CN1211198A - 虚拟环境中的人为轨迹学习系统 - Google Patents

Abstract

在一训练人体的动作技巧的设备和方法中,学员根据对教练的动作的模仿进行学习。教练的动作被动作传感器检测,由计算机加以数字化,然后被记录在存贮器中。计算机在计算机显示器上产生教练的虚拟图象序列和此计算机所产生的虚拟环境中教练的供学员观看和模仿的动作。被用于记录教练运动的同一动作传感装置跟踪学员的运动并在显示器上实时地生成对应于学员的运动及其与此虚拟环境的交互作用虚拟图象序列,同时给出教练的运动的图象序列。学员的任务是要模仿教练的运动。重复这种过程直至教练和学员的轨道在空间和时间上良好匹配。

Description

虚拟环境中的人为轨迹学习系统

本发明的背景技术

在当前的动作学习系统中，学员由观察和模仿教练的动作来获取运动技巧。学员和教练的动作序列一般由摄像机进行记录和存贮在录像带上。一些系统将视频数据加以数字化并将动作序列存贮进计算机存贮器。学员在监视器上观察他的视频图象和将他的动作与教练的动作相比较。

SELSPOTTM和OptotrackTM为流行的人工动作分析系统，这些系统采用多个发光二极管标示器固定到一主体上的组织上重要的位置。在摄像机记录此主体的动作时计算机以予定次序驱动此标示器。信号处理软件编制在监视器上被观察主体的动作序列作为一生动的木偶形的或条棒形象。Elite^TM采用反射式标示器代替反光二极管。安装在摄像机上的光源周期地照亮标示器。软件处理视频图象，产生体的动作序列。

美国专利No.3408750揭示训练学员打高尔夫的动作的方法。摄像机记录学员站立在一专用平台上挥动高尔夫球棒的视频图象。此平台包括一面墙和被履盖有矩形座标网格图形的地板。两台摄像机在学员挥动高尔夫球棒时记录学员的侧视图和前视图。第三摄像机记录高尔夫球的结果轨道。学员在感知其身体在平台上的相对于网格线的位置的情况下接受空间信息。

在常规指导学习期内，学员步入平台为击球定位其身体。一预先记录的教练利用同一设备的正面视频图象被投射在第一视频显示器上，并且预先记录的教练的侧面视频图象被投射到第二视频显示器上。教练的图象被暂停在一起始位置上以便学员能将其身体作与教练的起始位置相对应的编排。摄像机捕捉学员的侧面和正面图象将它们投射到紧靠在对应的教练图象旁的视频显示器上。当学员就位时，他可开始一慢动作的或全速的重演教练图象的侧面和正面视图。现在学员由视频图象转移开他的注意集中力并在设法记住教练动作中的复杂难点的同时做击球尝试。这是固有的困难任务，因为在这一时刻学员的中心焦点在球上而不是在视频显示器上。因此，学员必须依赖他的记忆来调整它的动作以对应于教练的动作。此后，教练可以慢动作或全速地演播记录得的学员和教练的挥捧动作并对动作中的差异作口语的讲评。未必学员能将正面和侧面图象加以组合来有效地接受三维的反馈。学员在击球时要同时观看视频图象几乎是不可能的。学员被迫在显示器和球之间转移他的集中注意。这是一种为提供反馈给学员的无效和过时的方法，因为它强烈依靠学员的记忆、教练的说明和动作后的口语指示。

上述每一个系统中，均要求有多个摄像机来作三维动作分析。具有多于一个摄像机的系统需要复杂的同步化硬件和更健全的信号处理软件。基于标示器的系统的另外缺点是为确定三维定位一标示器必须同时能被两台摄像机看到。在主体运动时，大部分标示器均至少在少量帧中为摄像机视域所无法达到，从而降低系统的精确度。

先有技术的视频协助的动作学习系统还带来空间和时间上的问题。空间上的问题是因教练和学生多半体格大小不同而产生的。教练图象和学生图象的标定需要复杂的信号处理技术。由于视频训练是以重叠的图象之间的差异为基础的，教练学员图象的固有的不重合导致重叠的图象中的学员无法补偿的误差。已经作出一种企图以显示教练的一系列静态轮廓来替代教练的真实图象来克服此空间问题的尝试。在这一方法中，应用了基于视频的处理技术来计算教练的脱机动态模型。此模型不作实时计算而是脱机的，在随记录教练的动作之后延迟某些时间再进行。然后将此教练动态模型随同学员的实况视频显示一齐对学员显示。

尽管这种方法可以解决空间问题，但却无法解决时间的问题。时间的问题是难以将所显示的学员与教练动作同步化，即就是在重放期间一个图象可能会滞后另一个。教练/学员图象中未加补偿的空间和时间上的差异会迷惑学员并带来定时和动作困难。需要复杂的信号处理来使学员与教练图象同步，而且即使具有经同步的起始点，学员也不可能在监视器上观察其图象与教练的图象向的相对关系的同时将其注意力集中到要击的球上。另外，实况视频图象要求在每一时间间隔内以一定数量帧地记录图象。教练所作的动作多半伴有与学员不同的速度和加速度。在播放教练的和学员的动作时，学生所能获得的数据是在该时刻学员位置时间与教练位置的比较。不可能给予学员任何有关教练相比较学员的速度或加速度的信息。

为改善视频协助训练方法的就近努力是采用计算机存贮被摄像机捕捉的学员和教练动作数字图象。计算机利用信号处理方法设法补偿学员与教练间体型上的差异。在监视器上显示经过更新的学员的视频图象，使得学员能以更新的形式观察教练的与学员的动作之间的差异。分割屏幕和叠合技术被用于作棒状外形、细节图、或视频图象的形式的直观反映。此系统要求学员在击高尔夫球的实际作业与观察视频图象间转移他的注意力。如上述，这使得要依靠学员的记忆，而这是一种无效的跟踪动作的方法。采用视频图象此系统还存在有上述的时间上的问题和因学员和教练体型差异所引起的空间问题，对此信号处理器是无法进行补偿的。本发明概述

本发明展示一种动作学习的设备和方法。本发明的设备包括为检测运动的动作传感装置，响应此动作传感装置的电子电路，计算机存贮器和显示屏幕。电子电路在显示器上生成对应于所发生的学员的动作的虚拟图象序列。同时在此显示器上提供对应于教练的动作的虚拟图象序列。这样学员即能模仿和学习教练的动作。

