TWI441666B - 虛擬實境之動作訓練與評估系統 - Google Patents

Description

虛擬實境之動作訓練與評估系統

本發明係與動作訓練系統有關，特別是指一種虛擬實境之動作訓練與評估系統。

目前動作學習者的動作學習都是透過指導者以目測與口說方式從旁指導，才能有效地讓動作學習者做出標準的姿勢，而該動作學習者的學習成效高低僅能根據指導者本身的經驗來判斷。據此，容易造成因指導者素質的參差不齊而影響該動作學習者動作學習的效率，換言之，在該動作學習者的動作尚未達到標準的學習姿勢時，並無一套標準之客觀與可量化的評量方式來校正該動作學習者的學習姿勢，使得其得以有效率地做出標準的學習姿勢。

學習姿勢大致上可分成兩大類，其一為復健所需的學習姿勢，另一為運動所需的學習姿勢。復健所需的學習姿勢為手舉(或抬腿)動作等功能性姿勢，復健者(動作學習者)在復健時所做的手舉(學習姿勢)高度在沒有一套標準的評量方式來輔助校正，將使得復健速度緩慢。運動所需的學習姿勢，例如高爾夫球揮杆時的準備動作，其球杆與身體之間的角度是否在標準角度內，若無一套標準的評量方式來校正輔助，將使得該動作學習者在進行揮杆時容易發生運動傷害。

是以，如何開發出一種動作訓練與評估系統，其能解決上述的缺陷並提供一量化標準，即為本案發明的動機。

本發明的目的在於提供一種虛擬實境之動作訓練與評估系統，其主要具有一套標準的量化評量方式，使得該動作學習者有效率地學習出標準姿勢。

緣是，為了達成前述目的，依據本發明所提供之一種虛擬實境之動作訓練與評估系統，其適用於供動作學習者使用，該系統包含：一影像顯示單元；一動作捕捉設備，捕捉該動作學習者而於該影像顯示單元顯示一虛擬人模，且該虛擬人模即時呈現該動作學習者的動作；一標準動作框架，其顯示於該影像顯示單元內，且可朝該虛擬人模方向移動，該標準動作框架包含一預設形狀及一預設裕度，俾使該動作學習者根據該標準動作框架的預設形狀而做出相對應的動作，該裕度是指該標準動作框架與該虛擬人模之間的間隙大小；一評估單元，係根據反應時間與碰撞數據來評估該動作學習者動作的完成度與品質，其中該反應時間是指該標準動作框架開始移動，至該動作學習者開始動作的時間，該碰撞數據是指該虛擬人模與該標準動作框架碰撞數據。

較佳地，該影像顯示單元為螢幕。

較佳地，該標準動作框架更包含一初始時間與一移動時間，該初始時間是指該標準動作框架顯示於該影像顯示單元至開始往該虛擬人模方向移動的時間，該移動時間是指該標準動作框架開始移動到達該虛擬人模的時間。

較佳地，該碰撞數據包含碰撞次數、碰撞時間與碰撞部位。

較佳地，該虛擬實境之動作訓練與評估系統更包含一顯示於該影像顯示單元的虛擬場景，以提升該動作學習者學習動作的娛樂性。

較佳地，該虛擬實境之動作訓練系統更包含一電性連接該評估單元的儲存單元，以儲存該評估單元評估後的資料，可提供比對動作學習者之進展成效。

有關本發明為達成上述目的，所採用之技術、手段及其他之功效，茲舉二較佳可行實施例並配合圖式詳細說明如後。

參閱第1、2、3圖，本發明第一實施例所提供的一種虛擬實境之動作訓練與評估系統，其適用於提供動作學習者10使用，該系統主要係由一影像顯示單元20、一動作捕捉設備30、一標準動作框架40、一評估單元(Evaluation module)50以及一儲存單元60所組成，其中：

該影像顯示單元20可為螢幕，用以顯示虛擬影像，該影像顯示單元20可預先顯示一虛擬場景21，如電玩遊戲場景、爬山步道場景或高爾夫球場場景，以提升該動作學習者10的學習興趣。

該動作捕捉設備30，捕捉該動作學習者10於該影像顯示單元20中顯示一對應之虛擬人模31，且該虛擬人模31即時呈現該動作學習者10之動作，同時讓該動作學習者10在該影像顯示單元20中看到自己的動作姿勢；該動作捕捉設備30可分為三大類，第一類為運用紅外線攝影機捕捉反光球的位置，如Vicon與視翔；第二類為以陀螺儀為基礎，藉由陀螺儀依據磁場來感測方向與角度變化，如Animazoo；第三類為藉由攝影機32與紅外線來擷取動作姿勢等資訊，如Micorsoft Xbox3 Kinect，而由於該動作捕捉設備30係屬習知技藝故在此不再贅述。

