与标准着地方式之间的差异为：若为脚跟着地方式，则和标准着地方式的差异为：
Figure 665482DEST_PATH_IMAGE017
；若为全脚掌着地方式，则和标准着地方式的差异为：
Figure 229319DEST_PATH_IMAGE018
进一步，所述步骤三优化过程具体为：获得落地时小腿的倾斜方向，即与竖直方向的夹角
Figure 882017DEST_PATH_IMAGE019
，则
Figure 251818DEST_PATH_IMAGE019
即为右膝在水平方向上的投影点
Figure 345676DEST_PATH_IMAGE020
-右膝
Figure 408310DEST_PATH_IMAGE021
-右脚腕
Figure 17146DEST_PATH_IMAGE022
三点形成的夹角;反作用力与小腿方向的夹角
Figure 393901DEST_PATH_IMAGE023
，则反作用力在小腿方向上对小腿的冲击力大小为
Figure 670161DEST_PATH_IMAGE024
;而夹角
Figure 638117DEST_PATH_IMAGE023
与落地方式有关：
若为前脚掌着地，则
Figure 937512DEST_PATH_IMAGE025
;若为脚跟着地方式，则
Figure 914695DEST_PATH_IMAGE026
;若为全脚掌着地，则
Figure 779883DEST_PATH_IMAGE027
;
因此不同着地方式与标准着地方式之间的差异为：若为脚跟着地方式，则和标准着地方式的差异为：
Figure 122002DEST_PATH_IMAGE028
；若为全脚掌着地方式，则和标准着地方式的差异为：
Figure 971010DEST_PATH_IMAGE029
;则不同着地方式与标准着地方式之间的差异指标为：
Figure 220726DEST_PATH_IMAGE030
;着地方式的损伤指标为：若该着地方式为前脚掌着地，则
Figure 409261DEST_PATH_IMAGE031
；若该着地方式为脚跟着地，则
Figure 984599DEST_PATH_IMAGE032
；
若该着地方式为全脚掌着地，则
Figure 55323DEST_PATH_IMAGE033
。
本发明的有益效果是：
本发明对损伤程度进行量化，但不使用外部传感器等设备，也不需要获得反作用力的具体数值，只通过拍摄的跑步视频进行图像处理，获得跑步姿势对膝关节的损伤程度，并提出纠正建议，以降低跑步姿势不当带来的关节损伤。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明适用于初跑步人群，对于自身跑步姿势和标准跑步姿势没有正确的认知，更易损伤膝关节。因此，设定跑步机配速为6分速，并已知跑步者的身高H和腿长L，在跑步机右侧安置一个相机拍摄一段恒定速度跑步时的视频。相机对面的环境尽量简单，跑步视频中只包括一个跑步者，且跑步者需要穿较贴身的衣服，以减少对人体关节点判断的影响。
步骤一：从跑步视频中检测出人体关键点，获得人体骨架，得到关键点的二维坐标，并得到一个完整的跑步周期T。
本发明中要通过跑步姿势判断对膝关节的损伤程度，则需要得到跑步者的跑步姿势。因此要先对人体进行检测，得到人体关节点信息。
本发明采用关键点的形式，选用18个关键点对人体进行检测，包括人体的双脚脚腕、双脚脚尖、双脚脚跟、双膝、双胯、双肩、双肘、双手、头部和颈部。
人体关键点的检测网络为Encoder-Decoder的结构，训练内容如下：
1）数据集为相机拍摄的人体右侧跑步图像。
2）标签为18类关键点，人体的双脚脚腕、双脚脚尖、双脚脚跟、双膝、双胯、双肩、双肘、双手、头部和颈部。
3）标注过程为：每类关键点对应一个单通道，在该通道中，标记关键点对应像素的位置，而后采用高斯模糊，使标记点处形成关键点热斑。本发明使用了18类关键点，故标签图像共包含18个通道。
4）loss函数使用均方差损失函数。
得到关键点heatmap后，给18个关键点设置标号，分别为：
头部
Figure 311992DEST_PATH_IMAGE034
、颈部
Figure 417352DEST_PATH_IMAGE035
、右肩
Figure 898012DEST_PATH_IMAGE036
、右肘
Figure 393715DEST_PATH_IMAGE037
、右手
Figure 250813DEST_PATH_IMAGE038
、左肩
Figure 210678DEST_PATH_IMAGE039
、左肘
