CN114376518A - 一种非接触式的运动人体能量消耗实时评估系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种非接触式的运动人体能量消耗实时评估系统及方法，包括信息录入模块、数据采集模块、数据传输模块、数据预处理模块、能量消耗计算模块和输出显示模块，使用步骤如下：输入人体基本信息，检测大气温度和湿度，计算相对风速；实时同步采集运动人体的红外辐射信号和深度图像信息；根据红外辐射信号计算辐射热量、对流热量、大气衰减热量，得到散发热量；根据深度图像信息获取运动中关节点三维坐标，得到机械功；运动人体的能量消耗为散发热量和机械功之和。本发明无需佩戴呼吸面罩即可实现能量消耗的动态精准测量，不仅具有实时性、便捷性和持续性监测等优点，而且结构简单、操作方便、成本低、不受固定场地和光照条件限制，推广应用更方便。

Description

一种非接触式的运动人体能量消耗实时评估系统及方法
技术领域
本发明涉及运动人体科学和康复工程技术领域，尤其是涉及一种非接触式的运动人体能量消耗实时评估系统及方法。
背景技术
能量消耗是评估身体机能健康水平、监控训练过程和制定运动处方的基础。在运动科学和康复医学领域，目前的金标准方法是通过测量机体在运动过程中的耗氧量和二氧化碳生成量，根据呼吸商和氧热价计算一定时间内的能量消耗。然而，在呼吸测量法中必须佩戴呼吸面罩或鼻夹，不仅繁琐耗时，且会因额外的约束增加生理和心理负荷，导致机体呼吸、心率和能量消耗的改变。此外，当前呼吸测量类的能量消耗测量系统还存在价格昂贵、需专业人员测量等局限，无法用于日常活动监测。
在能量代谢过程中，机体摄入氧气氧化代谢底物产生能量，其中50％以上的能量迅速转化为热能，用于维持体温，并向体外发散。剩余的能量则以高能磷酸键存储于体内，用于运动能量储备，除骨骼肌运动时所完成的机械功之外，最终都转换为热能。根据能量守恒定律，准确获取人体流失热量和机械功大小，即可反应能量消耗。因此，从热量和机械功的角度提出一种运动人体能量消耗评估方法，不仅可避免呼吸面罩测量的局限性，并在康复训练和日常活动监测中具有更广的适用范围和更强的实用性及便捷性。
CN101703403B《一种人体能量消耗测量装置及方法》采用红外探测的方法来测量人体能量消耗，不过采集的信号是用来实现动作计数和频率计数的，最终的能量消耗计算公式也是以动作计数和频率计数作为参数，而不是从热量和机械功的角度来解决问题，因此测量结果的误差很大。
发明内容
为克服上述技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种非接触式的运动人体能量消耗实时评估系统及方法，从热量和机械功的角度来动态精准测量运动人体的能量消耗，具备结构简单、操作方便、成本低和场地限制小的特点，同时具有实时性、便捷性和持续性监测等优点。
本发明的技术方案如下：
一种非接触式的运动人体能量消耗实时评估系统，包括信息录入模块1、数据采集模块2、数据传输模块3、数据预处理模块4、能量消耗计算模块5和输出显示模块6；
所述信息录入模块1用于录入包括体重和身高在内的人体基本信息，并且包括自动检测当前运动环境中的温度和湿度的温度传感器和湿度传感器；
所述数据采集模块2包括红外光学探测模块、深度相机模块和同步控制模块；红外光学探测模块实时采集运动人体的红外辐射信号；深度相机模块实时采集运动人体的深度图像信息；同步控制模块通过内置同步、同步触发或数模转换器的方式实现红外探测模块和深度相机模块的同步采集；
所述红外光学探测模块由光学镜头、红外探测阵列、输入电路、信号放大电路、时序同步控制电路和输出电路组成；该模块的光学镜头接受被测目标的红外辐射，经光谱滤波将红外辐射能量分布图形反映到焦平面上的红外探测阵列的各光敏元件上；红外探测阵列将红外辐射能转换成电信号，该电信号经过输入电路、信号放大电路、时序同步控制电路的处理后，成为红外辐射信号，由输出电路输出到数据传输模块3；
