結(jié)合貝葉斯最優(yōu)分類器和目標(biāo)圖形監(jiān)測(cè)的健美操自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)

趙錫華

（黎明職業(yè)大學(xué) 通識(shí)教育學(xué)院，福建 泉州 362000）

0 引言

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，人們的工作時(shí)長(zhǎng)與壓力不斷變大，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)目前有43%的人在辦公室至少坐8 h，“久坐”已經(jīng)成為導(dǎo)致各類疾病的重要誘因.世界衛(wèi)生組織指出，現(xiàn)代工作人群可以采用慢跑、健美操等方式解決工作中因久坐導(dǎo)致的姿態(tài)不良問(wèn)題.吳學(xué)文[1]（2019）提出，隨著城市空間利用率的不斷提升，公眾進(jìn)行慢跑的空間逐漸壓縮，而健美操動(dòng)作簡(jiǎn)單易學(xué)、場(chǎng)地要求更低，因此更能夠幫助民眾解決個(gè)人鍛煉需求，提升居民身體素質(zhì).以往的健美操運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行目標(biāo)圖形監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究集中在兩個(gè)維度，其一是針對(duì)健美操運(yùn)動(dòng)中足跡圖像的相關(guān)研究，其二是針對(duì)各類運(yùn)動(dòng)中的自動(dòng)評(píng)分技術(shù)進(jìn)行研究.在關(guān)于足跡圖像識(shí)別的相關(guān)研究中，楊姝等[2]（2004）提出了基于灰度-梯度二維閾值向量區(qū)域分割的邊緣提取方法，構(gòu)造兩個(gè)適合足跡圖像特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)元算子，對(duì)區(qū)域分割后的二值圖像作數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)足跡圖像邊緣的處理.李志雙[3]（2017）提出了基于貝葉斯理論的健美操運(yùn)動(dòng)中人體足跡圖像識(shí)別方法，將人體足跡圖像輪廓深度區(qū)域切分為多個(gè)不相重疊的小模塊，進(jìn)而結(jié)合EM理論對(duì)獲得的特征函數(shù)進(jìn)行聚類分析，得到健美操運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不同階段的人體足跡圖像特征.足跡圖像能夠有效體現(xiàn)健美操的難度系數(shù)，上述模型的穩(wěn)健性也能夠通過(guò)壓力監(jiān)測(cè)，但足跡圖像無(wú)法反映運(yùn)動(dòng)員整體動(dòng)作的問(wèn)題始終存在，因此采用足跡圖像技術(shù)僅能說(shuō)明健美操難度系數(shù)，而無(wú)法印證運(yùn)動(dòng)員的完成水平.針對(duì)自動(dòng)評(píng)分技術(shù)，當(dāng)前的研究往往從動(dòng)作視頻的三維提取角度展開.魏娟麗等[4]（2006）認(rèn)為，基于視頻的人體運(yùn)動(dòng)分析通過(guò)對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)軌跡以及各運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，達(dá)到分析人體三維運(yùn)動(dòng)的目的，該分析方法具有較大的實(shí)踐價(jià)值和應(yīng)用場(chǎng)景.

總體而言，基于足跡圖像的模型穩(wěn)健性較強(qiáng)，但全面性較差，無(wú)法有效刻畫運(yùn)動(dòng)員整體姿態(tài)和表現(xiàn)；基于三維視頻建模的系統(tǒng)全面性較好，但系統(tǒng)穩(wěn)健性較差，整體評(píng)分精度不穩(wěn)定.為了解決上述問(wèn)題，研究將提出新型的健美操自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng).

1 目標(biāo)圖形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目標(biāo)圖形監(jiān)測(cè)識(shí)別系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的健美操動(dòng)作，基于可穿戴設(shè)備理論，研究摒棄了傳統(tǒng)的視頻拍攝方案，采用若干傳感器組合實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)員軀干姿態(tài)、關(guān)節(jié)壓力和動(dòng)作時(shí)間的采集，再通過(guò)單片機(jī)對(duì)上述采集信息進(jìn)行結(jié)合，構(gòu)成人體各個(gè)部位的空間坐標(biāo)，利用樸素貝葉斯分類器分析當(dāng)前健美操動(dòng)作與最佳健美操動(dòng)作的差距，根據(jù)教練員設(shè)定的完成精度進(jìn)行計(jì)分[5].

