CN115346419B - 一种基于可见光通信的训练辅助系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可见光通信的训练辅助系统，涉及可见光通信和增强定位领域，包括调制可见光主动光源模块、摄像模块和计算机处理模块。主动光源模块根据训练目的，佩戴于训练者关键测试部位，多个光源主动发出不同频率可见光；摄像模块通过传感器和摄像头进行光通信，获取图像信息和光信号；计算机处理模块通过高速传输线路与所述摄像模块实时联通，经过图像处理获得光源定位精度增强的移动轨迹，形成辅助训练报告。本发明引入主动光源，将二维图像信息与光信号结合，简化图像处理算法，为训练辅助领域提供轻便、定位精度增强、优化信噪比、计算机处理效率高、实现实时性的一套系统。

Description

一种基于可见光通信的训练辅助系统

技术领域

本发明属于可见光通信和增强定位领域，尤其涉及训练动作数据获取系统。

背景技术

可见光通信(VLC)因其具有的低碳环保、不占用传统电磁通信信道、通信速度快等优势，被认为是极具前景的新兴技术；LED所具有的高速电光响应特性使得它成为普遍通信光源。基于VLC定位与现有定位技术具有不产生电磁辐射干扰、定位精度高等优点。

近年来，在我国文体领域得到长足的发展，越来越多的文体活动开始面向精细化、优美化和普及化；如体育训练、舞蹈表演、特效电影动作捕捉和动画人物动作合成等；文体领域的发展是我国体育和文化领域发展水平的核心竞争力。现代竞技体育训练追求运动成绩不断突破，高水平运动员越来越依赖针对性、个性化科学定制的训练规划。并且几乎所有体育训练和舞蹈训练都是由身体动作组成。为此，构建高水平运动员和优秀舞蹈者动作数据库，运用大数据分析和比较，预测训练动作风险，进行合理规避运动动作和舞蹈动作损伤，为训练团队提供科学化的训练辅助方案具有重要意义。

目前一般采用基于视频技术的动作分析、机械式动作捕捉、电磁式动作分析和红外三维运动捕捉分析等；但是前三者存在着灵敏度低、准确性不高的问题；现有可穿戴设备在检测精准度和舒适性兼顾情况下，无法获取准确数据信息，影响动作训练效果。随着智能设备的发展，基于被动式光源的动作信息捕捉得到长足的发展，但是大多数训练动作捕捉系统成本高昂，检测过程需要大量设备，不利于实时检测。因此提供一种定位精准度增强、成本较低、简便且实时检测的训练辅助系统迫在眉睫。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于可见光通信的训练辅助系统，以达到一种成本较低、定位精度增强、训练动作数据获取精准、维护成本低、简化图像处理算法且实时检测的训练辅助的目的，技术方案如下：

一种基于可见光通信的训练辅助系统，包括：调制可见光主动光源模块、摄像模块和计算机处理模块；

所述调制可见光主动光源模块穿戴于训练者，根据训练者的训练目的和要求，在训练者关键检测部位安装可见光光源，主动发出可见光；

所述摄像模块用于获取主动光源发出的光信号，同时获取图像光斑信息；

所述计算机处理模块，用于接收摄像模块在佩戴者运动过程中，对各个不同光源进行拍摄得到的图像信息，根据图像信息结合双目立体视觉测深原理，确定不同光源在训练过程中的位置信息；根据高速摄像机拍摄不同时刻的同一部位的光源位置信息，结合所接收的可见光信号进行图像处理，得到主动光源的运动参数，作为佩戴者各个动作关键部位的关键数据，形成图表、三维图像、视频等信息的多媒体报告。

优选的，所述调制可见光主动光源模块，通过发送的光信号与摄像模块通信连接通信；

优选的，所述摄像模块与计算机处理模块通过高速并行传输线路实时传输数据信息；

优选的，所述调制可见光主动光源模块佩戴于运动者，能够起到发出可见光，为摄像模块提供光信号和图像信息，具体包括：

根据训练的具体目的和要求，在训练者对应动作关键部位，安装可见光主动光源，不同部位光源发出不同频率的可见光，用于提供摄像模块的图像信息和计算机处理模块所需的光信号信息；