所述深度相机模块由红外发射、红外镜头、点阵投影器及RGB摄像头组成；该模块通过发射特定波长的红外激光作为光源，投影到捕捉的目标，并通过计算返回的编码图案的畸变来得到包括物体的位置和深度信息在内的深度图像信息；
所述数据传输模块3通过有线或无线方式，将数据采集模块2的红外辐射信号和深度图像信息传输到数据预处理模块4；
所述数据预处理模块4接收到红外辐射信号和深度图像信息后，对其进行滤波降噪和插值处理，然后传输到能量消耗计算模块5；
所述能量消耗计算模块5接收到接收到红外辐射信号和深度图像信息后，根据一种非接触式的运动人体能量消耗实时评估方法，进行能量消耗的计算，得出运动人体的辐射热量、对流热量、动能、势能及能量消耗，并将这些计算结果传输到数据显示模块6；
所述数据显示模块6用曲线形式动态显示运动人体的辐射热量、对流热量、动能、势能及能量消耗，并支持导出原始数据和生成报告。
一种非接触式的运动人体能量消耗实时评估方法，包括如下步骤：
S1：测量当前运动环境内的温度和湿度，根据当前绝对风速、人体运动方向及速度计算受试者的相对风速；输入受试者的包括身高和体重在内的基本信息，根据受试者的身高和体重计算人体表面积；
S2：实时同步采集运动人体的红外辐射信号和深度图像信息；
S3：对红外辐射信号进行预处理，分别计算运动人体的辐射热量、对流热量、大气衰减热量以及来自深度相机模块的红外辐射量，进而计算得到运动人体的散发热量；
S4：对深度图像信息进行预处理，获取运动中关节点三维坐标，计算得到运动人体的机械功；
S5：将S3得到的散发热量与S4得到的机械功相加，即为运动人体的能量消耗。
优选的，所述S2包括以下步骤：
步骤S21：在已知温度、湿度和风速的环境中，对一定数量的已知温度的黑体进行标定，基于普朗克定律建立黑体辐射度和温度的函数关系式；
步骤S22：将数据采集模块2固定于与地面平行的支架上，保证深度相机模块和红外光学探测模块与地面平行且具有一定的垂直高度，以保证目标人体全部出现于镜头中，并执行方向归一化操作，设定坐标系；
步骤S23：红外探测模块实时采集运动人体的红外辐射信号；深度相机模块实时采集运动人体的深度图像信息；同步控制模块通过内置同步、同步触发或数模转换器的方式实现红外探测模块和深度相机模块的同步采集。
优选的，所述S3包括以下步骤：
步骤S31：采用高斯-马尔可夫数学模型，确定红外探测模块随温度变化而产生的低频和高频噪声规律，然后采用卡尔曼滤波器对红外探测模块采集的红外辐射信号进行过滤，得到删除了红外探测模块噪声的红外辐射信号；
步骤S32：根据普朗克定律得出红外辐射信号的能量密度μλ的表达式：
Figure BDA0003395637470000041
其中λ为红外辐射信号的波长，t为温度；
对一定时间内的红外辐射信号的能量密度μλ进行积分，算出总辐射热量Fa：
Figure BDA0003395637470000051
步骤S33：确定深度相机模块发射和接受的红外波长范围(λ1～λ2)，采用阈值分割方法算出深度相机模块带来的额外的红外辐射热量Fb；
步骤S34：根据人体和装置的距离d、距离为0时的辐射热量F0、大气吸收系数a和大气散射系数v，算出热量辐射过程中大气衰减热量Fc：
Fc＝F0e(-(a+v)d)
步骤S35：根据上述所述的总辐射热量Fa、来自深度相机模块的额外的红外辐射热量Fb和大气衰减热量Fc，算出人体的红外辐射净热量FF；
FF＝Fa-Fb-Fc
步骤S36：根据总辐射热量Fa算出人体温度，进而算出人体温度与室内温度的温差Tc；
步骤S37：将相对风速作为参数，建立人体表面对流热系数的经验公式，记为f(v)；
步骤S38：根据人体表面对流热系数f(v)、人体表面积BSA和温差Tc算出人体的对流热量Fd；
Fd＝f(v)×BSA×Tc