术语“虚拟图象”被定义为动画制作，以与视频图象相对而言。动画制造由最小的信息量得来的图形生成，例如由作为时间的函数的位置和/或定向而生成。视频图象是由视频传感器阵列检测到的图象，或是被拍摄在照相胶片上的电影。视频图象有时被简化成较不复杂的图象，例如棒形图形或运动中身体的轮廓。这与人工生成的作为对运动中身体所收集到的数据的函数的生动的虚拟图象相对照。

与视频协助技术相反，本发明不依赖教练或学员的视频图象。而是在计算机监视器上生成学员的运动的虚拟图象序列，旁倚着对应的教练运动的虚拟图象序列。在本发明一优选实施例中，计算机由被电子电路检测得的位置和定向数据生成由学员使之投入运动中的要素的图形图象。计算机动画制作产生深度感觉，由此生成运动中要素的三维重显，它在学员运动期间作实时显示。如果例如说要击一个球，此球即在此虚拟环境下被看着击出。学员能保持他专心集中于虚拟目标，这与要求学员在显示器与真实目标之间转移其注意的基于视频的先有技术恰相反。学员的任务就是使学员的虚拟图象序列在同一参数帧内实时地模仿即仿真教练的虚拟图象序列，完全在虚拟环境中。这为学员提供了现代的和有效的动作学习工具。

本发明中，学员最好被提供给有关他的肢臂的或由此学员使之运动的器械的所希望轨道的经简化的数据组，也称之为“端点轨道”。很少或几乎不明确地提供有关身体其他部位的姿态和动作的信息。在所述的实施例中，仅显示一件器械或个别身体要素。在另一种办法中，生成一相对不明确的整个身体的显示而将此器械或个别身体要素以彩色和/或详细地加以突出。学员可发挥他自己的技巧策略来协调其身体的其余部位以达到所希望的端点轨迹。将运动的时间和空间特点加以分离的计算机软件使学习更为简便。本发明中所生成的学员的和教练的动作的“虚拟”图象是大小和形状类似的，所以它们能克服与视频协助学习系统相关连的空间上的问题。在实时进行训练时图象被在时间上自动同步，而克服先有技术系统时间上的限制。教练的虚拟图象运动，而学员以教练的动作调整他的动作，从而自然能产生时间上的同步。

运动传感装置可被附着在一器械，例如网球拍上。此装置提供计算机关于作为时间的函数的此器械的位置和定向信息。电子电路由检测到的器械的位置和定向生成此器械的虚拟图象，并在学员移动此器械时根据被改变的速度和加速度实时更新这一图象。此电子电路可以由在计算机上运行的软件实现。

本发明的目的是帮助学员实时地学习一公共座标画面内的教练的动作示范。例如说，学员学习新的网球拍动作按如下三个步骤来实现。首先，运动传感装置被连接到教练的手或网球拍上，并利用一存贮器装置记录下教练和动作。其次，学员将此运动传感装置戴在他们的手上或网球拍上。第三，将对应于教练的运动的图象序列在屏幕上显示，学员以使得其动作的虚拟图象与教练的虚拟图象相适应地挥动其网球拍这样来模仿教练。学员的目标是要模仿教练的轨道。教练的动作可以是按照学员的需要由被存贮的教练的动作的程序库中选择的，或者可以改变其速度来展示教练的动作与学员先前动作之间的不同。电子电路可逐渐增加教练的动作的图象序列的速度，直至在学员成为熟练地跟随教练的动作时达到全速。

为改善学员的学习可能采用各种不同的反馈方法。例如电子电路可在学员动作的虚拟图象与教练动作的虚拟图象之间生成线条。此线条表示动作间在位置上的相对差异。在此差异增加或减少时改变这些线条的长度。也可由电子电路生成声音音调来对学员提供位置上的相对差异。在这种情况下，在学员与专家的动作间的偏差变化时此音调即改变频率。由学员使之运动的器械的放大视图提供器械的位置和定向的更精确的反馈。这在动作的目标是要击打一静止的或运动中的抛射体的情况下特别有用。可将器械和抛射体的阴影投射到监视器图象中的一虚拟墙壁或地板上，来给学员提供一辅助的参数维量。

运动传感装置可以是一个在一固定单元上发射定向的电磁场并被至少一个附设在运动中的要素上的运动单元所接收的装置。

本发明提供教练的动作与学员的动作之间的密切融合。学员被提供以实时的直观反馈，而不必信赖他的记忆和他对教练动作的视觉推断。另外，本发明还在大小、复杂性和成本上较早先的运动分析系统有所降低。

本发明中，提供给学员的反馈被简化成一刚性对象，例如一器械或肢臂的端点轨迹的虚拟图象。这正与通常要采集数个肢臂的数据和显示学员或教练整个身体的视频图象或再现的视频图象的先有技术形成对照。先有技术的方法阻滞学习过程，因为它使得学员要承受过重的反馈数据。本发明中的消除不必要的反馈以使得学员能专心于实际目标、亦即生动的终端操纵装置的动作而简化学习过程。学员能使他自己独特的动作特点来适应对教练的终端操纵装置的动作的模仿，而不是设法模仿教练的全部动作。附图的简要说明

由下面对如附图中所表示的本发明的优选实施例的较具体的说明将会清楚了解本发明的上述的和另外的目的、特点和优点，附图中同样的参数符号在所有不同图中均指相同部分。附图不一定是按比例的，重点只是要说明本发明的原理。所列附图为：

图1说明按照本发明的运动训练系统的基本组成部件；

图2为按照本发明的用于训练学员以一球拍击球的动作的虚拟环境的监视器图象；

图3说明运动跟踪发射器的基准轴与安装在球拍上的运动跟踪传感器即接收器的轴间的相互关系；

图4为按照本发明的实践方式的图形说明；

图5为按照本发明的训练方式的图形的说明；

图6为按照本发明的反馈方式的图形说明；

图7为本发明的运行流程图，表明其闭环性质；

图8A和8B为系统软件的详细流程图；

图9为说明虚拟环境中的辅助反馈方法的监视器图象，包含学员与专家间的三维相对定位和作在虚拟球拍间的说明它们之间距离和定向的差异的线条；

图10为一监视器图象，包含学员的虚拟球拍相对于专家的球拍的挥动的图形反馈和为提供改善的深度感觉的球拍和球的阴影线；

图11为一反馈方式的监视器图象，生成球拍的放大图象以改善精度；

图12A、12B为应用于运动学习的本发明的实施例；

图13A、13B为应用于休整学习的本发明的实施例；

图14为作击乒乓球动作的虚拟训练的监视器图象；

图15表明为监视学员在图14的环境中的训练中动作的改善的试验性实施例；

图16为此试验的第一次测试的训练结果的图示，比较对照、领示和训练组中学员的改善；

图17为此试验的第二次测试的训练结果的图示，比较对照和训练组中的学员所作训练之间的改善；和

图18A～18C分别为对利用此仿真器的试验性训练组的、对实际作业上的训练组的和对对照组的端点轨道的三维对影图。优先实施例的详细描述

本发明在与学员的同一参数平面(帧)中生成教练的动作的图象，提供较先前系统更有效的学习方法。它提供教练的与学员的轨道的在空间和时间上的即时的直接比较。无需任何摄像机而因此不管传感器的地点如何连续地记录数据。这样，就不必象其他系统中那样要将传感器分布在为记录数据的摄像机的“可见”范围内。