Figure 65502DEST_PATH_IMAGE040
、左手
Figure 376397DEST_PATH_IMAGE041
、右胯
Figure 771607DEST_PATH_IMAGE042
、右膝
Figure 523662DEST_PATH_IMAGE043
、右脚腕
Figure 877283DEST_PATH_IMAGE044
、左胯
Figure 144316DEST_PATH_IMAGE045
、左膝
Figure 555268DEST_PATH_IMAGE046
、左脚腕
Figure 224147DEST_PATH_IMAGE047
、右脚尖
Figure 483090DEST_PATH_IMAGE048
、左脚尖
Figure 440681DEST_PATH_IMAGE049
、右脚跟
Figure 443272DEST_PATH_IMAGE050
、左脚跟
Figure 169920DEST_PATH_IMAGE051
。
将关键点按照一定的顺序连接得到人体骨架，连接规则为：
1）连接头部-颈部-右肩-右肘-右手；
2）连接颈部-左肩-左肘-左手；
3）连接颈部-右胯-右膝-右脚腕-右脚尖-右脚跟-右脚腕；
4）连接颈部-左胯-左膝-左脚腕-左脚尖-左脚跟-左脚腕；
5）最终得到包含18个关节点组成的人体骨架。
要得到跑步姿势，需要得到各关节点的二维坐标，因此采用softargmax的方式来获得关键点热斑的二维坐标
Figure 865343DEST_PATH_IMAGE052
。
跑步动作是重复性的周期动作，且每个周期内的跑步姿态均一致，因此只需要对跑步视频中一个跑步周期内的人体跑步姿态进行检测即可。
本发明相机为人体右侧视角，故只研究右腿在跑步过程中的姿态。因此以右脚落地的视频帧为起始帧，下一次右脚落地的视频帧为终止帧，得到一个完整的跑步周期T。
得到右脚落地的图像帧的方法为：
落地时右脚处于身体最前方，之后随着跑步机传送带向后移动，离开地面后向前迈动，又重新落回身体最前方。因此通过比较各帧中右脚腕的横坐标
Figure 841390DEST_PATH_IMAGE053
，最大值所在帧即为落地时刻的图像帧。
则以右脚落地时刻的视频帧为起始帧，下一次右脚落地时刻的视频帧为终止帧，即可得到一个完整的跑步周期T及周期内的每帧图像。则可据此将跑步视频划分为多个跑步周期。
步骤二：根据关节点坐标，在周期内得到跑步时影响膝关节损伤的因素的状态及信息；并将步幅和躯干倾斜角度与标准跑步姿势对比，得到其对膝关节的损伤指标。
跑步时减轻膝关节损伤的因素主要包括以下几种：
1）步幅：步幅不宜过大，否则着地时巨大的地面冲击力不经缓冲直接经脚跟向上传递，对膝关节造成一定损伤。
2）躯干倾斜角度：身体略前倾，可减少对膝关节的冲击；
3） 着地方式：可分为前脚掌着地、脚跟着地和全脚掌着地。
若使用脚跟先着地的方式，会带来较大的膝关节力矩，造成膝关节损伤。
若使用全脚掌着地的方式，对膝关节的压力很大，容易导致膝盖的损伤。
因此推荐使用前脚掌先着地的方式，落地位置更接近身体的重心位置，且通过踝关节进行缓冲，有效减少了地面反作用力对膝关节的损伤。
本发明先获得步幅和躯干倾斜角度的具体数值，再将其与标准跑步姿势对比，可得到对应的损伤指标。
步幅：
对于一个完整的跑步流程，右腿的状态包括多个关键时刻，一个周期中每个时刻只出现一次。
可通过每个跑步周期中右脚落地和向后蹬伸两个时刻中，右胯和右脚腕相连骨架与垂直方向的夹角来计算每个周期的步幅。
该夹角计算方法为：
右胯
Figure 850934DEST_PATH_IMAGE054
坐标为
Figure 697667DEST_PATH_IMAGE055
，则右胯关节点在水平方向上投影点坐标为
Figure 32834DEST_PATH_IMAGE056
，其中
Figure 27335DEST_PATH_IMAGE057
为图像底边像素点纵坐标。则对应角度为：右胯投影点
Figure 309411DEST_PATH_IMAGE058
-右胯
Figure 807389DEST_PATH_IMAGE054
-右脚腕
Figure 579036DEST_PATH_IMAGE059
形成的夹角
Figure 998516DEST_PATH_IMAGE060
。
落地时刻和向后蹬伸时刻对应不同的图像帧，且对应关节点之间的角度也不同，则需要首先获得两个对应的图像帧，然后分别给对应角度标注名称：
1）落地时刻：通过对周期的分析已知。即通过比较各帧中右脚腕的横坐标
Figure 881021DEST_PATH_IMAGE061
，最大值所在帧即为落地时刻的图像帧；此时刻对应角度为