步骤S39：人体的散发热量F为红外辐射热量FF和对流热量Fd之和：
F＝FF+Fd
优选的，所述S4包括以下步骤：
步骤S41：对深度相机模块得到的深度图像信息进行预处理，获取运动中的关节点三维坐标；根据获取的关节点三维坐标、环节-质心长度占比和环节质量占比，计算各环节质心三维坐标以及人体质心坐标；
步骤S42：根据人体质心坐标，计算人体质心在三维平面的动能Ekb和势能Ep1，则一定时间人体所做的外功EE为：
EE＝Δ(Ekb+Ep1)
步骤S43：根据各环节质心三维坐标，分别计算各环节质心的平移动能Ekt、转移动能Ekr和势能Ep2，则从t1到t2的时间内人体各环节所做的内功EI为：
Figure BDA0003395637470000061
步骤S44：则人体所做的机械功EK为外功和内功之和：
EK＝EE+EI
本发明的有益效果是：
(1)无需佩戴呼吸面罩即可实现能量消耗的动态精准测量，相较于现有的能量消耗测量方法，具有实时性、便捷性和持续性监测等优点；
(2)采用红外光学探测和深度相机进行数据采集，不仅结构简单、操作方便、成本低，且不受固定场地和光照条件限制，在日常活动监测和康复训练中具有更为广泛的应用前景。
附图说明
附图1为本发明的结构示意图。
附图标记：
1、信息录入模块；2、数据采集模块；3、数据传输模块；4、数据预处理模块；5、能量消耗计算模块；6、输出显示模块。
具体实施方式
如附图1所示，一种非接触式的运动人体能量消耗实时评估系统，包括信息录入模块1、数据采集模块2、数据传输模块3、数据预处理模块4、能量消耗计算模块5和输出显示模块6；
所述信息录入模块1用于录入包括体重和身高在内的人体基本信息，并且包含了温度传感器和湿度传感器，可自动检测当前运动环境中的温度和湿度；
数据采集模块2包括红外光学探测模块、深度相机模块和同步控制模块；红外光学探测模块实时采集运动人体的红外辐射信号；深度相机模块实时采集运动人体的深度图像信息；同步控制模块通过内置同步、同步触发或数模转换器的方式实现红外探测模块和深度相机模块的同步采集；
红外光学探测模块由光学镜头、红外探测阵列、输入电路、信号放大电路、时序同步控制电路和输出电路组成；该模块的光学镜头接受被测目标的红外辐射，经光谱滤波将红外辐射能量分布图形反映到焦平面上的红外探测阵列的各光敏元件上；红外探测阵列将红外辐射能转换成电信号，该电信号经过输入电路、信号放大电路、时序同步控制电路的处理后，成为红外辐射信号，由输出电路输出到数据传输模块3；
深度相机模块由红外发射、红外镜头、点阵投影器及RGB摄像头组成；该模块通过发射特定波长的红外激光作为光源，投影到捕捉的目标，并通过计算返回的编码图案的畸变来得到包括物体的位置和深度信息在内的深度图像信息；
数据传输模块3通过有线或无线方式，将数据采集模块2的红外辐射信号和深度图像信息传输到数据预处理模块4；
数据预处理模块4接收到红外辐射信号和深度图像信息后，对其进行滤波降噪和插值处理，然后传输到能量消耗计算模块5；
能量消耗计算模块5接收到接收到红外辐射信号和深度图像信息后，按照下文所述的方法进行能量消耗的计算，得出运动人体的辐射热量、对流热量、动能、势能及能量消耗，并将这些计算结果传输到数据显示模块6；
数据显示模块6用曲线形式动态显示运动人体的辐射热量、对流热量、动能、势能及能量消耗，并支持导出原始数据和生成报告。
该系统的使用方法包括如下步骤：
S1：在信息录入模块1输入人体基本信息，受试者的基本信息包括但不限于年龄、性别、身高、体重、BMI、患病与否等；根据受试者身高(H，m)和体重(W，kg)，计算人体体表面积(BSA，m2)；信息录入模块1配有温度传感器和湿度传感器，在每次测试开始前，需要操作者执行测试环境的标定程序，执行此程序时，温度传感器和湿度传感器自动检测当前运动环境中的温度和湿度；根据当前绝对风速、人体运动方向及速度计算受试者的相对风速；