本发明提供先有技术系统中有关的空间上和时间上的问题的解决措施。为克服空间上的问题，将终端操纵器例如高尔夫球棒的虚拟图象与教练身体尺寸无关地提供给学员。而对于时间上的问题则对学员和教练双方计算器械的动态的基于时间的模型。采用这种方式使得教练和学员的速度和加速度特性有可能进行比较。进而利用这种信息生成一虚拟环境，在此，学员挥动器械来打击一运动中的或静止的目标，例如一个球，并观察所得的轨道。这就使得学员能观看计算机监视器而同时击中虚拟的球和注意教练的动作。实时地，此主体观察学员的动作、教练的动作、和球。基本上训练是在一虚拟环境中进行。

本发明与先有技术的其他区别还在于，本发明能提供动作的速度和加速度成分作为训练学员用的反馈信号。这种特点是与力学体系中的轨道控制理论相一致的。为使一主体符合教练的轨道或其他参数轨道，最好除教练的位置信息外还对学员提供教练的速度信息。仅有位置信息常常很难使一个人的动作适应快速移动的教练轨道。视频的应用阻碍准确测量速度，因此现有技术的基于视频的技术对教练快速动作是无效的。

本发明还能计算由教练和学员的轨道推演得的中间运动轨道。这很重要，因为精通此动作的有经验的教练，例如专家或职业运动员的动作常常是与学员的极其不同的。一合适的训练系统应当不仅显示正确的动作，而且还应告诉学员如何递增地改进学员的动作以便能最终模仿大师的动作。当教头与学员轨道间的差别很大时，学员多半将不能辨别他的动作哪一方面需要改正。这导致学员的挫败和最终会放弃练习。本发明提供一系统仿造教练和学员的运动和计算作为学员和教练的轨道之间添改的中间教练的轨道。就这样，学员所作的很小的递增改变很可能会对二个轨道间的误差具有显著效果，提供对学员的建设性的反馈而激励学习。

图1说明按照本发明的运动学习系统的主要组成部件。可编程主计算机12包含有键盘14、鼠标器15、监视器10、存贮器11、和包含软驱、硬驱和CD-ROM的永久存贮器13。运动传感装置15与计算机15通讯而最好是市场上能购买的一包括运动处理单元16、发射器18和传感器20的运动跟踪系统。传感器20被附着在运动中的对象上，例如乒乓球拍22。

计算机12上运行的软件连续地监视在运动处理单元16产生的传感器20的位置和定向数据和在监视器10上更新运动中的对象22的图象，用户以键盘14和鼠标15控制此软件。

训练的第一步是由一在进行该特定运动方面是专家的教练获取动作序列。传感器20被安置在教练的肢臂的适当部位上或运动中的器械例如高尔夫球棒上。如果教练是一网球指导，传感器可被置于网球拍的手柄上。发射器18被置于教练的作用范围内。传感器20接收运动序列期间由发射器18产生的信号。在每一采样期间运动处理单元16确定传感器20相对于发射器18的位置和定向，并将数据传送给计算机12，在此加以处理和存进存贮器11、13。手柄上一单个传感器足够用来产生网球拍的端点轨道。虽然一端点轨道对一入门水平的学员可能足够了，但如产生辅助的反馈，则较有经验的学员就可能更有效地得到改进。为提供更多的反馈，可增加额外的传感器来监视主体上的其他感兴趣的部位。例如：前臂、上臂部、头部、躯干、腿等。

采用同样的传感器配置的学员努力在空间上和时间上模仿教练的动作序列。计算机12在监视器10上紧靠早先存贮的教练的轨道显示学生的轨道的虚拟图象。这样，在每一动作期间学员均实时地接收到直接的反馈。

如果学员的动作涉及到与在监视器10上所显示的一运动中的或静止的对象相接触，计算机12则提供所得的对象轨道的情况。图2中为一示例，它表明为学习以一球拍26击乒乓球28的动作学员会在监视器10上观看什么。在此例中，学员学习以虚拟球拍26击一计算机产生的虚拟乒乓球28，以一所希望的速度将虚拟球28送至目标30的中心。虚拟球28被以一初始速度由初始位置投射出显示在监视器10上。虚拟球28的初始运动可被用来激发教练和学员的动作。当球拍26击球28时，所得到的球28的轨道由简单动力学方程推演并显示在监视器10上。所得的轨道可能包含被传到球上的旋转和平移运动。教练的虚拟球拍24被显示在与学员们虚拟球拍26同一参数帧内，因而学员即能利用此提供学员的进步的直接反馈的系统来实时地模仿教练的动作。

软件使得学员能在慢动作直至实时的范围有控制教练的速度。依靠慢动作运行学员可集中注意到所学的动作的细节。软件能降慢击虚拟球的所得轨迹从而学员能仔细地观察球拍与球之间的碰击点。

对一学员有可能有数个教练从而一学员能由数种观点来学习运动技巧。在许多运用场合，一学员能由一个技术稍许优于该学员的教练而不是由一个具有高级技能水平的专家处得到最有效的学习。一开始，学员可选择一具有基本技巧的教练，而随学员的进步来增加教练的技术水平。

当一学员重复击虚拟球失误或不能击中目标时，计算机可进行干预。在重复的失败后软件可降低教练的技巧水平，使学员能重新集中于基本训练，提供直接反馈给学员使之能立即校正造成失败的不足点。

再来参考图1，在一优选实施例中计算机12为一带图形能力的PC。此计算机应为能与运动跟踪装置18、20良好接口的型式。

运动跟踪装置最好为一市场供应的六自由度的绝对位量和定向传感器，具有一带三个正交排列的天线的发射器18和一带三个正交配量的线圈的传感器20。发射器18周期的由各天线发射低频电磁波脉冲。由此反射器18发射的脉冲在感应器20的线圈中感生电流。各线圈中感生的电流的相对强度取决于传感器20线圈距发射器的距离和相对发射器18传感器20的取向。运动处理单元16根据传感器20线圈中感应的电流计算传感器20相对于发射器18的位置和定向。位置和定向数据被周期地由运动处理单元16传送到计算机12。

