基于RGB-D图像的太极拳智能辅助训练系统技术方案

本实用新型专利技术是一种基于RGB-D图像的太极拳智能辅助训练系统，主要解决了现有太极拳训练依赖人工教学和动作捕捉设备昂贵的问题。该系统包括在平整的场地上架设的一个或多个背景架、背景布、3D体感摄影机、电脑、可调整高度的支架和供使用者使用的专用训练服。使用者在使用该辅助训练系统时身穿专用训练服，全身落入体感摄影机的摄影范围。3D体感摄影机获取使用者的视频传给电脑，电脑使用计算机视觉方法实现太极拳的智能辅助训练。本实用新型专利技术能够对太极拳动作进行描述和捕捉，可以应用于太极拳的教学，测试等方面。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及辅助训练领域，尤其涉及使用计算机视觉方法对太极拳实现智能辅助训练。
技术介绍
太极拳可以强身健体，提神醒脑。同时，太极拳还弘扬国粹，发扬传统武术，蕴含着神秘而古老的中国传统哲学。它动作简练优美，历经百年锤炼，值得进一步挖掘。目前的太极拳教学仍停留在传统阶段。大部分学习者是通过老师上课示范动作进行训练。而本技术专利是依靠计算机视觉中特征提取，对动作进行描述，通过与事先训练的标准动作比较，智能输出评分，对自己实际水平得到认识，可以克服传统太极拳训练中训练者无法得到及时正确、标准反馈的不足。已有的太极拳训练装置使用硬件设备固定在使用者身上，对使用者的动作进行采集，这种方法对使用者的动作幅度有很大限制，限制了太极拳水平的发挥，安装复杂而且对使用者的身高体重等外形条件要求高，不利于广泛推广和应用。
技术实现思路
本技术的目的是设计一种太极拳智能辅助系统，解决现有太极拳训练依赖人工教学或者动作捕捉设备昂贵的问题。为解决上述问题，本技术采用一种基于计算机视觉的太极拳辅助训练系统，该系统包括在平整的场地上架设的一个或多个背景架、背景布、3D体感摄影机、电脑、可调整高度的支架和供使用者使用的专用训练服，其中，背景布装在背景架上，背景布与地面垂直；3D体感摄影机架设在可调整高度的支架上，3D体感摄影机通过有线或者无线的方式连接到电脑；将架设在可调整高度的支架上的体感摄影机放置在背景布中间位置，使用者位于背景布和体感摄影机之间；体感摄影机与背景布的垂直距离根据位于背景布和体感摄影机之间的使用者的身高和背景布的大小调整，可调整高度的支架根据位于背景布和体感摄影机之间的使用者的身高调整，从而使使用者在使用该辅助训练系统时全身落入体感摄影机的摄影范围；该系统在使用时，使用者身穿专用训练服，3D体感摄影机获取使用者的视频传给电脑，电脑使用计算机视觉方法实现太极拳的智能辅助训练。本技术的有益效果是：可以在缺乏老师现场指导的情况下，给出训练者在实际打太极拳时及时、有效的反馈，有助于对太极拳教学的推广。与现有的辅助训练系统相比，本实用新型使用计算机视觉方法，通过特征提取对动作进行描述，实现运动捕捉。不需要硬件设备附着在使用者身体上，对使用者的身高体重等外形条件也没有限制。附图说明附图1是本技术总体模型外观示意图。附图2是本技术体感操作界面操作图。附图3是本技术训练者所穿裤子的裤脚设计图。附图4是本技术训练者所穿外衣的袖子设计图。附图5是本技术所需场地的背景示意图。附图6是标准动作训练部分流程图。附图7训练辅助和评分功能实现部分流程图。图中各数字分别代表的含义为：1.支架，2.kinect，3.笔记本电脑，4.可调整高度的支架，5.桌子，6.kinect人机交互界面，7.所得综合评分，8.历史最好成绩，9.最好动作，10.最差动作，11.动作回放，12.标准24式太极拳动作，13.太极拳介绍视频，14.热身小游戏，15.去除背景后的人体动画，16.裤脚颜色从右至左设计为：黄、蓝、红、白，17.裤脚颜色从左至右设计为：黄、蓝、红、白，18.袖子颜色从右至左设计为：黄、蓝、红、白，19.袖子颜色从右至左设计为：黄、蓝、红、白，20.绿色幕布，21.绿色地板，22.3.2m，23.3.2m，24.3m，25.3m。具体实施方式步骤1：架设系统如图1所示，场地要求平整，长边至少7m，短边至少3m，高度至少3m。背景架一般选用3m*7m规格，可以采用两个背景架并排放置以增加长度。背景布一般选用绿色或蓝色，质地为纯棉或是加绒纯棉。kinect放置在背景架中间位置，与背景架距离一般为3m左右，根据使用者身高和背景架大小调整。kinect采用支撑支架固定，支架高度一般为60cm左右，针对使用者身高来进行实际调整。训练者需要身穿专门的训练服。裤子设计如图3所示，裤脚颜色设计包含膝盖到裤脚部分，左脚裤腿从右至左均匀设计为五种不同颜色，不得与背景布相同，右脚裤腿颜色与左脚对称。上衣设计如图4所示，外衣颜色设计包含肘部到袖口部分，左手袖子从右至左均匀设计为五种不同颜色，也不得与背景布相同，左手袖子颜色与右手对称。