S2：利用数据采集模块2实时同步采集运动人体的红外辐射信号和深度图像信息。在开始采集前，需要对数据采集模块2做如下2个标定：
(1)在已知温度、湿度和风速的环境中，对一定数量的已知温度的黑体进行标定，基于普朗克定律建立黑体辐射度和温度的函数关系式f；
(2)将数据采集模块2固定于与地面平行的支架上，保证深度相机和红外光学探测模块与地面平行且具有一定的垂直高度，以保证目标人体全部出现于镜头中，并执行方向归一化操作，设定坐标系。
标定工作完成后，即可启动数据采集模块2的数据采集工作。红外探测模块实时采集运动人体的红外辐射信号；深度相机模块实时采集运动人体的深度图像信息；同步控制模块通过内置同步、同步触发或数模转换器的方式实现红外探测模块和深度相机模块的同步采集。
S3：对红外辐射信号进行预处理，分别计算运动人体的辐射热量、对流热量、大气衰减热量以及来自深度相机模块的红外辐射量，进而计算得到运动人体的散发热量。该步骤可细分为9个步骤：
(1)采用高斯-马尔可夫数学模型，确定红外探测模块随温度变化而产生的低频和高频噪声规律，然后采用卡尔曼滤波器对红外探测模块采集的红外辐射信号进行过滤，得到删除了红外探测模块噪声的红外辐射信号；
(2)根据普朗克定律可以得出红外辐射信号的能量密度μλ的表达式：
Figure BDA0003395637470000091
其中λ为红外辐射信号的波长，t为温度；
对一定时间内的红外辐射信号的能量密度μλ进行积分，算出总辐射热量Fa：
Figure BDA0003395637470000092
(3)确定深度相机模块发射和接受的红外波长范围(λ1～λ2)，采用阈值分割方法算出深度相机模块带来的额外红外辐射热量Fb；
(4)根据人体和装置的距离d、距离为0时的辐射热量F0、大气吸收系数a和大气散射系数v，算出热量辐射过程中大气衰减热量Fc：
Fc＝F0e(-(a+v)d)
(5)根据上述所述的总辐射热量Fa、深度相机模块带来的额外红外辐射热量Fb和大气衰减热量Fc，算出人体的红外辐射净热量FF；
FF＝Fa-Fb-Fc
在运动人体外散热量中，因为空气对流而引发的热量流失也是重要组成部分。根据普朗克定律可通过辐射热量计算目标物体的绝对温度，这也是红外热成像的理论基础。该系统的温度传感器可实时检测运动环境中的大气温度，则可计算人体温度和室内温度的温差Tc。此外，纳入相对风速，建立人体表面对流热系数的经验公式，记为f(v)。其中，相对风速可根据深度相机捕捉到的运动学而得。对流热量的具体计算过程可细分为3个步骤，即(6)-(8)：
(6)根据总辐射热量Fa算出人体温度，进而算出人体温度与室内温度的温差Tc；
(7)将相对风速作为参数，建立人体表面对流热系数的经验公式，记为f(v)；
(8)根据人体表面对流热系数f(v)、人体表面积BSA和温差Tc算出人体的对流热量Fd；
Fd＝f(v)×BSA×Tc
(9)算出红外辐射净热量FF和对流热量Fd之后，人体的散发热量F为两者之和：
F＝FF+Fd
S4：对深度图像信息进行预处理，获取运动中关节点三维坐标，计算得到运动人体的机械功。
如表1所示，深度相机捕捉到的关节点坐标包括髋部中心、头顶、第七颈椎、左右侧肩、左右侧肘、左右侧手腕、左右侧中指、左右侧髋、左右侧膝、左右侧踝，左右侧脚跟、左右侧脚尖，其中髋部中心为骨骼坐标系的原点，环节的数量为14个，根据人体骨骼关节点划分为头和颈部、躯干、左上臂、左前臂、左手、左大腿、左小腿、左足、右上臂、右前臂、右手、右大腿、右小腿和右足。
人体骨骼关节点进行轮廓划分的过程包括根据距离关系和边缘检测技术确定人体轮廓边缘，获取目标人体的完整轮廓。
本实施例中人体测量学数据具体如表1所示：
表1人体测量学数据表
Figure BDA0003395637470000111