现代运动传感装置产生脉冲式的DC磁场。DC技术提供同时跟踪多个接收器、降低在存在有金属时的畸变、和较AC电磁跟踪器增长范围的运行性能的优点。AC技术引起多重应用问题，亦即，对每一附加的传感器，测量速率下降。例如，一流行的市场上提供的AC跟踪器在以单个传感器运行时能每秒作120次测量，对二传感器为每秒60次测量和对四传感器为每秒30次测量。利用近代DC电磁跟踪器，不管接收器数量多少，测量速率总维持在每秒100～144次测量。这在为学习一需要数个肢臂、关节、或部件的反馈的动作的本发明中采用多于一个传感器时是有益的。

DC电磁技术还使得因附近的金属而引起的磁场畸变减少。在导体金属例如不锈钢和铝附近的电磁场连续地感生涡流，造成测量中的重大歪曲。另一方面，DC磁场不在附近的导体金属中感生连续的涡流效应。结果，DC运动跟踪器总的说将较之AC运动跟踪器对导体金属干扰的敏感低于3～10倍。至于黑色金属，DC技术一般较AC技术对误差的敏感要低5倍。

DC电磁技术还提供较AC技术在范围上的改善。在接收器距离发射器8英尺处可得到完全的准确度。对于超长范围性能，可将DC发射器作为以8英尺间距的阵列，例如一以四个发射器分隔开置于一8英尺正方形的角上的阵列将覆盖一24英尺×24英尺的具有完全的准确度的空间。作为比较，市售的AC磁技术在发射器的2.5英尺之内为完全的准确度，准确度在2.5英尺至10英尺的范围能递减。

如图3中所示，与一典型运动跟踪装置相关联的有二个坐标系统，第一个是发射器18的坐标系统，它在空间上是固定的。第二个是传感器20的坐标系统，在三度空间中作自由运动。传感器20基准帧(平向)相对于发射器18基准帧的位置和定向信息由运动处理单元16提供。这一信息以1×6向量的形式存贮：

其中，X_sensor、Y_sensor、和Z_sensor沿三个主轴传感器20相对于发射器18的位移，而ψ、θ和φ为传感器20相对于发送器18的方位、高度和倾侧定向。方位被定义作为X和Y坐标围绕Z轴的旋转。高度被定义为被转动的Z和X坐标围绕被转动的Y轴的旋转。倾侧为定义为被转动的X和Z坐标围绕X轴的旋转。

在本发明一实施例中，来自运动处理单元16的数据通过RS-232串行端口以38.4K波特速度被发送到PC12。在PC12上运行的软件利用经缓存的中断驱动通信协议，它保证无数据丢失。计算机为一具有Intel^TM处理器、五兆字节RAM和Super-VGA监视器的标准PC。本发明者以C语言和采用C++编译程序的汇编语言开发软件。

本发明人以汇编语言开发的经优化的图形库产生在训练时期为用户掌握的三维对象模型。系统每秒生成约60帧，得到高质量动画制作效果。图象以640×480象素的分辨率作256种彩色再现。一标准照明组件被用于作逼真的三维透视图。

图4中表示本发明被应用于训练学员击乒乓球的动作的图形。学员50觉察到虚拟球拍52方向上射出的虚拟球28。训练的目的是学习以虚拟球拍52击虚拟球28将其送入标的30的中心的动作。

由于运动跟踪装置连续的监视传感器20的位置和定向，一刚性体例如乒乓球拍22的端点轨道可以利用安装在球拍18的手柄上的单个传感器20确定。虚拟球拍52在监视器10上显示不包括学员的手臂或躯体。仅显示球拍，学员可集中注意于要学习的动作的最重要的部分，即就是球拍的端点轨迹，主体(学员)发展他自己的为协调其身体其余部分的有应用定义的技巧来达到该所希望的端点轨迹。

可增加辅助传感器20来提供学员身体的位置的动画制作，对学员产生更详细的反馈。通过更多的传感器而得的辅助反馈通常对刚开始的学员不一定是有益的，因为这可能给初学者以超量信息的过重负担。在学员成为熟习模仿终端操纵器的动作时，可以增加辅助传感器来使学员能注意动作的更复杂的细节。例如，可能将传感器附着到手、前臂、躯干、和/或腿上，以便学员能集中注意影响动作精度的肢臂的轨迹。例如说，一专业人员完成的终端操作器的动作可能只有采用辅助传感器才能实现对其的改善。

此运动系统包含三种运动模式：实践，训练，和反馈。实践模式如图4中所示，在此学员实践动作并逐渐熟悉此虚拟环境。在实践模式中，在学员50挥动一其中装有运动跟踪传感器20的真实的乒乓球拍22时，他观察监视器10上虚拟球拍52的实时反响。最初，产生虚拟球拍的动画制作而没有虚拟球，以使学员50熟悉此虚拟环境。当学员50充分准备了时，他可指示计算机在监视器10上生成虚拟球28供学员以虚拟球拍52打击，以将此虚拟球拍28送进监视器10上出现的标的30的中心为目标。

如图5中所示，动作学习的下一阶段是训练模式，在此在监视器10上出现教练的球拍58B上和执行将虚拟球28送进标的30的动作。在这一模式中学员的目的不在击虚拟球28，而是促使学员的虚拟球拍56B的动作模仿教练的虚拟球拍58B击虚拟球28时教练的动作。一开始，教练的动作表现为慢动作，由初始位置58A移动到最终位置58B以使得学员50能仅仅实践动作的轨道。逐渐地，教练的球拍58B的速度被增加到实时速度，而已学会此轨道的学员就能致力于动作的速度。在学员模仿教练的能力改善时，计算机自动地增加教练的动作速度。

此软件能确定学员的轨道中的那些包含与教练的轨迹偏离最大的部分。在随后的显示中，这些部分以慢动作图形着重显示，将学员50的注意集中到动作序列的尚未恰当地掌握的阶段。这一特点补充着观看受训人并提醒受训人的不正确动作的指导者的口头说明。

在训练模式之后，学员回到实践模式再次作实践检验以便监视他的进步。再对学员提供一系列的虚拟球。在预定次数的实践检验后系统转换到反馈模式。

如图6中表明的，反馈模式中被记录的学员50的动作56A、B被重放叠合在教练的动作58A、B之上。学员56B的轨道偏离教练58B的轨道的后段被作了强化突出60。此软件能在每一次实践检验之后或预定的实践检验次数之后显示反馈，而该次数可加以适配来适应于学员50的动作水平。学员50一般将达到一动作的稳定状态。在数次检验动作良好之后，学员有可能在接踵而来的数次检验中表现不佳。这些学员50重复地丧失标的30的时间间隔是一转换到训练模式或反馈模式的恰当时机。

