基于體感識別的學(xué)生引體向上訓(xùn)練系統(tǒng)

李文博+周磊

摘 要：學(xué)生體質(zhì)狀態(tài)一直以來都是社會關(guān)注的熱點，其中力量問題尤為明顯，而目前尚未有合理有效的辦法改善這一狀況。文中提出的引體向上訓(xùn)練系統(tǒng)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和機器視覺中的體感識別技術(shù)，利用云服務(wù)搭建了完整的解決方案架構(gòu)，實現(xiàn)了學(xué)生日常引體向上訓(xùn)練的自動化和數(shù)據(jù)化，同時使得管理更科學(xué)、簡單。系統(tǒng)主要運用Kinect V2智能攝像頭傳感器提取運動骨骼數(shù)據(jù)，使用步態(tài)識別算法與設(shè)計的有限狀態(tài)機運動模板匹配進行引體向上運動識別，將用戶個人信息以及運動結(jié)果在Web端顯示。研究工作也為日常運動識別和訓(xùn)練提供了新的研究角度和方向。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；體感識別；Kinect V2；引體向上；步態(tài)識別

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）02-00-03

0 引 言

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國的GDP總量已位居世界第二，人民生活質(zhì)量得到了很大改善。但安逸的生活方式背后卻隱藏著嚴(yán)重的健康隱患，其中學(xué)生的體質(zhì)問題尤為突出。學(xué)生是21世紀(jì)我國發(fā)展的中堅力量，學(xué)生體質(zhì)關(guān)系到祖國的未來，黨和政府一直都非常重視學(xué)生的體質(zhì)問題。

基于2000～2014年我國四次國民體質(zhì)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，結(jié)合歷年《全國學(xué)生體質(zhì)與健康調(diào)研》和《全國學(xué)生體質(zhì)健康監(jiān)測》報告及前人研究文獻[1]，使用文獻分析和數(shù)理統(tǒng)計方法對近15年我國青少年體質(zhì)狀況進行分析。研究發(fā)現(xiàn)：我國青少年身體形態(tài)呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢，肥胖檢出率持續(xù)上升；肺活量和絕大多數(shù)身體素質(zhì)指標(biāo)在2005年以前持續(xù)下降，2010年開始止“跌”回升。

近年來，國家對青少年體質(zhì)的高度重視與體育事業(yè)的蓬勃發(fā)展，尤其是2008年陽光體育運動的開展，使學(xué)生耐力素質(zhì)得到了極大改善，但學(xué)生的力量、爆發(fā)力、平衡等問題卻仍止步不前。當(dāng)前，各校都在采取相應(yīng)的措施和方案來鼓勵大學(xué)生在體育課外，利用業(yè)余時間積極投入到體育鍛煉中，但尚未找到行之有效的辦法。

隨著機器視覺技術(shù)的崛起，采用智能攝像頭結(jié)合適用于相應(yīng)應(yīng)用的識別算法高效解決生活、生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題前景廣闊[2]。

依據(jù)《國家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)》，本系統(tǒng)運用微軟KinectV2智能攝像頭開發(fā)出了一套解決學(xué)生日常引體向上運動訓(xùn)練難以管理、指導(dǎo)的問題，可有效改善學(xué)生上肢力量差的現(xiàn)狀。

1 關(guān)鍵技術(shù)介紹

1.1 機器視覺

機器視覺作為人工智能領(lǐng)域的一個分支，即機器模擬人類的視覺認(rèn)知處理能力，將攝取的圖像信息傳送至圖像處理系統(tǒng)，在無需人為干預(yù)的情況下挖掘處理圖像視頻中低層次的數(shù)字化數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)譯為高層次信息輸出，以達到近似人類對視覺信號的理解能力。該技術(shù)起源于上世紀(jì)60年代，但由于圖像采集和計算機計算能力的局限性，直到2010年才迎來爆發(fā)式的增長，目前在智能化視頻監(jiān)控、基于內(nèi)容的視頻檢索、醫(yī)療領(lǐng)域、人機交互、體育領(lǐng)域等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景和價值，國內(nèi)外眾多知名高校以及研究機構(gòu)進行了大量研究，同時科技公司也積極投入人力物力挖掘其市場應(yīng)用場景和社會價值[3，4]。