該標準動作框架40，其可透過程式設計而顯示於該影像顯示單元20內，且可朝該虛擬人模31方向移動，該標準動作框架40包含一預設形狀41、一預設裕度(offset)42、一初始時間43與一移動時間44，俾提供該虛擬人模31與該標準動作框架40之相對位置的視覺回饋，使該動作學習者10根據該標準動作框架40的形狀41而做出相對應的動作，同時提供該動作學習者10判斷自己的動作姿勢是否正確，讓該動作學習者10儘量維持自身對應之虛擬人模31在該標準動作框架40內，以準確做出所需學習的動作姿勢。

其中該形狀41是指依據該動作學習者10欲學習的姿勢所調整設定的圖形，同時可依指導者針對該動作學習者10的需求進行調整設計，規劃不同的學習課程；該裕度42是指該標準動作框架40與該虛擬人模31之間的間隙大小；其值的大小會影響該動作學習者10的動作姿勢的穩定度，當該裕度42值設定較小時，該動作學習者10必須更精確的調整自己的姿勢，以避免即時對應之虛擬人模31碰撞到該標準動作框架40，因此可增加動作學習者10的壓力，進而影響控制動作姿勢的穩定性；反之當該裕度42值設定較大時，該動作學習者10在動作學習時的壓力就比較小，能增加控制動作姿勢的穩定性；故此裕度值，可用來調整動作訓練的困難等級，達到客製化運動及復健訓練的目的。

該初始時間43是指該標準動作框架40顯示於該影像顯示單元20至開始往該虛擬人模31方向移動的時間，該初始時間43會影響該動作學習者10準備開始動作的預備時間，進而影響該動作學習者10的動作反應；該移動時間44是指該標準動作框架40開始移動到達該虛擬人模31的時間，以刺激該動作學習者10的反應時間，因此當該移動時間44短時，該動作學習者10必須快速反應看該標準動作框架40的形狀41，而迅速的調整身體做出相對應該形狀41的姿勢；該評估單元50，係根據反應時間51與碰撞數據52來評估該動作學習者10動作訓練的完成度與品質，其中該反應時間51是指該標準動作框架40開始移動，至該動作學習者10開始動作的時間，該碰撞數據52是指該虛擬人模31與該標準動作框架40碰撞數據，而該碰撞數據52包含碰撞次數、碰撞時間與碰撞部位。

該儲存單元60，係電性連接該評估單元50，以儲存該評估單元50評估後的資料，藉以記錄該動作學習者10在訓練學習過程中的動作姿勢與評估單元中之各動作參數。

據此，本發明結合該影像顯示單元20與動作捕捉設備30，讓該動作學習者10即時驅動該影像顯示單元20中的虛擬人模31，藉以與影像顯示單元20內的標準動作框架40互動，利用提供該虛擬人模31與該標準動作框架40之相對位置的視覺回饋，使該動作學習者10根據該標準動作框架40的形狀41而做出相對應的動作，同時提供該動作學習者10判斷自己的動作姿勢是否正確，而藉由該評估單元50根據反應時間51與碰撞數據52等參數來評估該動作學習者10動作訓練的完成度與品質，以具體呈現動作學習的成效，是以，本發明具有一套量化之標準之評量方式，使得該動作學習者10有效率地學習出標準的學習姿勢。

以下針對該學習姿勢為復建所需的舉臂姿勢做以下說明：請複參閱第1、2圖及第3、4圖所示，藉由該動作捕捉設備30，捕捉該動作學習者10而於該影像顯示單元20 顯示一虛擬人模31，其中該動作捕捉設備30係舉前述的第三類為例，即藉由攝影機32與紅外線來擷取動作姿勢等資訊；此時該動作學習者10未做出任何的姿勢。

緊接著，於該影像顯示單元20內顯示出一呈舉臂姿勢的標準動作框架40，而該標準動作框架40在該影像顯示單元20出現後的預定時間內以預定的速度朝該虛擬人模31方向移動，此時，該動作學習者10可在出現該標準動作框架40時或該標準動作框架40開始移動時做出舉臂復健的動作，直到該標準動作框架40到達或通過該虛擬人模31，而該評估單元50則根據反應時間51與碰撞數據52來評估該動作學習者10動作訓練的完成度與品質；一但該動作學習10者手抬高度無法達到原設定高度，指導者可降低該標準動作框40的手台高度，即改變該標準動作框40的形狀41，讓該動作學習者10先練習簡單的動作再逐步調高高度以達客製化的復健訓練效果。