图7为本发明的运行流程图，表明其闭环性质。在用户70移动对象72时，运动传感器72检测运动并将有关此对象的位置和定向信息76送给PC80。PC以实践、训练、或反馈模式运行，并按照运行模式在监视器84上显示所发生动作的动画制作82。监视器84实时地对用户70提供直观反馈86以使用户能确定应怎样的改进其动作。

图8A、8B为系统软件的详细流程图。程序以标定传感器相对于发射器的位置开始(100)。作出包含有球和标的的三维运行空间(102)。读取传感器位置和定向(104)和按照传感器位置和定向作出主体的球棒的三维模型(106)。接受给予球以初始速度(108)。

如果学员处于实践模式(110)，则读取传感器位置和定向并记录到文件(112)中。作出学员的球棒的三维模型和更新球的位置(114)。如果学员的球棒未击中球(116)，则更新传感器位置和定向并加以记录(112)和更新学员球棒的模型及球位置(114)。当球与球棒相接触时(116)，计算撞击的运动和球的加速度(118)并在屏幕上更新(120)。如果球未与标的接触(122)，再次更新球的位置(120)。在球撞击到标的后(122)，计算得分显示给学员(124)和再次重复此过程(110)。

如果学员处于训练模式(110)，由文件读取教练的轨迹(126)(见图8B)，和作出教练的球棒的三维模型(128)。读取学员的传感器信息和作出学员球棒的三维模型并更新球的位置(130)。按用户选择的更新速度，更新教练球棒的位置(132)和直至完成教练的轨迹(134)，继续更新学员球棒和教练球棒的位置。在完成教练的轨道之后(134)，计算学员与教练的动作的相关得分并显示给学员(136)。由此重复此过程(110)。

形成教练的动作的一种替换途径是记录学员的动作而后对计算机编程来预测类似于学员的动作的方式能成功的将球送入标的的轨道。利用由使用者推导得的教练轨道来替代预先记录的教练轨道，学员能由他自己的风格学到和完善自己的动作而不致被迫采取对此学员可能是很牵强的动作。

形成教练动作的另一途径是自我训练。在此记录学员的数个检验动作直至至少一个动作提供所希望的结果。计算机选择具有此最好结果的动作序列，并利用该序列来训练学员。

在一替代实施例中，除学员的球拍外还可在教练的球拍上安装传感器。在监视器上可实时的显示教练和学员双方的动作。这样，学员即可在存贮器中的教练的动作之外还可由现场的教练处学习。

充分的论据表明，在肢臂运动过程中，“终端操作器”的运动作为学习一动作的控制变元起着突出的作用。此终端操纵器可被看作为一用来与环境交互作用的部件。例如，在以一支粉笔写字时，不管它以手或脚握住，或者它是被附着在一被绑在上臂上的细杆的端部，此终端操纵器总是粉笔尖。众所周知，即使臂、手或脚的不同关节用作为此终端操纵器，笔迹总保留有其特征。不管直观反馈和环境中动态条件如何变化，简单的到达动作总维持它们的特性。生物运动方面的实验已证明，附着在一于黑暗中运动的人的数个关节上的LED足以产生某人的轮廓，甚至还包含有此人的个性特征的信息。这些研究已提出，最高级的运动规则和控制以肢臂的终端操纵器运动作为目标，并且由视觉系统所提供的大部分运动信息均包含在终端操纵器运动中。

可以用于显示关于终端操纵器的运动的反馈方式有许多具体形式。一种可能是利用作为时间的函数的不同变元的图形。可以省除那些被认为是不重要的动作变元，由此来简化学员动作与教练动作之间的比较。另外，作为时间的函数的位置的图形可被用于训练一维的手臂动作。以这种方式，可将教练动作的图形叠加在学员的动作之上来比较差别。就它们本身而言，这些方法因两种原因是不合适的。第一，当反馈涉及数个变元时，就象几乎任一现实作业中的那样，很难同时解释和比较数个图形。第二，即使这种显示是可能的，也不能有把握的说这种不一般形式的动作信息将会容易地被传递到学员的运动系统中。

被结合到本发明中的优选反馈方法是利用足够的指明动作在空间中的绝对位置的图形记号的终端操纵器的动画制作。由于正常情况下的视感运动系统接收一运动形式的视觉反馈，这种直接的显示便于处理被增大的反馈。动画制作将动作的显示压缩到最重要的变元。生动的特点易于由视线提取而被结合进学员的动作。将学员的动作与教练的相比较是完全在虚拟环境中利用终端操纵器的动画制作在作为参考的与学员的同一帧内同时和瞬间地显示教练的动作来实现。

在学员的动作期间提供的瞬时的或同时的反馈较之先有技术的延迟的基于视频的显示方法具有数个潜在的优点。利用同时的反馈，学员能利用在线的实时的校正而无需依赖记忆。同时反馈的另一优点是运动系统无需存贮关于刚刚完成的动作的信息，而仅在校正反馈成为可用时才进行存贮。

图9～12表示可替代的反馈方法。图9中在教练的虚拟球拍320与学员的虚拟球拍322之间作图形线即弦线314。弦线314表示虚拟球拍320、322之间的任一时刻位置上的相对差异。在学员较接近地模仿教练的动作时，弦线314即成为较短而因此对学员较少觉察到。学员认为这是他动作正确的指示。学员的目的就是更改他的动作以使得他整个动作的范围内弦线314尽可能地短。

作为弦线314的替代措施，计算机可产生一在球拍320、322间的距离变化时改变的特定频率的音调。例如，如学员的球拍运动接近教练的球拍运动320，则可产生一低调的音调。在学员的球拍与教练的球拍的运动距离增加时，可以产生递增地与增高的音调，来对学员提供动作中相对差异的声音反馈。

在图象的顶部显示教练球拍320C和学员球拍322C的放大的轮廓线。此轮廓线在将它们的定向轴于点P锁定到一齐时显示相互间的球拍的相对的三维定向。图9中，很明显学员的球拍322C在三维上都接近与教练的球拍320C对准。

图10为球拍在与图9那些角度不同时的监视器图象。可观察到图10中球拍间的弦线314较长，表明该瞬间学员球拍322的位置与教练的球拍320距离较远。另外由球拍的放大轮廓320C、322C可看到学员球拍322相对于教练的球拍320C的对准在图10中比在图9中的差。教练的球拍320C显示得比学员的球拍较平，表明教练的球拍320C显示接近平行于虚拟台308。学员球拍322C表现得宽得多，表明其定向接近垂直于台308。