Figure 499084DEST_PATH_IMAGE062
；
2）向后蹬伸时刻：右脚向后蹬伸时位于身体最后方，因此通过比较各帧中右脚腕的横坐标
Figure 644895DEST_PATH_IMAGE061
，最小值所在帧即为向后蹬伸时刻的图像帧；此时刻对应角度为
Figure 82829DEST_PATH_IMAGE063
。
跑步者的腿长已知为
Figure 769026DEST_PATH_IMAGE064
，则步幅
Figure 444858DEST_PATH_IMAGE065
（单位：cm）为：
Figure 292728DEST_PATH_IMAGE066
则对于每个跑步周期i，均可获得跑步者的步幅
Figure 483538DEST_PATH_IMAGE067
。
躯干倾斜角度：
即右肩投影点
Figure 911108DEST_PATH_IMAGE068
-右肩
Figure 503763DEST_PATH_IMAGE069
-右胯
Figure 788114DEST_PATH_IMAGE054
形成的夹角
Figure 403903DEST_PATH_IMAGE070
。
躯干可能向后倾斜，也可能向前倾斜，可根据右肩
Figure 166323DEST_PATH_IMAGE069
的横坐标
Figure 613485DEST_PATH_IMAGE071
和右胯
Figure 271999DEST_PATH_IMAGE054
的横坐标
Figure 437401DEST_PATH_IMAGE072
判断其倾斜方向：
若
Figure 3512DEST_PATH_IMAGE073
，即右肩在右胯左侧，则躯体后倾，形成夹角为
Figure 242863DEST_PATH_IMAGE074
；
若
Figure 134596DEST_PATH_IMAGE075
，即右肩在右胯右侧，则躯体前倾，形成夹角为
Figure 521715DEST_PATH_IMAGE076
。
则对与每个跑步周期i，均可获得跑步者的躯干倾斜角度
Figure 829200DEST_PATH_IMAGE077
。
即可获得影响膝关节损伤的步幅和躯干倾斜角度在每个跑步周期内的具体数值，与标准跑步姿态对应数值作对比得到差异和损伤指标。
在配速为6分钟的情况下，该跑姿的步幅和躯干倾斜程度与标准跑姿之间的差异分别为：
步幅损伤指标：
标准步幅长度为身高H的一半，即标准步幅
Figure 250954DEST_PATH_IMAGE078
；
若
Figure DEST_PATH_IMAGE079
，步幅较小，不会加重膝关节的损伤，则损伤指标
Figure 251271DEST_PATH_IMAGE080
；
若
Figure DEST_PATH_IMAGE081
，步幅过大，会加重对膝关节的损伤，则定义步幅差异与标准步幅的比值作为在第i个周期的损伤指标：
Figure 125686DEST_PATH_IMAGE082
。
躯干倾斜角度损伤指标：
标准躯干倾斜角度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE083
，定义躯干倾斜角度差异与标准躯干倾斜角度的比值作为在第i个周期的损伤指标：
若
Figure 768020DEST_PATH_IMAGE084
，即躯体前倾，则损伤指标为：
Figure 778701DEST_PATH_IMAGE085
；
若
Figure 946990DEST_PATH_IMAGE086
，即躯体后倾，则损伤指标为：
Figure 308701DEST_PATH_IMAGE087
。
步骤三：
①基于不同着地方式对应的角度差异，根据反作用力方向量化着地方式对人的推动力或制约力；结合反作用力方向与小腿的夹角量化着地方式对小腿的冲击力，与标准跑姿对比，得到着地方式对膝关节的损伤指标。
②为步幅、躯干倾斜角度和着地方式的损伤指标设置对应权值，并根据跑步过程中的稳定性，并结合跑步时间，获得着地方式损伤指标的权值的损伤系数，获得该跑步姿势对膝关节的损伤程度。
首先判断跑步者的着地方式：以右脚落地时刻脚尖
Figure 957988DEST_PATH_IMAGE088
的纵坐标
Figure 88755DEST_PATH_IMAGE089
和脚跟
Figure 493192DEST_PATH_IMAGE090
的纵坐标
Figure 279882DEST_PATH_IMAGE091
的高低作为判断依据。
若
Figure 529598DEST_PATH_IMAGE092