优选的，所述可见光光源为微型无源LED灯组成，经过调制，不同LED灯可发出不同频率的可见光；

优选的，所述微型无源LED灯嵌入调光芯片，用于发出特定频率可见光信号；

优选的，所述微型无源LED灯可方便穿戴并固定在训练者相应部位上；

优选的，所述摄像模块包括两台高分辨率摄像机、固定支架和光通信传感器组成；

优选的，所述两台高分辨率摄像机固定于固定支架的左右两端，保持同一水平、平行向前，构成双目摄像机；

优选的，所述光通信传感器获取主动光源发出的光信号，转化为电信号；

优选的，所述双目摄像机对训练者进行图像采集，获取关键部位可见光光源发出的光斑；

优选的，所述摄像模块可与微型无源LED光源进行光通信，采集得到不同部位不同LED灯发出的光信号，获取频率信息和光照强度等调制信息；

优选的，所述计算机处理模块通过高速并行传输线路实时获取摄像模块得到的图像信息和光通信传感器获取的主动光源转化的电信号；

优选的，所述计算机处理模块运用图像处理原理，确定不同部位的可见光主动光源在训练过程的位置的移动过程，具体包括：

利用所述摄像模块获取的图像信息和接收的主动光源光信号，结合双目立体视觉测深原理，运用机器视觉处理算法，计算出不同频率可见光主动光源在左右摄像机坐标系中的坐标；

利用两摄像机之间的坐标关系，通过三角测量法确定可见光源的三维精准坐标，获取训练过程若干关键部位的位置信息；

利用所述摄像模块获取的图像信息，得到二维空间中可见光光源呈现光斑的位置信息；

利用所述摄像模块中光通信传感器获取的主动光源信号，结合计算机图像处理，得到主动光源的频率信息和光强度信息；

利用所述计算机图像处理，将图像信息与可见光主动光源信号数据信息结合，运用双目立体视觉测深原理得到定位精度增强数据。

优选的，所述计算机处理模块采用双目视觉技术，使得光源定位精度高。

优选的，所述双目视觉技术结合可见光主动光源的光强、不同频率数据分辨，实现定位精度增强。

优选的，所述双目视觉技术结合可见光主动光源的光强、不同频率等数据，引入机器视觉算法，将极大简化图像处理算法，提高运算速度，减少时延。

优选的，所述双目视觉技术结合可见光主动光源的光强、不同频率等数据，可明显优化信噪比，有效分辨出环境光照，提高图像处理滤除噪声能力，减少干扰，极大改善图像处理效果。

本发明的有益效果是：

在本发明中，一种基于可见光通信的训练辅助系统，包括已调制可见光的主动光源模块、摄像模块和计算机处理模块；摄像模块中的双目摄像头获取训练者图像光斑信息，摄像模块中的光通信传感器和训练者穿戴设备上装有的主动光源进行光通信，图像信息和光信号经计算机处理模块图像处理，能获取光源所在关键部位的定位增强的位置信息，确定运动轨迹，得到关键训练数据。

由于计算机处理模块、光通信传感器和可见光光源均为普遍使用设备、双目摄像仅需两台摄像机，成本较低；穿戴设备装有微型无源调制可见光主动光源，能确保舒适性；系统采用可见光通信和双目视觉技术结合，实现定位精度增强、机器视觉算法简化，计算机处理效率高、响应时间短，能够满足实时性；同时可见光对人体无影响、实现简单，不同频率光源相互间不会产生干扰，能有效过滤干扰噪声。本发明应用面广，如各类文体领域：体育、舞蹈、影视动作等；如姿势矫正领域：康复训练，坐姿调整等；如动作数据保存应用于失传传统舞蹈文化，记录濒临失传舞蹈的图像、视频和动作参数等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是可发出已调制可见光微型无源LED灯，作为主动光源；

图2是运动者穿戴设备表面的一种微型无源可见光光源布置方法；

图3是一种基于可见光通信的训练辅助系统的整体示意图；

图4是本发明提供的基于可见光通信训练辅助系统流程图。

附图标记：

101：底座；102：发光体；103：调光芯片；

201：主动光源模块；202：固定支架；203：双目摄像机；204：高速并行传输线路；205：计算机处理模块。

具体实施方式

为了使本发明的设备、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明；显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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基于可见光通信的训练辅助系统，包括发出调制可见光主动光源模块、摄像模块和计算机处理模块；所述可见光主动光源模块佩戴于训练者肢体或衣物上，根据具体训练目的和要求，在关键部位安置若干可见光主动光源，发出不同频率可见光；所述摄像模块根据双目摄像机拍摄图像信息，和光通信传感器所接收的光信号携带的频率和光照强度等信号数据，实时传输至所述计算机处理模块，经过双目立体视觉原理和机器视觉算法，计算出不同主动光源的三维空间精确坐标。所述主动光源图像位置在不同时刻情况下，计算机处理模块图像处理获得所述主动光源的移动轨迹，获得关键部位的参数信息，形成图表、三维图像、视频等信息的多媒体报告。