为改善深度感觉，作出了学员的球拍322D、教练的球拍320D、和球304D的阴影。此阴影也表明球拍相互间相对的三维定向。假定虚拟光线直接在上方，球的阴影304D较教练的球拍的阴影320D更接近图象的后壁，表明球304较教练的球拍320要接近后壁。而阴影的宽还表明球拍相对于台308的三维定向。学员的球拍322的瘦小阴影322D表明此球拍定向接近垂直于台面。教练球拍320的较宽的阴影320D表明此球拍定向接近平行于台308的平面。

教练和学员的轨道被在图象的顶部给予展示，给学员提供辅助反馈。各图象中，教练的轨道以虚线表示，学员的轨道以实线表示。第一图象340A表示从侧向看时的相对轨道，而第二图象340B则表示由顶部看时的相对轨道。具有与专家的轨道最大的差异的学员轨道中的部分在所有三维中均很容易检测。还显示出一表示模仿专家的程度等级的全面评分340C。

图11为单独击虚拟球304的虚拟教练球拍320和模仿虚拟教练球拍320的虚拟学员球拍的特写视图的监视器图象。由设置一特写视图，学员就能掌握在球拍320与球304接触球拍的确实位置和其所造成的效果。这样，学员就能学习如何以球拍的“着力点”(“SWEET-SPOT”)来击球304，或学习对球304采用上旋、下旋、或侧旋打法。

利用计算机，为训练一动作对反馈配置是没有限制的。一个指导可以确定哪一种方法对一特定学员最有效，并能够命定计算机来提供它。不同的反馈方法可能对某些类型的动作更适宜。此外，某些学员对不同类型的反馈会作出独特的反应。由于学员有选择反馈的自由度，从而可提高学员的兴趣并进而加速学习进程。

图12A和12B分别说明应用于学习挥动网球拍344和高尔夫棒346的本发明。在各情况下，均在投影屏幕348上显示学员250的器械的虚拟图象以提供器械实物大小图象344A、346A。用于运动传感器装置的电磁发射器被埋置在计算机10或屏幕348中。传感器220被附着到器械的手柄以提供位置和定向信息到计算机12，如上述那样。一遥控开关354附着到学员250使学员能控制训练期间的状态，例如，启动专家的动作和改变训练模式。

本发明也适用于训练运动受伤病人来再学习运动技巧。研究人员当前正在研究中枢神经系统如何转换肢臂的方向、摆幅、和速度的神经表象，此神经表象是一被变换成激活运动肢臂的肌肉的信号的表层的及皮层下的神经元群体活动的函数。这一观点证实大脑对运动的控制不是依靠直接控制肌肉，而是较抽象的，例如是依靠控制一运动肢臂或身体部分的端点轨道。这些轨道则是由运动程序执行，此运动程序依靠激活被编码在离散的脊髓神经元中的本原的组合或力场来设置被用于此运动中的关节周围的肌肉张力的均衡点。

事实是如果这种见解是真的话，则根据这样的理论的处理技术比起当前的基于肌动电流运动图(EMG)生物反馈的方法将有效得多。在某些类型的病人中也有可能采用两种办法的组合会比单独一种更有效。例如，如果一特定病人的传出神经兴奋错乱造成对将预计的轨道变换成一激活适当本原的图谱的神经系统的部分的损伤，则这些办法的组合可能更有效。

本发明在康复医学中有广阔的应用，它可分成三类：物理恢复医学，丧失学习能力，工作场所医学。物理恢复医学应用于中风的存活者，脑外伤病人，和运动系统失调病人，他们的问题是要重新学习最基本的运动。这些运动可能涉及象开门或起床这样简单的事情，或者可能涉及到较复杂的动作如用笔墨或散步。这可包括矫形术和运动医学。患有神经发育失调并丧失学习能力的儿童依靠在基于计算技术的虚拟环境中模仿专家的运动过程可以催进其直接掌握运动技能。在工作场所医学和工人补偿评估处置中，能实现病人评定过程的客观的自动化，由此而使得为收集和分析病人资料所需的时间减少，并能产生一致的、准确的、和能加以定量化的结果。

要学习的动作包括躯干控制、下肢控制和上肢控制。躯干控制可能涉及到在一坐的位置与一站立位置间的移动或在卧在床上、坐在床上和站立之间的移动。头和/或肩的轨道可被用作训练用的反馈变元。第二个举例是利用受伤的手臂在空间上达到各个地点。在计算机屏幕上可生成供病人要到达的虚拟标的。

下肢控制可包括利用未受伤的肢臂前后共进，同时努力控制受伤侧的膝或臀部的运动轨道。传感器可以在训练期间附着到受伤的膝或臀部和未受伤的脚上。

上肢控制包括将手臂举起到向前的水平位置保持肘伸展开，和将手放到身体后面。其他例子包括使一受伤的臂在未受伤臂的表面作上大滑动和将手作前后运动，肘弯曲和伸直，同时保持肩20-40度的弯曲。所有这些动作都是对洗浴和着装活动有用的部分运动技巧。

本发明还在工业上具有应用，例如训练工人安全举起重物体。训练工人进行装配劳动以及避免会出现如腕关节综合症。

本发明可应用于各种设施中，包括康复医院，门诊病人康复单位，具有康复部门的急诊医院，家庭保健服务站，理疗单位，和运动训练单位。恢复中的病人采用本发明可以顺序地由住院病人恢复到门诊病人，到最后住家附近的保健站的康复设施中连续进行。本发明的主要受益包括行走障碍病人、脑外伤病人、运动系统失调病人、矫形病人、运动医学病人、和运动员。

图13表明本发明应用为训练病人250作正常步行动作的康复。在此情况中传感器220被附着在终端操纵器或病人250的脚350上。病人250观看他的脚的虚拟图象350A和试图模仿教练的脚的虚拟图象350B的运动。图13B中，本发明应用于训练病人250将汤匙352由桌面送到病人嘴边的手运动的动作，病人观看监视器10并努力促使他的汤匙的虚拟象352A模仿专家352B的动作，如上述。

在虚拟真实环境中的训练被转换到真实生活中。图14-18说明一实验设备和由一组在击虚拟乒乓球的复杂的动作训练中的主体所得到的结果。在作虚拟真实性训练后，这些主体在实战中地表现大大胜过接收常规指导的控制组的表现。

图14说明击乒乓球的虚拟训练的设备。训练期间，计算机在以一适当高度置于球桌208的左侧的监视器200上显示此实际设备的逼真的三维虚拟模拟(见图15)。训练模式期间学员的目的是在空间和时间上模仿教练的虚拟动作序列。采用了照明、遮断、和透视投影来提供深度提示。也包含有适当的声音来代替在虚拟球拍320与虚拟球304间撞击时脱漏的感受信息。此模拟器中学员球拍322的位置以40hz更新，和传感器延迟小于20毫秒.