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)分析健美操自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計(jì)了由微控制單元（MCU）控制系統(tǒng)、軀干姿態(tài)系統(tǒng)、關(guān)節(jié)壓力系統(tǒng)、高度測(cè)距系統(tǒng)、用戶界面、計(jì)分系統(tǒng)組成的硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)框架如圖1所示.

圖1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1.1 控制系統(tǒng)

健美操自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)需要完成兩個(gè)核心功能：一是實(shí)時(shí)檢測(cè)健美操運(yùn)動(dòng)員當(dāng)前軀干姿態(tài)，識(shí)別各個(gè)關(guān)節(jié)力度，判定運(yùn)動(dòng)員水平位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)作空間坐標(biāo)的計(jì)算；二是將計(jì)算數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，判斷當(dāng)前動(dòng)作是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而實(shí)施計(jì)分.由于計(jì)算量較大，需要選擇運(yùn)算能力較強(qiáng)的中央處理器進(jìn)行運(yùn)算，故研究采用了STM32系列的單片機(jī)作為系統(tǒng)MCU.該系列單片機(jī)由意法半導(dǎo)體推出，具有核心頻率高、運(yùn)算速度快、功耗超低、易于編程的特點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)的需求.

教練員通過(guò)用戶界面設(shè)定60%～90%的完成精度，通過(guò)與MCU的交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)員評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定，并通過(guò)用戶界面的顯示器實(shí)時(shí)觀察計(jì)分情況.在一整套健美操完成后，針對(duì)各個(gè)動(dòng)作是否達(dá)成標(biāo)準(zhǔn)閾值，MCU進(jìn)行總體求和，進(jìn)而得到健美操運(yùn)動(dòng)員的最終得分，發(fā)送到顯示屏上，由教練員記錄運(yùn)動(dòng)員的最終評(píng)分情況.

1.1.2 軀干姿態(tài)系統(tǒng)

通過(guò)軀干姿態(tài)系統(tǒng)對(duì)健美操動(dòng)作進(jìn)行測(cè)量，研究采用了傾角傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)員各個(gè)軀干間的角度進(jìn)行評(píng)估.一般而言，一套健美操運(yùn)動(dòng)可以由若干個(gè)基礎(chǔ)動(dòng)作組合而成，因此每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)動(dòng)作中，人體軀干各個(gè)部分（頭部、肩部、肘部、腿部、腳部）將會(huì)呈現(xiàn)固定的傾角，并維持一定時(shí)間，運(yùn)動(dòng)員在對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)各個(gè)軀干間的傾角不足或傾角過(guò)高，就證明動(dòng)作完成并不標(biāo)準(zhǔn)，因此可以通過(guò)傾角傳感器考察運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)程度.但需要注意的是，盡管研究采用的ACC375三軸傾角傳感器是目前測(cè)量最為精確的傳感器，但也僅限于準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量場(chǎng)景，而健美操動(dòng)作切換過(guò)程中，由于軀干的快速運(yùn)動(dòng)，將會(huì)造成外界加速度，那么傾角傳感器中的“液體擺”會(huì)劇烈動(dòng)蕩，造成測(cè)試結(jié)果的不準(zhǔn)確.對(duì)此，本研究借鑒業(yè)界常用做法，加設(shè)3軸MEMS加速計(jì)和3軸陀螺儀，并采用優(yōu)先的卡爾曼濾波算法，構(gòu)成了6軸加速度矢量控制器（VG），以減少z軸的漂移情況，避免傾角測(cè)量的不準(zhǔn)確.

1.1.3 關(guān)節(jié)壓力系統(tǒng)

關(guān)節(jié)壓力系統(tǒng)主要測(cè)試運(yùn)動(dòng)員部分動(dòng)作的發(fā)力情況.運(yùn)動(dòng)員的軀干姿態(tài)傾角能夠說(shuō)明運(yùn)動(dòng)員健美操動(dòng)作是否標(biāo)準(zhǔn)，但從健美操評(píng)分角度來(lái)看，標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)作往往不是具備“美感”的動(dòng)作，許多運(yùn)動(dòng)員在長(zhǎng)期練習(xí)過(guò)程中能夠很好地控制整體姿態(tài)，但各個(gè)動(dòng)作缺乏力道，就會(huì)使得動(dòng)作銜接不流暢，整體表現(xiàn)“綿軟無(wú)力”，這樣的健美操無(wú)疑是低分的健美操.為此，研究進(jìn)一步采用關(guān)節(jié)壓力系統(tǒng)分析運(yùn)動(dòng)員的力道表現(xiàn)，考慮到壓力系統(tǒng)需要設(shè)置于關(guān)節(jié)之上，因此需要柔韌性較強(qiáng)、形變范圍較大的傳感器，研究采用了A401型薄膜壓力傳感器.該傳感器由Tekscan公司推出，具有柔韌性強(qiáng)、靈敏性高、動(dòng)態(tài)測(cè)試準(zhǔn)確的特性，適合本項(xiàng)目的目標(biāo)圖形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì).