1.2 Kinect V2

2014年10月微軟發(fā)布了Kinect for Windows新一代產(chǎn)品Kinect V2[5]。與2012年發(fā)布的第一代產(chǎn)品相比，有了重大的性能提升。Kinect是一種3D體感攝影機，主要包含麥克風(fēng)陣列、深度圖像所使用的紅外線發(fā)射器和紅外接收器及RGB攝像頭。Kinect V2組成如圖1所示。

Kinect運用分隔策略將人體從背景中分離出來，并將分離出的人體部分圖像再通過一個由微軟開發(fā)的以TB計的數(shù)據(jù)輸入到集群系統(tǒng)訓(xùn)練出的人體各部位識別模型中，生產(chǎn)出25關(guān)節(jié)點的人體骨架模型，以約30 f/s的速度輸出骨骼數(shù)據(jù)，最多可同時識別6人[5，6]。Kinect智能攝像頭所輸出的骨骼關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)為人體動作識別提供了基礎(chǔ)，解決了計算機視覺對于人體運動時空序列數(shù)據(jù)提取的難題。

2 硬件組成

本系統(tǒng)硬件設(shè)備包括Kinect V2攝像頭傳感器、計算機、RFID讀卡器、顯示設(shè)備及云服務(wù)器。硬件連接組成如圖2所示。

本系統(tǒng)使用的Kinect V2傳感器已包含電源線和USB 3.0數(shù)據(jù)線。待連接的計算機需滿足以下條件[7]：

（1）CPU必須支持64位系統(tǒng)。

（2）USB需滿足USB 3.0的要求，USB 3.0可以通過PCIE擴展口安裝。

（3）顯卡需支持DirectX 11。

（4）操作系統(tǒng)為64位，Win8版本及以上。

（5）內(nèi)存需達到4 G以上。

計算機為處理前端讀卡器和Kinect攝像頭所需的硬件平臺，可方便用戶輸入數(shù)據(jù)，也可通過與自行開發(fā)的配套軟件相結(jié)合，實時檢測用戶引體向上的情況，同時還可將用戶數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器進行處理。

本系統(tǒng)硬件CPU采用英特爾7代G-4600處理器，主頻為3.6 GHz，搭載64位Windows10操作系統(tǒng)，核顯支持DirectX 11，滿足Kinect設(shè)備運行的硬件要求，極具性價比。主板采用技嘉 GIGABYTE B85-HD3，可滿足文中對USB提出的要求。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)及開發(fā)平臺的選擇

本系統(tǒng)軟硬件通過USB 3.0進行數(shù)據(jù)交互，客戶端和云端通信采用TCP/IP通信協(xié)議，軟件整體設(shè)計流程如圖3所示。

本系統(tǒng)設(shè)計基于.NET平臺。.NET平臺是微軟公司開發(fā)的技術(shù)平臺，主要運行在Windows 操作系統(tǒng)上，可與同為微軟旗下的Kinect兼容[8]。此外，.NET平臺還支持多種開發(fā)語言，如C#、C++、F#、Python等，在編譯時期，.NET平臺會將這些語言編譯成統(tǒng)一的CLR（Common Language Runtime，CLR），可無差別地運行在.NET平臺上。微軟還推出了被譽為世上最好用集成開發(fā)環(huán)境（Integrated Develop Environment，IDE）的Visual Studio，使得.NET平臺極具吸引力。其中客戶端的設(shè)計開發(fā)采用C#，云端服務(wù)器的開發(fā)采用Python。endprint

3.2 客戶端軟件設(shè)計

3.2.1 客戶端功能

客戶端具有如下功能：

（1）使用者信息的采集。學(xué)生訓(xùn)練系統(tǒng)采用學(xué)生日常最常用的校園卡作為信息采集源，包含學(xué)生卡號，可通過USB讀取學(xué)生信息，顯示并保存。