训练期间，虚拟球304由虚拟斜面306下落，蹦出虚拟球桌308和被虚拟教练球拍320击中将此虚拟球304送至虚拟标的312。学员握住一真实的球拍但不用真实的球。学员的目的是控制他的真实球拍以使得他的虚拟球拍322能模仿教练的虚拟球拍320由起始位置322A到击中虚拟球之后的结束位置322B的运动。在每一次动作后，如图10顶部所示那样，数字和图形地同时显示反映教练与学员轨道间相同程度的计分。也采用慢动作来使学员能集中注意挥拍的细节。

训练还包含有如图10中所示的教练的虚拟球拍320与学员的虚拟球拍322间连接的图形“弦线”314。此弦线表示学员的动作与教练的动作之间的相对位置误差。弦线越长表示误差越大。这使得学员能与速度成分分开地学习动作的空间成分，和使得学员还能在深度上作仔细调整。

在虚拟环境中训练之后，在真实环境中测试主体的乒乓能力。为此采用图15中的实验设备。

此实验设备包括有一球桌208和一距最接近学员250的桌边缘165cm装设的标准乒乓球网212。网212上面15cm处附着黑色带214，限定网212与带214之间开口216。在网212的后面20cm处的桌面上置有方块标的218。通过一附着在球桌208的左侧的斜面206上的透明管道202落下白色乒乓球204。球204以对一中等乒乓投射为典型的速度和角度射出此管道并以极为一致的和可预测的状态蹦出球桌。学员250左手握球拍222站立在球桌208前适当距离处。采用左手是因为所有学员自然都是用右的，因而这实际上是学习一全新的动作。

在实践检验期间学员的任务是让球204在球桌上蹦跳一次，用球拍222击它和将其通过网212与带214间的水平开口216送到标的218。在各次检验后记录一得分。检验间的时间间隔在5-10秒范围内。

一电磁传感器跟踪球拍的位置和定向。如上述，此传感器包括附着到球拍222的小接收器220和置于球桌208之下的传送器224。此传感器以60hz对球拍的三维位置和定向进行采样并将数据送到计算机226。在实践模式期间，计算机记录实际球拍222的轨迹和得分。

第一次测试是对一13位主体的试验组、一20位主体的对照组、和一19位主体的训练组进行的。对各主体介绍设备和任务并给予图15的真实环境中的10个实践球，不记录其得分。由一观测者记录各主体50次检验的基本线。各组的主体均能觉察球相对于标的218的着地点，因而了解他们是否成功到达标的。在此基线阶段不给主体任何其他形式的反馈。此基线阶段对各学员延续约10分钟。

在收集基线数据后，对照组中的主体由一有经验的教练辅导。辅导包括讨论约10分钟的主体何处作得不对，辅助以示范和额外的实践球。

与对照组相反，试验组和训练组中的主体在图14的虚拟环境中训练。训练以学员模仿教练轨道的慢动作部分开始，后跟以学员实践动作的空间成分的被动模式。训练的这一阶段对每一学员延续约1-2分钟。在慢动作训练后，试验组和训练组利用主训练模式，在虚拟环境中与教练同时重复所希望的动作，试验组和训练组的各学员总共在训练模式中耗费约10分钟，以对应控制组中学员的10分钟辅导。试验组和训练组间的仅有差别在于试验组主体不被显示虚拟环境中的球，而训练组主体则能在监视器上觉察到教练的虚拟球拍击虚拟球。

为确定主体是否得到改进，在图15的真实球中记录第二单元50次检验。如在基线检验中那样，在第二检验期间不给予任何辅助反馈。试验组和训练组中的主体被指示锻炼的目的是击中目标，而不一定由训练模式模拟器模仿教练的动作。

对各个主体记录基线期间50次检验和第二次的期间中的50次检验的标的击中总数，由此获得辅导或训练前后动作的量度。改进被定义为由第一到第二时间期间动作中的绝对提高。在第二时间期间内动作水平很低(少于5次命中)的主体不进行分析。

图16汇总动作水平结果。变化的分析表明所有组在第一个50次检验期间均以同样的动作水平开始。对照组经标准辅导得到第一单元与第二单元间平均得分上微小的改善。但训练组则表明在第二检验单元得分显著上升和比对照组有更大的改善。

第二测试增加了任务的难度。如图15中所示，一透明带210以高度30cm在距学员250的80cm处附装到球桌208。管道202被作得较长和以较低角度倾斜，使得球以高于第一测试的速度和较小角度蹦跳到更接近球桌208端部，相当于较困难的发球。学员的任务是与第一测试相同的，附加的规则是球必须在透明带210下面通过。这一任务要困难得多，因为它要求球的轨道基本为水平的，而第一测试中主体能以较高的抛物线轨迹来击球，即一较易控制的击球。虚拟训练环境反映上述中表明的具体变化其余完全相同。记录新教练动作和显示教练的球。

第二个实验连续进行三天，每天二个时间期间总共六个期间。10位主体的对照组再次在实际环境中进行辅导和11位主体的训练组如第一实验中那样在虚拟环境中训练。对照组被给予30个实践球并辅助以口头辅导。训练组以在虚拟环境中训练开始各个时期。虚拟环境中的训练在主体的动作与教练的动作间的类似性得分满足一预定的可接收值之后结束。对照和训练组可以作相同时间的实践。在实践期间对照主体可较训练组主体多击50％的实际球。训练组中的主体的其余实践时间被用于虚拟环境。

第二测试的结果作图于17中。测试结果分析证明二组的动作水平均增加。训练组400的得分在第六和最后时期大大高于对照组402的得分。训练组404的改进也再次大于对照组406的改进。改进被定义为第1天结束(时期2)到第3天的结束(时期6)动作水平的绝对增长。

第一测试结果表明采用虚拟环境和教练的终端操纵器轨道的训练方法所取得的改进比实际练习加教练辅导的改进更快。试验组第一次测试中的结果在与训练组比较时表明，为有效地学习击乒乓球的动作球必须在虚拟环境中显示。很显见，球的引入给训练组提供一参数时间帧，从而使训练组能正常地学习用于启动动作的适当时间。另一方面，试验组决不在启动时间训练，因而缺乏时间上的同步。第二测试证明至少在几天内技巧就得到了改善，因此由训练方法带来的改进不仅仅是一短期效果。事实上，训练组与对照组间发生的差异在第二测试中逐个时期增加。