1.1.4 高度測(cè)距系統(tǒng)

根據(jù)健美操動(dòng)作類別的分配，運(yùn)動(dòng)員在一整套健美操動(dòng)作中可能出現(xiàn)三類動(dòng)作，分別為靜態(tài)型動(dòng)作、跑動(dòng)型動(dòng)作和跳躍型動(dòng)作，靜態(tài)型動(dòng)作主要考察頭部、手部與腿部的相對(duì)位置，大約需要5個(gè)傳感器，如圖2所示，圖中黑點(diǎn)即為傳感器；而跑動(dòng)型動(dòng)作需要進(jìn)一步考察左右手肘和膝部關(guān)節(jié)的相對(duì)位置，因此需要添加4個(gè)傳感器（即關(guān)節(jié)壓力系統(tǒng)），達(dá)到9個(gè)傳感器；在跳躍型動(dòng)作中，還需要考察腰部離地位置，從而分析跳躍高度，因此還需要添加一個(gè)高度測(cè)距系統(tǒng).對(duì)于健美操運(yùn)動(dòng)員而言，對(duì)其動(dòng)作進(jìn)行評(píng)分時(shí)，腰部處于整體視覺(jué)的中心，因此用腰部離地位置作為評(píng)估離地水平的距離相對(duì)科學(xué).其次，通過(guò)對(duì)跳躍離地水平的分析，可以考察健美操整體“框架”（英文文獻(xiàn)稱：Balance）的表現(xiàn)力，進(jìn)而評(píng)估運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作活躍性.這里使用了PLS-Z-5型單點(diǎn)TOF激光測(cè)距模塊，該模塊精度較高，光源安全，適合市內(nèi)距離測(cè)量.總的來(lái)看，運(yùn)動(dòng)員需要佩戴由10個(gè)傳感器所構(gòu)成的可穿戴設(shè)備，由傳感器將運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作中的角度、力度和高度數(shù)據(jù)傳遞至MCU中，由單片機(jī)將相關(guān)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，再進(jìn)行評(píng)分.

1.2 軟件流程設(shè)計(jì)

教練員通過(guò)用戶界面的液晶屏幕，將該套健美操的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作相關(guān)數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)，并設(shè)置該套健美操音樂(lè)的總時(shí)間和拍數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出每個(gè)動(dòng)作的切換時(shí)間（例如健美操為每分鐘120拍，那么每拍為0.5 s，各拍對(duì)應(yīng)一個(gè)動(dòng)作）.系統(tǒng)實(shí)時(shí)比對(duì)當(dāng)前動(dòng)作與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作的區(qū)別，判定軀干姿態(tài)、關(guān)節(jié)壓力和高度測(cè)距三方面是否達(dá)到動(dòng)作要求，系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示.

2 動(dòng)作識(shí)別算法

即使是最優(yōu)秀的健美操運(yùn)動(dòng)員，也無(wú)法做到各個(gè)動(dòng)作的傾角、壓力和高度完全符合標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作的要求，而且對(duì)于MCU而言，所接收的運(yùn)動(dòng)員當(dāng)前動(dòng)作是無(wú)法預(yù)計(jì)的，即未知?jiǎng)幼?因此需要采用概率論或模糊數(shù)學(xué)的方法，提高對(duì)當(dāng)前動(dòng)作的判例可能性，進(jìn)而提高系統(tǒng)的評(píng)價(jià)精度.針對(duì)當(dāng)前動(dòng)作的識(shí)別算法，研究采用了樸素貝葉斯最優(yōu)分類器.借鑒貝葉斯定理預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)員各種未知?jiǎng)幼鲗儆谧顑?yōu)動(dòng)作的可能性，并選擇已知?jiǎng)幼鳎?biāo)準(zhǔn)動(dòng)作）中可能性最大的一個(gè)動(dòng)作作為當(dāng)前的動(dòng)作類別.下面介紹算法的基本思想.