，即脚尖纵坐标更低，则表示是前脚掌着地方式；
若
Figure 780451DEST_PATH_IMAGE093
，即脚跟纵坐标更低，则表示是脚跟着地方式；
若
Figure 293471DEST_PATH_IMAGE094
，即脚尖和脚跟的纵坐标一样，则表示是全脚掌着地方式。
由于跑步者的体重和落地时的跑步速度不变，则不论何种着地方式，落地时人体对地面的压力大小不变，定义为
Figure 364196DEST_PATH_IMAGE095
。
由于不同着地方式的落地角度不同，则地面对人体的反作用力方向不同，且反作用力在水平方向上的分力对人体前进的影响不同；在小腿方向上对小腿的冲击力也不同。以此为基础获得该因素对膝关节的损伤指标，并作为判断损伤程度的量化数值。
在配速为6分速的情况下，标准着地方式为前脚掌着地，增加了脚踝的缓冲，缩短了触地时间，极大地减少了膝关节所受到的冲击力。
因此需要判断出脚跟着地和全脚掌着地与前脚掌着地的差异。
首先需要确定反作用力的方向：人体对地面的作用力方向和地面对人体的反作用力的方向在一条直线上，且与右脚尖和右脚跟相连的线段垂直，则该反作用力与竖直方向的夹角等于右脚尖和右脚跟相连的线段与水平线的夹角
Figure 683182DEST_PATH_IMAGE096
，计算方式如下：
1）对于前脚掌着地方式，右脚跟比右脚尖更高，因此地面反作用力方向为斜向右上，即
Figure 726224DEST_PATH_IMAGE096
为右脚尖在竖直方向上投影点
Figure 206884DEST_PATH_IMAGE097
右脚尖
Figure 764904DEST_PATH_IMAGE098
右脚跟
Figure 825264DEST_PATH_IMAGE099
三点形成的夹角。
2）对于脚跟着地方式，右脚尖比右脚跟更高，因此地面反作用力方向为斜向左上，即
Figure 519551DEST_PATH_IMAGE096
为右脚跟在竖直方向上投影点
Figure 436691DEST_PATH_IMAGE100
右脚尖
Figure 685270DEST_PATH_IMAGE098
右脚跟
Figure 80479DEST_PATH_IMAGE099
三点形成的夹角；其中
Figure 894851DEST_PATH_IMAGE101
为图像最右边像素点横坐标。
3）对于全脚掌着地方式，右脚尖和右脚跟一样高，因此地面反作用力方向为垂直向上，即
Figure 186155DEST_PATH_IMAGE102
。
4）本发明中认为对于同一个人，其前脚掌着地和脚跟着地中右脚和地面形成的夹角大小一样，即
Figure 453188DEST_PATH_IMAGE103
。
1.不同着地方式对应的反作用力方向不同，则反作用力在水平方向上的分力对人体前进的影响不同。
对于前脚掌着地方式，反作用力对人体有一个推动力，会降低对膝关节的损伤；对于脚跟着地方式，反作用力对人体有一个制动力，会增大对膝关节的损伤；对于脚跟着地方式，不考虑推动力和制动力。
因此通过分别计算不同着地方式的地面反作用力在水平方向上的分力，比较差异：
前脚掌着地方式中反作用力对人体有一个推动力；
脚跟着地方式中反作用力对人体有一个制动力；
而全脚掌着地方式不考虑推动力和制动力。
其中，推动力和制动力大小均为：
Figure 652089DEST_PATH_IMAGE104
。
则不同着地方式与标准着地方式之间的差异为：
1）若为脚跟着地方式，则和标准着地方式的差异为：
Figure 524230DEST_PATH_IMAGE017
；
2）若为全脚掌着地方式，则和标准着地方式的差异为：
Figure 48752DEST_PATH_IMAGE018
2.不同着地方式对应的反作用力方向不同，则反作用力在小腿方向上对小腿的冲击力也不同。
首先获得落地时小腿的倾斜方向，即与竖直方向的夹角
Figure 537502DEST_PATH_IMAGE105
，则
Figure 743356DEST_PATH_IMAGE105
即为右膝在水平方向上的投影点
Figure 266741DEST_PATH_IMAGE106
-右膝
Figure 696585DEST_PATH_IMAGE107
-右脚腕
Figure 141473DEST_PATH_IMAGE059
三点形成的夹角。
反作用力与小腿方向的夹角
Figure 682176DEST_PATH_IMAGE108
，则反作用力在小腿方向上对小腿的冲击力大小为
Figure 325647DEST_PATH_IMAGE109
。
而夹角
Figure 129655DEST_PATH_IMAGE108