骨骼关节点坐标的旋转信息包括起始骨骼点、结束骨骼点、相对旋转信息和绝对旋转信息，相对旋转信息为起始骨骼点和结束骨骼点的两个坐标系之间的转移参数，绝对旋转信息为结束骨骼点坐标系和深度相机空间坐标系之间的转移参数，采用降噪和平滑对骨骼关节点坐标的旋转信息进行处理，降低其噪声。
根据关节点三维坐标计算环节长度，计算公式如下所示：
根据获取的关节点三维坐标、环节-质心长度占比和环节质量占比，计算各环节质心三维坐标以及人体质心坐标，计算如下：
Figure BDA0003395637470000121
Figure BDA0003395637470000122
Figure BDA0003395637470000123
Figure BDA0003395637470000124
根据人体质心坐标，计算人体质心在三维平面的动能Ekb和势能Ep1，则一定时间人体所做的外功EE为：
EE＝Δ(Ekb+Ep1)
根据各环节质心三维坐标，分别计算各环节质心的平移动能Ekt、转移动能Ekr和势能Ep2，则从t1到t2的时间内人体各环节所做的内功EI为：
Figure BDA0003395637470000125
则人体所做的机械功EK为外功和内功之和：
EK＝EE+EI
S5：将S3得到的散发热量F与S4得到的机械功EK相加，即为运动人体的能量消耗E：
E＝F+EK
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (5)

1.一种非接触式的运动人体能量消耗实时评估系统，其特征在于：
包括信息录入模块(1)、数据采集模块(2)、数据传输模块(3)、数据预处理模块(4)、能量消耗计算模块(5)和输出显示模块(6)；
所述信息录入模块(1)用于录入包括体重和身高在内的人体基本信息，并且包括自动检测当前运动环境中的温度和湿度的温度传感器和湿度传感器；
所述数据采集模块(2)包括红外光学探测模块、深度相机模块和同步控制模块；红外光学探测模块实时采集运动人体的红外辐射信号；深度相机模块实时采集运动人体的深度图像信息；同步控制模块通过内置同步、同步触发或数模转换器的方式实现红外探测模块和深度相机模块的同步采集；
所述红外光学探测模块由光学镜头、红外探测阵列、输入电路、信号放大电路、时序同步控制电路和输出电路组成；该模块的光学镜头接受被测目标的红外辐射，经光谱滤波将红外辐射能量分布图形反映到焦平面上的红外探测阵列的各光敏元件上；红外探测阵列将红外辐射能转换成电信号，该电信号经过输入电路、信号放大电路、时序同步控制电路的处理后，成为红外辐射信号，由输出电路输出到数据传输模块(3)；
所述深度相机模块由红外发射、红外镜头、点阵投影器及RGB摄像头组成；该模块通过发射特定波长的红外激光作为光源，投影到捕捉的目标，并通过计算返回的编码图案的畸变来得到包括物体的位置和深度信息在内的深度图像信息；
所述数据传输模块(3)通过有线或无线方式，将数据采集模块(2)的红外辐射信号和深度图像信息传输到数据预处理模块(4)；
所述数据预处理模块(4)接收到红外辐射信号和深度图像信息后，对其进行滤波降噪和插值处理，然后传输到能量消耗计算模块(5)；
所述能量消耗计算模块(5)接收到接收到红外辐射信号和深度图像信息后，根据权利要求2所述的一种非接触式的运动人体能量消耗实时评估方法，进行能量消耗的计算，得出运动人体的辐射热量、对流热量、动能、势能及能量消耗，并将这些计算结果传输到数据显示模块(6)；
所述数据显示模块(6)用曲线形式动态显示运动人体的辐射热量、对流热量、动能、势能及能量消耗，并支持导出原始数据和生成报告。
2.一种非接触式的运动人体能量消耗实时评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：测量当前运动环境内的温度和湿度，根据当前绝对风速、人体运动方向及速度计算受试者的相对风速；输入受试者的包括身高和体重在内的基本信息，根据受试者的身高和体重计算人体表面积；
