基于云計算和體感網(wǎng)絡(luò)的運動訓(xùn)練平臺

1、【132】 第34卷 第8期 2012-8(上收稿日期:2012-05-23作者簡介:李開貴(1976-,男,四川成都人,工程師,本科,主要從事應(yīng)用電子及通信方面研究。 0 引言無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN 是借助大量部署的傳 感元件來監(jiān)控環(huán)境變量的智能系統(tǒng),近年來,其發(fā) 展十分迅速,傳感器的嵌入式技術(shù)已經(jīng)成熟,已經(jīng) 可以穿到身上,并且不會給穿戴者帶來不適 1,2。2002年 Prof.Guang-Zhong Yang將 WSN 延伸, 提出了體感網(wǎng)絡(luò)(BSN 的全新概念 3。體感網(wǎng)絡(luò) 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的低功耗與實時性特性,只需 使使用者穿上一些傳感元件,就可遠程實時監(jiān)控 穿戴者的狀況。本文系統(tǒng)在錄

2、制教練動作視頻的同時,同步 地記錄教練標(biāo)準(zhǔn)動作的傳感器信息,使學(xué)員可通 過無線通訊設(shè)備,同步地將連續(xù)動作的傳感器信 息上傳到云端計算設(shè)備,進行動作軌跡重建特征 比對,并且同步回傳學(xué)員需要更正的錯誤動作, 如圖 1所示。1 研究方法本文提出的系統(tǒng)其關(guān)鍵技術(shù)包括:初始化多 運動傳感器的位置和傳感器之間同步、運動軌跡基于云計算和體感網(wǎng)絡(luò)的運動訓(xùn)練平臺Cloud-based sport training platform using body sensor network李開貴,游 燕 LI Kai-gui, YOU Yan(成都紡織高等專科學(xué)校,成都 611731摘 要: 本文設(shè)計了一個基于云計算的

3、高爾夫運動訓(xùn)練平臺,使學(xué)員可以避免花費大筆資金去聘請教練和購買高端學(xué)習(xí)設(shè)備,需要的只是一些傳感器件,如:重力傳感器和陀螺儀,以及筆記本 電腦或智能手機,借助設(shè)備的藍牙模塊來接收學(xué)員身上的和高爾夫球桿上的傳感器資料,通 過3G或Wi-Fi可隨時連接云端系統(tǒng),進行姿勢動作的比對和修正。關(guān)鍵詞: 運動訓(xùn)練平臺;體感網(wǎng)絡(luò);重力傳感器;移動云計算重建、拍攝視頻與運動傳感器信息同步、相似度 比對等,以下章節(jié)將詳細描述。1.1 初始化多運動傳感器位置和傳感器間同步技術(shù)我們將初始化多運動傳感器位置和傳感器間 同步,描述如下:1 定義人體前方為 X 軸正向、左側(cè)為 Y 軸正 向、上方為 Z 軸正向。2 通過一個

4、輸入裝置,如鍵盤、鼠標(biāo)來告知 系統(tǒng)該學(xué)員的身高。3 依據(jù)學(xué)員的身高,依照標(biāo)準(zhǔn)人體肢體比例 來得知各肢體的長短,進而推算各個運動傳感器 在空間中的初始位置。4 此外學(xué)員可以在動作開始前,利用一個致 動方法,如按鈕、聲音、手勢等,告知運動學(xué)習(xí) 系統(tǒng)利用無線通訊,如 ZigBee 、 Bluetooth 等方式, 開始讀取運動傳感器的數(shù)值。5 假設(shè)學(xué)員身上穿戴 m 個重力傳感器,開 始讀取運動傳感器數(shù)值時,得到各個傳感器初始 Tick 的時間是 t 1, t 2, ., t m ,則之后記錄各個運 動傳感器的傳感器信息其時間為 (T i -t i ×s i ,其中 i =1. m , s代