与落地方式有关：
若为前脚掌着地，则
Figure 858576DEST_PATH_IMAGE110
;若为脚跟着地方式，则
Figure 202970DEST_PATH_IMAGE111
;若为全脚掌着地，则
Figure 904210DEST_PATH_IMAGE112
。
因此不同着地方式与标准着地方式之间的差异为：
若为脚跟着地方式，则和标准着地方式的差异为：
Figure 675856DEST_PATH_IMAGE113
；
若为全脚掌着地方式，则和标准着地方式的差异为：
Figure 892074DEST_PATH_IMAGE114
。
则不同着地方式与标准着地方式之间的差异指标为：
Figure 977842DEST_PATH_IMAGE115
。
又因为全脚掌着地比脚跟着地对膝关节的损伤程度更大,所以全脚掌着地时与标准着地方式的差异的权值更大，因此着地方式的损伤指标为：
若该着地方式为前脚掌着地，则
Figure 595905DEST_PATH_IMAGE031
；
若该着地方式为脚跟着地，则
Figure 272874DEST_PATH_IMAGE032
；
若该着地方式为全脚掌着地，则
Figure 914071DEST_PATH_IMAGE116
。
3.基于步幅、躯干倾斜角度和着地方式的损伤指标，结合跑步稳定性和跑步时间对着地方式损伤指标的影响，获得该跑步姿势对膝关节的损伤程度。
由于三个损伤因素对膝关节造成损伤的程度不同，要判断所有因素共同对膝关节造成损伤的程度，首先需要对其进行归一化，然后基于每个损伤因素对膝关节损伤的重要程度，结合跑步稳定性和跑步时间对着地方式损伤指标的影响，给每个损伤指标设置合适的损伤系数。
首先将损伤程度
Figure 865846DEST_PATH_IMAGE117
归一化得到对应的损伤程度
Figure 72837DEST_PATH_IMAGE118
。
根据经验值将步幅、躯干倾斜程度、着地方式的损伤指标的对应权值设置为
Figure 389549DEST_PATH_IMAGE119
。
并进一步根据跑步过程中的稳定性，并结合跑步时间获得跑步者在每个跑步周期内着地方式损伤权值的损伤系数：
由于在跑步机上跑步时，落地姿势不正确会使得落地不稳，身体向一侧倾斜，导致跑步者着地时身体大部分重量依靠单脚支撑，从而造成膝关节的损伤加剧。
因此，首先进行稳定性分析：
由先验知识可知，在跑步机上稳定跑步时，跑步者右胯的前后位置以及步幅均不变。因此，可用跑步过程中右胯前后位置的变化以及步幅的大小变化来表征跑步者在跑步过程中的稳定性：
1）已获得跑步者在每个周期内的步幅大小
Figure 580359DEST_PATH_IMAGE120
，则根据第j个周期的步幅与前j-1个周期的平均步幅
Figure 804667DEST_PATH_IMAGE121
来表征跑步者在第j个周期的跑步差异指标一：即
Figure 332075DEST_PATH_IMAGE122
。
2）已知跑步者在每个周期内的躯干倾斜角度
Figure 882005DEST_PATH_IMAGE123
，同样地，根据第j个周期的躯干倾斜角度与前j-1个周期的平均躯干倾斜角度
Figure 232215DEST_PATH_IMAGE124
来表征跑步者在第j个周期的跑步差异指标二：即
Figure 260214DEST_PATH_IMAGE125
。
3）则跑步者在第j个周期的跑步差异性为：
Figure 707376DEST_PATH_IMAGE126
。
4）对[0，KT]内的K个周期的跑步差异进行归一化得到
Figure 365890DEST_PATH_IMAGE127
。其中，KT表示第K个周期T的结束时间，本发明对跑步视频中的前K个周期进行分析，。
5）则基于跑步者在时间[0，KT]内的平均差异获得其跑步的不稳定性M,即
Figure 265713DEST_PATH_IMAGE128
。
其中， kT表示第k个周期的结束时间。
则M越大，其跑步地不稳定性越高，该因素基于着地方式对膝关节的损伤程度更高，因此，M越大，着地方式对应的损伤系数越大。
而随着跑步时间的增长，其稳定性不止受到落地方式的影响，还受到跑步者运动量提高的影响。因此，随着时间增加，跑步不稳定性对着地方式损伤系数的加成逐渐降低，因此，可获得损伤系数的函数：
Figure 97403DEST_PATH_IMAGE129
，其中，k表示第k个跑步周期。
则该跑步姿势在第k个周期对膝关节损伤的影响程度为：
Figure 336755DEST_PATH_IMAGE130
并对