接下来，对本发明实施例公开的基于可见光通信的训练辅助系统进行介绍。请参见图3，基于可见光通信训练辅助系统包括发出调制可见光主动光源模块201、摄像模块和计算机处理模块205。

需要说明的是，在图3中，可见光主动光源模块201表示位于训练者不同关键采集部位的多个微型无源调制可见光光源；双目摄像机203表示固定于固定支架202的两台摄像机；计算机处理模块205通过高速并行传输线路204与摄像模块连接。

优选的，可见光光源可以按照图2中所布置，也可根据实际训练需要改变设置光源点的位置。

优选的，摄像模块包括固定支架202和双目摄像机203，以保持所述摄像机平行放置。

优选的，所述摄像模块需通过固定支架202固定于墙面较高高度。

优选的，计算机处理模块205通过高速并行传输线路204与摄像模块连接，保证实时传输，达到实时性。

一般地，摄像模块通过高速双目摄影机203，获取训练者含有光斑的动作图像信息，所述摄像模块含有的光通信传感器与可见光光源发出的光信号实现光通信，将图像信息和光信号通过高速并行传输线路204实时传输至计算机处理模块205。

所述可见光主动光源模块请参考图1，根据调光芯片103的调制作用，使位于主动光源底座101上的LED发光体102发出不同频率的可见光。

优选的，所述可见光主动光源的底座101内置了小电源，所述小电源为芯片和发光体提供电源。

所诉摄像模块在双目摄像机203作用下通过快速拍摄获取图像信息，同时光通信传感器与主动光源模块201进行光通信。

优选的，所述摄像模块内置的光通信传感器与主动光源模块201进行光通信，包括获取光源发出的频率信息和光照强度等信息；将获得的图像信息和光信号经由高速并行传输线路204与计算机处理模块205相连接通信；

优选的，传送至所述计算机处理模块205的电信号，经过计算机处理模块205内部简单计算可得光源与摄像模块的相隔距离；结合双目立体视觉测深原理，计算出不同频率可见光源在左右双目摄像机203坐标系中的坐标；

利用两摄像机之间的坐标关系，通过三角测量法确定可见光光源的三维定位增强坐标；结合连续拍摄图像信息，获取训练过程若干关键部位的位移参数；

利用所述摄像模块获取的图像信息，得到二维空间中可见光光源在图像信息中呈现光斑的位置信息；

优选的，将训练者增强定位信息连接，得到发光光源的移动轨迹、各个时刻的速度、加速度等训练参数。

在本发明的另一个实施例中，对人体训练均有特殊结点的标记，请参考图2；

需要说明的是，在图2中，人体各个关键标记点用黑点或圆圈标定。

优选的，固定可见光主动光源为佩戴身体或者衣物，在表面可用于固定多个可见光主动光源。

优选的，多个可见光主动光源为微型无源LED可见光源，且可发出特定频率的可见光。

下面列举图4所示的辅助训练流程处理实例。

假设所需采集数据的训练领域为运动、舞蹈、动画、影视动作识别等领域，根据相关训练要求进行可见光主动光源的安放；

步骤401中，可见光主动光源安放的位置由训练者所要进行的具体训练种类或者目的决定。

步骤402中，可见光主动光源为微型无源调制可见光光源，完成步骤401的安置后，该光源可发出特定的频率可见光，并且规定不同安置部位主动光源所发出的可见光频率不同。

步骤403中，在训练者运动过程中，双目摄像机实时获取训练者的动作图像信息，得到含有光斑的光源二维位置图像；

优选的，由步骤402可知，可见光主动光源发出的可见光信号，能够被摄像模块中的光通信传感器接收，转化为电信号后与图像信息通过有线高速并行传输线路至计算机处理模块。

步骤404中，图像信息和光信号携带的信息传输至计算机处理模块后，通过简易数据处理能够得到主动光源信号携带的频率信息和传输至摄像模块的光强数据。

优选的，计算机处理模块进行图像处理运用双目立体视觉分析，结合光信号携带的参数数据，经过机器视觉图像处理，获得定位精度增强的主动光源三维空间坐标信息；

优选的，主动光源信号的引入，将极大简化双目立体视觉算法的计算量，减少时延，提升计算效率；

优选的，主动光源调制信号的获取和处理，将极大优化信噪比，有效区分环境光噪声，提高图像处理精度。

步骤405中，进行计算机处理模块图像处理后，结合动力学分析，获得主动光源所在关键部位的移动轨迹、速度、加速度等训练所需的关键训练数据。

步骤406中，计算机处理模块将根据数据生成的记录保存，并生成图表、三维图像、视频等信息的多媒体报告，指导训练优化，动作纠正，起到辅助训练的效果。

以上所述仅作为本发明的较佳实施例方式，但本发明的保护范围并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于可见光通信的训练辅助系统，其特征在于，包括：主动光源模块、摄像模块和计算机处理模块；