5、表每秒取樣數(shù)的倒數(shù)。1.2 軌跡重建技術(shù)有些球類運動,如:高爾夫、網(wǎng)球等,相對 于擊球力量,更重要的是能穩(wěn)定地擊到球并控制 球的方向。高爾夫運動,為了在最少揮桿次數(shù)下 達到最終進洞的目標(biāo),擊球方向的穩(wěn)定性就非常 重要,所以必須建立一個完美的揮桿,才能提高 成功擊球的機率,以及更接近所想要達到的位置。Wi-Fi 3G ZigBee 圖 1 系統(tǒng)示意圖第34卷 第8期 2012-8(上 【133】因此,必須要有一套工具來反映出學(xué)員所揮擊的 信息。我們在球桿的桿身上嵌入慣性傳感器,借 此抓取球桿在移動過程中的物理信息,利用重力 傳感器來獲取球桿移動的加速度狀況,陀螺儀來 獲取球桿旋轉(zhuǎn)的角度變化狀況。

6、因此我們可以利用運動傳感器中的三軸重力 傳 感 器 (Triple-axis G-accelerometer sensor、 磁 力 計等,提供加速度、方位角等傳感器信息。接著, 我們利用式 (1,對上述傳感器信息進行積分,參 考運動傳感器的初始位置,就可以計算出運動傳 感器在 X 、 Y 、 Z 每一軸向的位移量,并進一步推 算出運動傳感器的位置信息。(1此外由于球桿旋轉(zhuǎn)和移動的過程中,傳感器 本身坐標(biāo)也一直在變換,傳感數(shù)值沒有一個相同 的參考坐標(biāo),會造成連續(xù)的數(shù)值沒有關(guān)聯(lián)性,因 此我們必需將坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)到同一個參考坐標(biāo),所以 我們借助陀螺儀偵測的角速度乘上取樣時間得到 角度變化,再依據(jù)角度變化

7、得到轉(zhuǎn)換矩陣,利用 這個轉(zhuǎn)換矩陣就可以把傳感器移動的狀況全部轉(zhuǎn) 換到一開始揮桿的坐標(biāo)系,再進行積分,推算出 傳感器的位移信息,流程如圖 2所示。圖 2 軌跡重建流程1.3 拍攝運動教學(xué)視頻與運動傳感器信息同步技術(shù)為了使學(xué)員可以更為精確的學(xué)習(xí)動作的細節(jié), 我們嘗試將動作的傳感器信息,嵌入教學(xué)視頻中, 并基于視頻畫面速率和傳感器取樣率,使兩者記錄 的信息,能夠達到時間同步的效果。此時的視頻與 傳感器信息可以分別記錄在不同檔案,如 AVI 和 XML 檔中,或是將傳感器信息寫入于視頻檔案的 字段中。舉一個例子來說,我們可以調(diào)整傳感器取 樣率為視頻畫面速率的倍數(shù),如傳感器每秒取樣 120次,而視頻的畫

8、面速度為 60fps 。視頻和傳感器記錄的起始時間,都應(yīng)該將 Tick 值或是 Timestamp 值,轉(zhuǎn)換至同一個時間軸上表示,如式 (2所示:(2假設(shè)傳感器讀到第一個傳感器信息的 Tick 值 (t 0 為 52642,第二個傳感器信息的 Tick 值 (t 2 為 52646,取樣率為 120Hz ,此時記錄的時間 (T C 分 別為 0和 0.03。同樣的,假設(shè)視頻第一張畫面的 Timestamp 為 52646,第二張畫面的 Timestamp 為 5238,每秒畫面速率為 60,則此時記錄的時間 (T C 則分別為 0和 0.03。我們定義 6個高爾夫揮桿的關(guān)鍵動作,包括 帶、轉(zhuǎn)、

9、移、放、跟、收的步驟:帶:(上桿前期 將雙掌帶到右大腿前方的位 置。手手臂肩膀臀部。以上述順序帶動球 桿,并且右手腕轉(zhuǎn)動至正前方;轉(zhuǎn):(上桿后期 左肩旋轉(zhuǎn)至下巴下方,作出 一個大幅度的上桿動作。手臂彎曲,上升至頂點 時球桿與地面平行,且左手腕固定約 90度角;移:(下桿前期 右肩下沉,右肘帶到右肋下 方,進入“擊球準(zhǔn)備位置” ,桿子約在腰帶上方;臀部啟動下桿,手腕保持角度,展現(xiàn)系統(tǒng)的 “鞭打效應(yīng)” ,下桿前期順序:臀部肩膀手臂;放:(加速期 手腕到達腰部之后到擊球。手 腕在下桿前期所維持的角度做完全的釋放;跟和收:(收桿前后期 這 2 個動作合為一個, 視為一個收桿動作,從擊球完成到整個收桿動