（2）通過USB 3.0連接Kinect采集運動數(shù)據(jù)，客戶端識別運動，判斷使用者的使用情況，并記錄保存。

（3）客戶端連接前端顯示設(shè)備將用戶信息和實時運動情況反饋至各使用者，實現(xiàn)良好的交互效果。

（4）客戶端可將使用者的信息和運動結(jié)果上傳至云端服務(wù)器。

3.2.2 引體向上識別算法

本系統(tǒng)最核心的部分是對于引體向上運動的識別算法，運動識別流程如圖4所示。

采用步態(tài)識別算法提取骨骼特征和運動特征[9]，并將這兩種特征序列數(shù)據(jù)分別與標(biāo)準(zhǔn)骨骼數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)運動數(shù)據(jù)相匹配。骨骼特征主要計算多個骨骼點在三維空間的相對角度。Kinect V2坐標(biāo)系如圖5所示。

本系統(tǒng)中的骨骼特征提取以Kinect坐標(biāo)系中的計算為基礎(chǔ)。假設(shè)運動的肩膀、肘部、手部姿勢如圖6所示，那么映射到Kinect 坐標(biāo)系時如圖7所示。

只需要通過計算向量，的夾角θ即可得到空間坐標(biāo)中肘部所成的夾角。計算公式如下：

在骨骼特征提取過程中，每個骨骼特征序列都由通過上述骨骼角度方法計算得到的一系列相對角度組成，以表示當(dāng)前某一時刻用戶運動姿勢的特征點。運動特征提取是在骨骼特征提取的基礎(chǔ)上針對運動的識別與檢測，目的在于提高針對引體向上運動識別的準(zhǔn)確性和運動完整度。

引體向上狀態(tài)機[10]描述如圖8所示。

直臂懸垂?fàn)顟B(tài)的姿勢即兩手用寬握距正握單杠，略寬于肩，兩腳離地，兩臂自然下垂伸直。這是引體向上每一個運動周期的起始姿勢。

引體向上的姿勢為頭部上升至單杠上方，雙手和雙臂之間成彎曲角度。這是整個運動過程中的上升和下降轉(zhuǎn)折點。

（1）引體向上特征提取

引體向上的運動姿勢轉(zhuǎn)化如圖9所示。

本系統(tǒng)設(shè)定與的夾角為α，與的夾角為β，與的夾角為γ，與的夾角為δ。其中，β和δ指肩膀的旋轉(zhuǎn)角度。骨骼特征提取矩陣見式（7），其中T，t分別表示引體向上的運動周期，即完成一次引體向上的時間。

（2）引體向上匹配

與上述立定跳遠模版匹配類似，引體向上匹配也通過DTW算法結(jié)合骨骼節(jié)點HM，F(xiàn)L，F(xiàn)R的Y軸坐標(biāo)來實現(xiàn)運動檢測。在進行DTW局部最優(yōu)節(jié)點相似度計算時，提取特征向量中的權(quán)重比α∶β∶γ∶δ=kp1∶kp2∶kp3∶kp4，判斷狀態(tài)節(jié)點識別度閾值為dp，單位為度。

3.3 云端軟件設(shè)計

為了完善該系統(tǒng)，還為系統(tǒng)加入了云端服務(wù)系統(tǒng)，使得運動數(shù)據(jù)可被使用者更方便地利用與保存，為系統(tǒng)的擴展和實用增加了更多可能。本系統(tǒng)云端采用由Python語言和Django框架結(jié)合而成的MySQL數(shù)據(jù)庫，從而成功搭建了一個完整的Web平臺。Python是目前最流行的編程語言之一。Django是Python語言編寫的最優(yōu)秀的Web框架之一，采用的MVC框架模式[3]具有易開發(fā)，便于更新維護，移植性好等特點。將終端發(fā)送的用戶信息和引體向上運動數(shù)據(jù)上傳存儲，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理、Web端交互、查詢與導(dǎo)出數(shù)據(jù)等功能。

4 結(jié) 語

本文介紹的基于體感識別的學(xué)生引體向上訓(xùn)練系統(tǒng)，運用現(xiàn)有技術(shù)手段解決了社會實際中遇到的學(xué)生健康運動問題，實現(xiàn)了科學(xué)管理學(xué)生引體向上運動的目標(biāo)。結(jié)合當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，文中介紹的全新解決方案為類似運動檢測與管理的實現(xiàn)提供了新的角度。

本系統(tǒng)已在一家學(xué)校使用，運行狀態(tài)良好，深得師生喜愛，證明了本文提出的基于體感識別的學(xué)生引體向上訓(xùn)練系統(tǒng)具有可行性。

參考文獻

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