图18A-18C说明第二实验中对照组与训练组的动作之间的差异的数量上的尺度。各图均包括教练轨道330和学员轨道332。轨道上的环334对应于周期性的采样点。学员轨道332的主轴相当于一组学员轨道的平均轨道。每一采样点处管道的厚度为该点的标准偏移的1/3。在各采样点，求取与平均轨道正交的平面而将在该采样点的各个轨道正交地投射在此平面上。将二维正态分布配合到投射在各平面上的点，确定了一沿此分布的主轴定向的椭圆。为作较好的视觉表示以1/3图示缩小该椭圆，用来确定对应采样点的管道的厚度。

图18A-18C表明对虚拟环境中的训练组(图18A)、真实任务时的训练组(图18B)、和真实任务的对照组(18C)汇总的第二测试中的所有各个时期的轨道。立即可看到，训练组332A、332B中主体的轨道较之对照组332C的轨道更接近地模拟教练轨道330。也很显见，碰击点336周围的变异性降低。大部分变异在深度尺寸x中。这在虚拟环境中的深度感觉不如真实环境中的深度那样健全的情况下是在期望之内的。在平行于模拟器中的平面投影的二维y、z中，在虚拟环境中训练的主体的轨道(图18A)与真实任务的同样主体的轨道(图18B)相比在训练期间更具有一致性。

在根据学员与教练轨道间的距离量度作的定量分析中，证明训练组在实践期间较之对照组大大地接近教练。训练组的一致性在虚拟和真实环境中均增大。在模拟器中开始训练时发现各主体的平均得分与到教练的距离间重大的相关性。这导致模拟器中的初始动作水平是实际动作水平的预测这一结论。

实验证明，利用扩大反馈的训练可能取得比在实际训练加辅导方法中更为明显的提高。在第一测试中，模拟的虚拟环境中的训练取得直接改善动作水平的结果，大于由类似量的辅导所得到的改善。对第二测试中的困难任务，接收扩大反馈训练的组的动作优于被加以实际任务上类似额外实践量的对照组。此改善持续三天，而所需的训练量随时间减少。曾作出努力由考虑许多可能的扩大反馈的特征中选择那些似乎最适宜的特征来设计用于特定任务的理想训练方法。结果实现了巨大的动作水平收益，证实所作选择。

尽管已参照其优选实施例特定地展示和说明了本发明，本技术领域的熟知人员将会理解，有可能对之后在形式或细节上作各种改变而不偏离由所列权利要求中所确定的本发明的精神实质和范畴。

例如，本发明可用于学习响应一运动对象的动作，用于学习打击一静止对象的动作，和用于学习不涉及学员身体之外的对象的动作。涉及打击运动对象的动作包括：利用球拍如在乒乓球、网球、壁球、和软式网球中击运动着的球；利用一圆头物体如球棒在棒球和板球中击运动中的球；以身体的一部分如在手球中击运动中的球；如在棒球和足球中接收和抓住运动中的对象。涉及将一静止对象置于一运动中的动作包括拍击曲棍球的球，推动高尔夫球，投篮球，和踢足球。不涉及身体之外对象的动作包括散步，滑冰和指挥管弦乐。

本发明与很大范围的位置和定向传感器技术相兼容，包含无线传感器系统。

本发明不仅期望用于仅需单个传感器如上述乒乓球例中学习动作，也是期望用于可能需要多个传感器的更复杂的动作。例如，如果一乒乓运动员被考虑为不仅有关球拍的运动，还考虑在使乒乓球拍运动中他的肘、肩、和躯干的运动，则可在这些部位增加传感器和对他的运动进行分析并与利用同样的传感器陈列记录动作的教练进行比较。

取决与欲学习的动作，本发明利用大屏幕电视或投影电视而不是计算机监视器可取得更好的结果。

Claims (14)

1．一训练系统，其特征是包括：

为检测运动的运动传感器装置；

显示器；和

电子电路，在学员运动期间响应于运动传感装置并在显示

器上产生对应于学员的动作的学员的虚拟图象，和同时在显示

器上给出对应于教练的动作的教练的虚拟图象序列以使得学员

促使其虚拟图象序列模仿教练的虚拟图象序列。

2．根据权利要求1中所述系统，其特征是电子电路适配以由在先前的学员动作与教练的动作之间的内推来生成中间教练动作。

3．根据权利要求1或2中所述系统，其特征是电子电路适配以生成表示学员动作的虚拟图象与教练动作的虚拟图象间位置上的相对差别的图形线，在此差别变化时线的长度改变。

4．根据权利要求1、2、或3中所述系统，其特征是电子电路适配以生成表示位置相对差别的音频音调。

5．根据前述权利要求中任一个所述系统，其特征是运动传感器装置检测被学员投入运动中的器械的运动且电子电路被适配以生成打击抛射体的器械的正常的和放大的视图。

6．根据前述权利要求中任一个所述系统，其特征是运动传感装置检测被学员投入运动中的器械的运动且电子电路被适配以生成器械的阴影。

7．根据前述权利要求中任一个所述系统，其特征是还包括一存贮器，并由其中提取教练的虚拟图象序列。

8．为训练动作的方法，其特征是包括有步骤：

以运动传感器装置检测学员的动作；

响应学员的动作并实时显示学员的虚拟图象序列；和

即与学员虚拟图象序列同一参考帧来显示教练运动的虚拟

图象序列，以使得学员能促使学员的虚拟图象序列跟随教练的

虚拟图象序列。

9．根据权利要求8中所述方法，其特征是还包括以在前面的学员的动作与教练的动作间的内推来生成中间教练动作的步骤。

10．根据权利要求8或9中所述方法，其特征是还包括生成表示学员动作的虚拟图象与教练动作的虚拟图象之间位置上的相对差异的图形线的步骤，此线在差异变化时改变长度。

11．根据权利要求8、9或10中所述方法，其特征是还包括生成表示学员的动作的虚拟图象与教练的虚拟图象间位置上相对差异的声音音调的步骤，在差异变化时此声音音调改变频率。

12．根据权利要求8～11中任一个所述方法，其特征是运动传感装置检测被学员投入运动中的器械的位置，且还包括交替显示正常的和放大的器械视图的步骤。

13．根据权利要求8～12中任一个所述方法，其特征是运动传感装置检测被学员驱动的器械的位置，且还包括另外显示器械的阴影的步骤。

14．根据权利要求8～13中任一个所述方法，其特征是由存贮器中提取教练动作的虚拟图象序列。

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