圖2 健美操運(yùn)動(dòng)員可穿戴設(shè)備的傳感器位置

圖3 健美操計(jì)分系統(tǒng)流程圖

假設(shè)存在10個(gè)類別的數(shù)據(jù)集合C:{c1，c2，…，c10}，分別代表一套健美操中總共應(yīng)該出現(xiàn)的10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作.對(duì)采集軀干姿態(tài)數(shù)據(jù)的傾角傳感器而言，根據(jù)圖2可知，總共設(shè)置了5個(gè)傾角傳感器，每個(gè)傳感器會(huì)產(chǎn)生x，y，z軸的3個(gè)傾角數(shù)據(jù)，將上述15個(gè)傾角數(shù)據(jù)寫成一個(gè)數(shù)列，就構(gòu)成了一個(gè)未知類歸屬樣本，這里記為X:{x1，x2，…，x15}.對(duì)正在進(jìn)行健美操運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)員而言，傳感器所采取的傾角數(shù)據(jù)是連續(xù)的，其分布概率形式也無(wú)法估計(jì)（不同健美操的動(dòng)作設(shè)置不一致），假設(shè)采用概率密度統(tǒng)一描述，就會(huì)造成估計(jì)值與真實(shí)分布的差距，進(jìn)而產(chǎn)生錯(cuò)誤的估計(jì)結(jié)果.傾角傳感器中總共能夠產(chǎn)生-180°～180°（共計(jì)360°）的測(cè)量區(qū)間，因此以30°作為最小區(qū)間，就可以得到12個(gè)均勻的分布區(qū)間，進(jìn)而把上述樣本離散化（程序中直接將測(cè)量?jī)A角數(shù)據(jù)除以30）.根據(jù)貝葉斯定理可知：

根據(jù)有限樣本進(jìn)行訓(xùn)練所得的數(shù)據(jù)，就可以通過(guò)貝葉斯定理得到其先驗(yàn)概率P(c|X)，依據(jù)條件同分布假設(shè)，即每個(gè)指標(biāo)獨(dú)立地對(duì)分類標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生影響，（1）式可以改寫為：

在真實(shí)的應(yīng)用過(guò)程中，傾角傳感器也可能監(jiān)測(cè)到訓(xùn)練集中從未出現(xiàn)過(guò)的值，這是由于大規(guī)模的應(yīng)用過(guò)程中，總會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作非常不到位的情況.這類值在訓(xùn)練估計(jì)中的概率為0，就可能導(dǎo)致貝葉斯分類器的質(zhì)量下降，為了修正這一情況，可以采用拉普拉斯平滑方法對(duì)（2）式的先驗(yàn)概率P（xi|c）進(jìn)行調(diào)整：

（3）式中，nxi代表訓(xùn)練集合中i類傾角值出現(xiàn)次數(shù)，nc代表訓(xùn)練集中該類健美操基礎(chǔ)動(dòng)作出現(xiàn)的次數(shù)，N代表訓(xùn)練集所使用的樣本數(shù)量.通過(guò)樸素貝葉斯最優(yōu)分類器，就可以在類先驗(yàn)概率P（c）的基礎(chǔ)上，預(yù)先建立各個(gè)傾角與最優(yōu)動(dòng)作的聯(lián)系，進(jìn)而計(jì)算得到健美操動(dòng)作X屬于何類動(dòng)作的概率，通過(guò)后驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)將各種健美操動(dòng)作進(jìn)行歸類，從而進(jìn)行動(dòng)作識(shí)別.

這里需要說(shuō)明的是，根據(jù)動(dòng)作設(shè)置精度的不同（研究設(shè)定為60%～90%，每10%一個(gè)檔次），運(yùn)動(dòng)員健美操動(dòng)作完成度的歸類情況是不一樣的.舉例而言，在60%的設(shè)置精度下，要求運(yùn)動(dòng)員在健美操中手臂與軀干呈45°傾角，那么運(yùn)動(dòng)員實(shí)現(xiàn)45°±18°的傾角，在流程圖中即為“是”；而設(shè)定90%精度時(shí)，運(yùn)動(dòng)員則需要實(shí)現(xiàn)45°±4.5°的傾角.其他兩類傳感器的工作算法與傾角傳感器一致，因此不再贅述.