所述主动光源模块为调制可见光主动光源模块；

所述调制可见光主动光源模块，用于发射不同频率的可见光；

所述摄像模块包括摄像机和光通信传感器；

所述摄像模块用于获取二维图像信息和主动光源光斑；所述光通信传感器，用于获取训练者不同部位上的不同时刻主动光源发出的光信号，通过高速并行传输线路将获取的动作图像信息和光信号传输至所述计算机处理模块；

所述计算机处理模块，用于接收训练者运动过程中摄像模块所拍摄得到的二维图像信息和获取的可见光主动光源信号，根据图像处理得到不同发光光源的三维定位，根据位置信息进行运动学和动力学分析，获得光源部位的关键训练数据，所述关键训练数据包括光源部位的移动轨迹、速度和加速度；

所述摄像模块由两台高分辨率摄像机、固定支架和光通信传感器组成；

所述光通信传感器内置于摄像机镜头内；

两个所述摄像机构成双目摄像机，且通过所述光通信传感器与主动光源模块进行光通信，用于获取若干所述主动光源的图像信息和频率、光强的数据检测信息；

所述计算机处理模块根据摄像模块获取的光源图像信息和包含频率、光强信息的光信号，结合双目立体视觉测深原理，确定不同部位可见光光源在训练过程中的位置改变、速度和加速度的过程，具体包括：

利用所述光通信传感器获取的不同部位可见光主动光源的频率，分离不同部位光源的位置信息；

利用所述不同部位可见光主动光源的光照强度数据，在计算机处理模块中得到光源与摄像模块距离参数；

利用所述双目立体视觉测深原理，计算出发出不同频率可见光光源在左、右摄像机坐标系中的坐标；

利用两个所述摄像机之间的坐标关系，通过三角测量法结合光通信获取的参数，确定可见光源的空间三维精准坐标，获取训练过程若干关键部位的位置信息及变化。

2.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信的训练辅助系统，其特征在于，所述可见光通信的训练辅助系统包括：用于发出调制可见光得主动光源模块、用于获取可见光源位置信息和光信号的摄像模块和用于图像信息处理的计算机处理模块；

所述调制可见光主动光源模块通过光信号与摄像模块进行光通信；

所述摄像模块与计算机处理模块相连接；所述摄像模块通过高速并行传输线路实时联通所述计算机处理模块。

3.根据权利要求2所述的一种基于可见光通信的训练辅助系统，其特征在于，所述主动光源模块由多个发出可见光主动光源组成；

所述多个发出可见光主动光源为微型发光体、调光芯片和电源组成；

所述微型发光体受调光芯片控制发出不同频率的可见光。

4.根据权利要求3所述的一种基于可见光通信的训练辅助系统，其特征在于，所述固定支架用于固定两个摄像机，使所述双目摄像机保持同一水平、平行向前或斜向下。

5.根据权利要求4所述的一种基于可见光通信的训练辅助系统，其特征在于，所述计算机处理模块通过高速并行传输线路，实时接收所述摄像模块在训练者运动过程中，位于关键部位的光源采集到的图像信息和光信号；所述计算机处理模块将所述双目摄像机提供的图像信息、光信号结合双目立体视觉测深原理，确定主动光源在训练者训练过程中的关键部位增强定位的三维精准空间坐标。

6.根据权利要求5所述的一种基于可见光通信的训练辅助系统，其特征在于，所述训练辅助系统根据所述双目摄像机，获取不同时刻对空间内训练者佩戴的光源的图像光斑信息和光信号，经计算机处理模块实时图像处理运算，得出位于不同部位的主动光源在该时刻的精准三维坐标，得出训练中各关键部位的数据。

7.根据权利要求6所述的一种基于可见光通信的训练辅助系统，其特征在于，根据关键部位训练数据，结合不同训练目的和要求进行建模分析或对比分析，得出图表、三维图像、视频信息的多媒体报告。