上衣和裤子和其他部位颜色为纯色，同样不得与背景布相同。步骤2：使用标准动作对系统进行训练如图6所示，训练部分启动后，请专业的体育老师进行太极拳动作的多次示范，构成机器学习的样本集合，根据太极拳动作的时序分配，启动人体动作特征提取模块，使用其提取出的特征向量对分类器进行训练，将分类器训练得到的参数计入相应时刻的模版库，从而完成对该时序下太极拳动作的机器学习。每一时序结束以后，根据太极拳动作的时序分配判断整套动作是否结束，若整套动作未结束，则进入太极拳动作的下一时序，重复以上过程；若整套动作已结束，循环结束，从而完成对整套太极拳标准动作的分类器训练，系统结束。系统训练好后开始构造辅助评分部分。如图7所示，系统启动后，首先使用人体动作特征提取模块，获得特征向量，使用已经训练完成的分类器对与标准动作的偏差程度进行计算，通过与预先设置的阈值的比较，对达到一定程度的错误动作进行发生时刻，错误情况的记录。之后对针对太极拳的时序分解，重复以上过程直到整套动作的完成。之后针对各个偏差程度的求和，给出百分制的分数，与之前记录的错误动作情况一起输出，系统结束。在训练系统后，准备好测试样本对系统进行功能的测试和指标的优化。测试样本最好包括多种光照，表演者外形条件，以此来增加系统的鲁棒性。步骤3：使用辅助训练功能如图2所示，系统使用体感界面进行操控。系统启动后，训练者站在相应的位置上打太极拳，以标准太极拳动作的时间作为标准，训练者通过体感操作使用系统。主要功能有：查看系统给出的综合评分，分为A+,A,B+,B,C五个等级；实时显示去除背景后的实时镜像动作图和三维动画显示效果。还可以查看历史最好成绩；热身运动；动作回放；播放标准的太极拳标准动作以及太极拳介绍。本技术通过在场地架设背景架和背景布，训练者身穿在袖子和腿部使用不同颜色突出显示，在其余部位使用相同颜色弱化显示的训练服装，使用kinect采集RGBD视频，使用计算机视觉方法提取出在抽象层面描述太极拳动作的特征，最终系统使用体感界面实现，便于操作。本技术使用计算机视觉方法中的特征提取方法，通过对场地背景和使用者衣着的限制，实现对动作的精准特征提取，用特征向量描述太极拳动作，实现动作捕捉，从而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于RGB‑D图像的太极拳智能辅助训练系统，该系统包括在平整的场地上架设的一个或多个背景架、背景布、3D体感摄影机、电脑、可调整高度的支架和供使用者使用的专用训练服，其中，背景布装在背景架上，背景布与地面垂直；3D体感摄影机架设在可调整高度的支架上，3D体感摄影机通过有线或者无线的方式连接到电脑；将架设在可调整高度的支架上的体感摄影机放置在背景布中间位置，使用者位于背景布和体感摄影机之间；体感摄影机与背景布的垂直距离根据位于背景布和体感摄影机之间的使用者的身高和背景布的大小调整，可调整高度的支架根据位于背景布和体感摄影机之间的使用者的身高调整，从而使使用者在使用该辅助训练系统时全身落入体感摄影机的摄影范围；该系统在使用时，使用者身穿专用训练服，3D体感摄影机获取使用者的视频传给电脑，电脑使用计算机视觉方法实现太极拳的智能辅助训练。

【技术特征摘要】
1.一种基于RGB-D图像的太极拳智能辅助训练系统，该系统包括在平整的场地上架设的一个或多个背景架、背景布、3D体感摄影机、电脑、可调整高度的支架和供使用者使用的专用训练服，其中，
背景布装在背景架上，背景布与地面垂直；
3D体感摄影机架设在可调整高度的支架上，3D体感摄影机通过有线或者无线的方式连接到电脑；
将架设在可调整高度的支架上的体感摄影机放置在背景布中间位置，使用者位于背景布和体感摄影机之间；
体感摄影机与背景布的垂直距离根据位于背景布和体感摄影机之间的使用者的身高和背景布的大小调整，可调整高度的支架根据位于背景布和体感摄影机之间的使用者的身高调整，从而使使用者在使用该辅助训练系统时全身落入体感摄影机的摄影范围；
该系统在使用时，使用者身穿专用训练服，3D体感摄影机获取使用者的视频传给电脑，电脑使用计算机视觉方法实现太极拳的智能辅助训练。
2.根据权利要求1所述的基于RGB-D图像的太极拳智能辅助训练系统，其特征在于背景布选用绿色或蓝色。
3.根据权利要求1所述的基于RGB-D图像的太极拳智能辅助训练系统，其特征在于，背景布的质地为纯棉。
4.根据权利要求1所述的基于RGB-D图像的太极拳智能辅助训练系统，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨淑媛，张金剑，龙贺兆，焦李成，刘红英，马文萍，熊涛，刘芳，侯彪，刘志，刘林瓒，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：新型
国别省市：陕西;61