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 動(dòng)作歸類驗(yàn)證

為了評(píng)判自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)的有效性，研究首先邀請(qǐng)20位專業(yè)健美操教師在佩戴相關(guān)設(shè)備的情況下，各自完成1個(gè)8拍的第三套大眾二級(jí)健美操標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定動(dòng)作.一個(gè)8拍中包含8個(gè)靜態(tài)型動(dòng)作、6個(gè)跑動(dòng)型動(dòng)作和2個(gè)跳躍型動(dòng)作，具有較強(qiáng)的代表性，根據(jù)30位學(xué)生的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)作歸類驗(yàn)證，結(jié)果如表1所示.

由表1可見，采用樸素貝葉斯最優(yōu)分類器對(duì)目標(biāo)動(dòng)作進(jìn)行檢測(cè)，總體準(zhǔn)確率可以達(dá)到85.625%，滿足健美操動(dòng)作分類要求.從不同動(dòng)作類型來(lái)看，針對(duì)靜態(tài)型動(dòng)作的正確識(shí)別次數(shù)最高，跑動(dòng)型動(dòng)作次之，跳躍型動(dòng)作最差，這是由于傾角檢測(cè)器的工作機(jī)制原因，在強(qiáng)烈的健美操跑跳之中，即使采用了由加速計(jì)和陀螺儀構(gòu)成的6軸加速度矢量控制器，依然會(huì)出現(xiàn)傾角測(cè)量不準(zhǔn)的問(wèn)題，這也是系統(tǒng)需要改進(jìn)的方向.

3.2 自動(dòng)評(píng)分驗(yàn)證

為了進(jìn)一步考察健美操自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)的打分情況，邀請(qǐng)50名大一學(xué)生在佩戴相關(guān)設(shè)備情況下，各自完成1個(gè)8拍的第三套大眾二級(jí)健美操標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定動(dòng)作.同時(shí)由5位專業(yè)健美操教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)與系統(tǒng)方向一致，自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)根據(jù)16個(gè)動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作取0分或1分，因此最高可能達(dá)到16分，為了保持對(duì)比的一致性，評(píng)委考察動(dòng)作姿態(tài)、力度和跳躍高度，評(píng)分采用16分制，去掉最高分和最低分再均值.受篇幅所限，表2截取了10名同學(xué)的打分情況.

從表2可見，學(xué)生E的專家評(píng)分與自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)出現(xiàn)了較大差別，分別為9.1和6，這是由于該學(xué)生的跑動(dòng)和跳躍動(dòng)作出現(xiàn)了明顯錯(cuò)拍情況，機(jī)器識(shí)別過(guò)程中將多個(gè)動(dòng)作識(shí)別為0分，而專家評(píng)分則更看重動(dòng)作的連貫性與完整性，因此造成了評(píng)分的差距.

表1 動(dòng)作歸類驗(yàn)證結(jié)果

表2 10名學(xué)生的健美操評(píng)分情況

4 結(jié)束語(yǔ)

研究提出結(jié)合樸素貝葉斯最優(yōu)分類器和目標(biāo)圖形監(jiān)測(cè)的健美操自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)，研究結(jié)合壓力傳感器、陀螺儀等力學(xué)儀器，繞開視頻評(píng)分中的光學(xué)測(cè)量精度問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)健美操的系統(tǒng)性評(píng)分.研究結(jié)果表明：通過(guò)可穿戴設(shè)備搭建的目標(biāo)圖形監(jiān)測(cè)識(shí)別系統(tǒng)能夠有效識(shí)別健美操動(dòng)作，考察運(yùn)動(dòng)員在健美操過(guò)程中的軀干姿態(tài)、關(guān)節(jié)力度和跳躍高度；采用樸素貝葉斯最優(yōu)分類器對(duì)健美操動(dòng)作進(jìn)行歸類，準(zhǔn)確率可以達(dá)到85.625%，說(shuō)明系統(tǒng)的穩(wěn)健性較強(qiáng)；對(duì)50名學(xué)生的健美操動(dòng)作進(jìn)行專家評(píng)分和自動(dòng)評(píng)分，系統(tǒng)準(zhǔn)確率達(dá)到94%，說(shuō)明系統(tǒng)的準(zhǔn)確率較高.總的來(lái)看，本研究所構(gòu)建的健美操自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)，具備穩(wěn)定性強(qiáng)、準(zhǔn)確率高的特點(diǎn)，具備廣泛的應(yīng)用空間和市場(chǎng)價(jià)值.