Figure 962908DEST_PATH_IMAGE131
进行归一化得到
Figure 350027DEST_PATH_IMAGE132
，获得该跑步姿势在分析周期内对膝关节损伤的影响程度：
Figure 923091DEST_PATH_IMAGE133
则
Figure 79266DEST_PATH_IMAGE134
的取值范围为[0,1]。
步骤四：根据跑步姿势对膝关节的损伤程度，提出对姿势纠正的建议。
上述各个影响因素的状态、数据及其与标准姿态的差异和损伤指标，包括该跑姿对膝关节损伤的影响程度
Figure 141899DEST_PATH_IMAGE134
值等信息，是进行姿势纠正的关键依据，因此可将这些数据以及拍摄的跑步视频提供给跑步者或者教练，使其对此跑步者的跑姿有更直观的了解。
同时，根据影响程度Y值的大小来为跑步者提供不同的建议：
1）当Y值在
Figure 953998DEST_PATH_IMAGE135
范围内时，该跑步姿势对膝关节的损伤程度较轻，可将上述数据和跑步视频提供给跑步者，使其通过自身判断对跑姿做出相应纠正，节省费用和资源。
2）当Y值在
Figure 861911DEST_PATH_IMAGE136
范围内时，该跑步姿势对膝关节的损伤程度较严重，单靠跑步者自身较难以完成姿势纠正，可将上述数据和跑步视频同时提供给跑步者和教练，在教练的帮助下完成姿势纠正。
以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于数字处理的跑步数据处理方法，其特征在于，包括：
步骤一：从跑步视频中检测出人体关键点，获得人体骨架，得到关键点的二维坐标，并得到一个完整的跑步周期T;
步骤二：根据关节点坐标，获得跑步时的步幅和躯干倾斜角度，分别与标准跑步姿势对比，得到其对膝关节的损伤指标;
步骤三：基于不同着地方式对应的角度差异，根据反作用力方向量化着地方式对人的推动力或制约力；结合反作用力方向与小腿的夹角量化着地方式对小腿的冲击力，与标准跑姿对比，得到着地方式对膝关节的损伤指标;为步幅、躯干倾斜角度和着地方式的损伤指标设置对应权值，并根据跑步过程中的稳定性，并结合跑步时间，获得着地方式损伤指标的权值的损伤系数，获得该跑步姿势对膝关节的损伤程度;
步骤四：基于该跑步姿势对膝关节的损伤程度，提出对姿势纠正的建议；
所述步骤三方法为：判断跑步者的着地方式：以右脚落地时刻脚尖
Figure DEST_PATH_IMAGE002
的纵坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE004
和脚跟
Figure DEST_PATH_IMAGE006
的纵坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE008
的高低作为判断依据;
若
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，即脚尖纵坐标更低，则表示是前脚掌着地方式；
若
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，即脚跟纵坐标更低，则表示是脚跟着地方式；
若
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，即脚尖和脚跟的纵坐标一样，则表示是全脚掌着地方式;
落地时人体对地面的压力大小不变，定义为
Figure DEST_PATH_IMAGE016
;在配速为6分速的情况下，标准着地方式为前脚掌着地；
所述步骤三方法为:确定反作用力的方向：人体对地面的作用力方向和地面对人体的反作用力的方向在一条直线上，且与右脚尖和右脚跟相连的线段垂直，则该反作用力与竖直方向的夹角等于右脚尖和右脚跟相连的线段与水平线的夹角，计算方式如下：对于前脚掌着地方式，右脚跟比右脚尖更高，因此地面反作用力方向为斜向右上，即
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为右脚尖
Figure DEST_PATH_IMAGE020
与右脚跟
Figure DEST_PATH_IMAGE022
的连线与水平方向的夹角，该夹角为锐角;对于脚跟着地方式，右脚尖比右脚跟更高，因此地面反作用力方向为斜向左上，即
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为右脚尖
Figure 724514DEST_PATH_IMAGE020
与右脚跟
Figure 985862DEST_PATH_IMAGE022