S2：实时同步采集运动人体的红外辐射信号和深度图像信息；
S3：对红外辐射信号进行预处理，分别计算运动人体的辐射热量、对流热量、大气衰减热量以及来自权利要求1所述的深度相机模块的红外辐射量，进而计算得到运动人体的散发热量；
S4：对深度图像信息进行预处理，获取运动中关节点三维坐标，计算得到运动人体的机械功；
S5：将S3得到的散发热量与S4得到的机械功相加，即为运动人体的能量消耗。
3.根据权利要求2所述的一种非接触式的运动人体能量消耗实时评估方法，其特征在于，所述S2包括以下步骤：
步骤S21：在已知温度、湿度和风速的环境中，对一定数量的已知温度的黑体进行标定，基于普朗克定律建立黑体辐射度和温度的函数关系式；
步骤S22：将权利要求1所述的数据采集模块(2)固定于与地面平行的支架上，保证深度相机模块和红外光学探测模块与地面平行且具有一定的垂直高度，以保证目标人体全部出现于镜头中，并执行方向归一化操作，设定坐标系；
步骤S23：红外探测模块实时采集运动人体的红外辐射信号；深度相机模块实时采集运动人体的深度图像信息；同步控制模块通过内置同步、同步触发或数模转换器的方式实现红外探测模块和深度相机模块的同步采集。
4.根据权利要求2所述的一种非接触式的运动人体能量消耗实时评估方法，其特征在于，所述S3包括以下步骤：
步骤S31：采用高斯-马尔可夫数学模型，确定红外探测模块随温度变化而产生的低频和高频噪声规律，然后采用卡尔曼滤波器对红外探测模块采集的红外辐射信号进行过滤，得到删除了红外探测模块噪声的红外辐射信号；
步骤S32：根据普朗克定律得出红外辐射信号的能量密度μλ的表达式：
Figure FDA0003395637460000031
其中λ为红外辐射信号的波长，t为温度；
对一定时间内的红外辐射信号的能量密度μλ进行积分，算出总辐射热量Fa：
Figure FDA0003395637460000032
步骤S33：确定深度相机模块发射和接受的红外波长范围(λ1～λ2)，采用阈值分割方法算出深度相机模块带来的额外的红外辐射热量Fb；
步骤S34：根据人体和装置的距离d、距离为0时的辐射热量F0、大气吸收系数a和大气散射系数v，算出热量辐射过程中大气衰减热量Fc：
Fc＝F0e(-(a+v)d)
步骤S35：根据上述所述的总辐射热量Fa、来自深度相机模块的额外的红外辐射热量Fb和大气衰减热量Fc，算出人体的红外辐射净热量FF；
FF＝Fa-Fb-Fc
步骤S36：根据总辐射热量Fa算出人体温度，进而算出人体温度与室内温度的温差Tc；
步骤S37：将相对风速作为参数，建立人体表面对流热系数的经验公式，记为f(v)；
步骤S38：根据人体表面对流热系数f(v)、人体表面积BSA和温差Tc算出人体的对流热量Fd；
Fd＝f(v)×BSA×Tc
步骤S39：人体的散发热量F为红外辐射热量FF和对流热量Fd之和：
F＝FF+Fd。
5.根据权利要求2所述的一种非接触式的运动人体能量消耗实时评估方法，其特征在于，所述S4包括以下步骤：
步骤S41：对深度相机模块得到的深度图像信息进行预处理，获取运动中的关节点三维坐标；根据获取的关节点三维坐标、环节-质心长度占比和环节质量占比，计算各环节质心三维坐标以及人体质心坐标；
步骤S42：根据人体质心坐标，计算人体质心在三维平面的动能Ekb和势能Ep1，则一定时间人体所做的外功EE为：
EE＝Δ(Ekb+Ep1)
步骤S43：根据各环节质心三维坐标，分别计算各环节质心的平移动能Ekt、转移动能Ekr和势能Ep2，则从t1到t2的时间内人体各环节所做的内功EI为：
Figure FDA0003395637460000051
步骤S44：则人体所做的机械功EK为外功和内功之和：
EK＝EE+EI。
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