以下針對該學習姿勢為運動所需的高爾夫球揮杆時的準備動作做以下說明：請參閱第5圖所示，其訓練過程與上述復健訓練過程相同，為不同的是顯示於該影像顯示單元20內的標準動作框架70係呈一球杆與身體之間的角度在標準角度內的形狀，而該動作學習者10必需根據該標準動作框架70的形狀而作作出相對應的姿勢，使虛擬人模31符合該標準動作框架 70的形狀。

參閱第6圖，本發明第二實施例所提供的一種虛擬實境之動作訓練與評估系統，其適用於供動作學習者10使用，該虛擬實境之動作訓練與評估系統可由影像顯示單元20、動作捕捉設備30、標準動作框架40以及評估單元50所組成，由於其組態、作動方式及目的同於第一實施例，故在此不再贅述，至於第二實施例與第一實施例不同之處在於：除了可省去儲存單元、以及虛擬場景的設置之外，該標準動作框架40所設定的參數僅需該預設形狀41該預設裕度42即可，同樣可藉由該評估單元50根據反應時間51與碰撞數據52來評估該動作學習者10動作訓練的完成度與品質，藉以達成另一可行之實施狀態。

綜上所述，此二實施例及圖示僅為本發明的較佳實施例而已，當不能以之限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍所作的均等變化與修飾，皆應屬本發明專利涵蓋的範圍內。

10‧‧‧動作學習者

20‧‧‧影像顯示單元

21‧‧‧虛擬場景

30‧‧‧動作捕捉設備

31‧‧‧虛擬人模

32‧‧‧攝影機

40、70‧‧‧標準動作框架

41‧‧‧形狀

42‧‧‧裕度

43‧‧‧初始時間

44‧‧‧移動時間

50‧‧‧評估單元

51‧‧‧反應時間

52‧‧‧碰撞數據

60‧‧‧儲存單元

第1圖 係本發明第一實施例的系統圖。

第2圖 係本發明第一實施例的流程圖。

第3圖 係本發明第一實施例的作動示意圖(一)，顯示學習姿勢為復建所需的舉臂姿勢的狀態。

第4圖 係本發明第一實施例的作動示意圖(二)，顯示學習姿勢為復建所需的舉臂姿勢的狀態。

第5圖 係本發明第一實施例的作動示意圖(三)，顯示學習姿勢為運動所需的高爾夫球揮杆時的準備動作的狀態。

第6圖 係本發明第二實施例的系統圖。

10‧‧‧動作學習者

20‧‧‧影像顯示單元

21‧‧‧虛擬場景

30‧‧‧動作捕捉設備

31‧‧‧虛擬人模

40‧‧‧標準動作框架

41‧‧‧形狀

42‧‧‧裕度

43‧‧‧初始時間

44‧‧‧移動時間

50‧‧‧評估單元

51‧‧‧反應時間

52‧‧‧碰撞數據

60‧‧‧儲存單元

Claims (5)

1. 一種虛擬實境之動作訓練與評估系統，其適用於供動作學習者使用，該系統包含：一影像顯示單元；一動作捕捉設備，捕捉該動作學習者而於該影像顯示單元顯示一虛擬人模，且該虛擬人模即時呈現該動作學習者的動作；一標準動作框架，其顯示於該影像顯示單元內，且可朝該虛擬人模方向移動，該標準動作框架包含一預設形狀及一預設裕度，俾使該動作學習者根據該標準動作框架的預設形狀而做出相對應的動作，該裕度是指該標準動作框架與該虛擬人模之間的間隙大小，該標準動作框架更包含一初始時間與一移動時間，該初始時間是指該標準動作框架顯示於該影像顯示單元至開始往該虛擬人模方向移動的時間，該移動時間是指該標準動作框架開始移動到達該虛擬人模的時間；一評估單元，係根據反應時間與碰撞數據來評估該動作學習者動作的完成度與品質，其中該反應時間是指該標準動作框架開始移動，至該動作學習者開始動作的時間，該碰撞數據是指該虛擬人模與該標準動作框架碰撞數據。
2. 如申請專利範圍第1項所述的虛擬實境之動作訓練與評估系統，其中該影像顯示單元為螢幕。
3. 如申請專利範圍第1項所述的虛擬實境之動作訓練與評估系統，該碰撞數據包含碰撞次數、碰撞時間與碰撞部位。
4. 如申請專利範圍第1項所述的虛擬實境之動作訓練與評估系統，其中更包含一顯示於該影像顯示單元的虛擬場景。
5. 如申請專利範圍第1項所述的虛擬實境之動作訓練與評估系統，其中更包含一電性連接該評估單元的儲存單元，以儲存該評估單元評估後的資料。