的连线与水平方向的夹角，该夹角为锐角；对于全脚掌着地方式，右脚尖和右脚跟一样高，因此地面反作用力方向为垂直向上，即反作用力与竖直方向的夹角为
Figure DEST_PATH_IMAGE026
;对于同一个人，前脚掌着地和脚跟着地中右脚和地面形成的夹角大小一样，则
Figure DEST_PATH_IMAGE028
；
所述步骤三具体如下：通过分别计算不同着地方式的地面反作用力在水平方向上的分力，比较差异：
前脚掌着地方式中反作用力对人体有一个推动力；脚跟着地方式中反作用力对人体有一个制动力；而全脚掌着地方式不考虑推动力和制动力;其中，推动力和制动力大小均为：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
;则不同着地方式与标准着地方式之间的差异为：若为脚跟着地方式，则和标准着地方式的差异为：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
；若为全脚掌着地方式，则和标准着地方式的差异为：
Figure DEST_PATH_IMAGE034
；
所述步骤三优化过程具体为：获得落地时小腿的倾斜方向，即与竖直方向的夹角
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，则
Figure 360341DEST_PATH_IMAGE036
为右膝
Figure DEST_PATH_IMAGE038
与右脚腕
Figure DEST_PATH_IMAGE040
与竖直方向的夹角;反作用力与小腿方向的夹角
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，则反作用力在小腿方向上对小腿的冲击力大小为
Figure DEST_PATH_IMAGE044
;而夹角
Figure 441036DEST_PATH_IMAGE042
与落地方式有关：
若为前脚掌着地，则
Figure DEST_PATH_IMAGE046
;若为脚跟着地方式，则
Figure DEST_PATH_IMAGE048
;若为全脚掌着地，则
Figure DEST_PATH_IMAGE050
;
因此不同着地方式与标准着地方式之间的差异为：若为脚跟着地方式，则和标准着地方式的差异为：
Figure DEST_PATH_IMAGE052
；若为全脚掌着地方式，则和标准着地方式的差异为：
Figure DEST_PATH_IMAGE054
;则不同着地方式与标准着地方式之间的差异指标为：
Figure DEST_PATH_IMAGE056
;着地方式的损伤指标
Figure DEST_PATH_IMAGE058
为：若该着地方式为前脚掌着地，则
Figure DEST_PATH_IMAGE060
；若该着地方式为脚跟着地，则
Figure DEST_PATH_IMAGE062
；
若该着地方式为全脚掌着地，则
Figure DEST_PATH_IMAGE064
；
所述步骤二中：
步幅损伤指标：
标准步幅长度为身高H的一半，即标准步幅
Figure DEST_PATH_IMAGE066
；
若
Figure DEST_PATH_IMAGE068
，步幅较小，不会加重膝关节的损伤，则损伤指标
Figure DEST_PATH_IMAGE070
；
若
Figure DEST_PATH_IMAGE072
，步幅过大，会加重对膝关节的损伤，则定义步幅差异与标准步幅的比值作为在第i个周期的损伤指标：
Figure DEST_PATH_IMAGE074
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE076
为第i个周期的步幅；
躯干倾斜角度损伤指标：
标准躯干倾斜角度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE078
，定义躯干倾斜角度差异与标准躯干倾斜角度的比值作为在第i个周期的损伤指标：
若
Figure DEST_PATH_IMAGE080
，即躯体前倾，则损伤指标为：
Figure DEST_PATH_IMAGE082
；
若
Figure DEST_PATH_IMAGE084
，即躯体后倾，则损伤指标为：
Figure DEST_PATH_IMAGE086
，
Figure DEST_PATH_IMAGE088
为第i个周期的躯干倾斜角度。
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