10、作 結(jié)束。再利用傳感器信息判斷出關(guān)鍵動作后,會產(chǎn) 出一個視頻片段和傳感器信息的對應(yīng)表。此對應(yīng) 表將記錄在哪一個時間點發(fā)生什么關(guān)鍵動作,可 以是一個獨立的電子檔案,或是將傳感器信息寫 入于視頻檔案的字段中,如圖 3所示。圖 3 不同的視頻片段和傳感器信息對應(yīng)方法1.4 動作相似度比對技術(shù)在高爾夫運動中,揮桿的好壞有一些評比標(biāo) 準(zhǔn),例如動作的時間節(jié)奏、桿頭揮動的軌跡與桿 面位置、桿頭的速度和力量等,其中:【134】 第34卷 第8期 2012-8(上1 動作的時間節(jié)奏:揮桿必須要有節(jié)奏才 打得出好球,揮桿動作雖然很短暫,但也要有一 致的節(jié)拍,才有穩(wěn)定的球路及速度揮桿。 Neal, Aberneth

11、y 和 Moran 的研究中也指出新手以及專業(yè) 球員在上下桿的時間分布上仍有不小的差異。新 手球員在揮桿的時間分布中,上桿所占的時間從 20%至 60%不等 4。相對來說,專業(yè)球員的上桿 時間分布很密集的分布于 70%上下。2 桿頭揮動的軌跡和桿面的位置:揮桿時桿 頭維持在一個圓的平面上,有如一個呼拉圈。揮 桿時若離開這個平面,代表桿頭會時而在平面之 上,時而在平面之下。這一點主要可以由軌跡進行 判斷,當(dāng)全部的揮桿資料都轉(zhuǎn)換回地球坐標(biāo) (Earth Frame 后,并且計算出每筆資料的位移,如此一來 便可在同一個坐標(biāo)系統(tǒng)下,比較兩次揮桿間,其揮 桿面的傾斜角度是否相同。3 桿頭的速度及力量:參

12、考桿 頭的加速度資料進行判斷,由于速 度與力量成一正比關(guān)系,只要計算 出桿頭各階段的加速度,即可知道 使用者的力道是否正確。4 各肢體部位動作先后的問 題:借助將各部位的傳感器資料進 行分群,參考收集到的正確動作的 分群時間軸,檢查學(xué)員的動作傳感 器資料是否落在正確的分群當(dāng)中。利用章節(jié) 1.2介紹的運動軌跡 特征描述方法,我們可以將標(biāo)準(zhǔn)的 教練的三維運動軌跡參數(shù)描述為 (a e,x,i , a e,y,i , a e,z,i , ,而學(xué)員的運動軌跡 參數(shù)為 (a l,x,i , a l,y,i , a l,z,i , 。我們可以定 義一個動作相似度 (Similarity,如 式 (3所示:3

13、其 中 動 作 相 似 度 經(jīng) 過 正 規(guī) 化 后, 會 介 于 0%100%。假設(shè)教練運動軌跡為 (0,-45,130, (20,-45,120, (40,-40, 100,而學(xué)員的運動軌跡是 (0,-40,125,(15,-40,120,(35,-35,105,則相似度為 88%。2 實驗結(jié)果在本實驗章節(jié)中,我們將對多運動傳感器的同步結(jié)果、軌跡繪制與不同肢體在時間軸上的動 作相對時間進行討論。如圖 4所示,首先在運動傳感器同步的實驗 中,我們將兩個運動傳感器重疊擺放,之后同時給 傳感器一短暫振動,如此以來,兩個傳感器的數(shù)值 波形應(yīng)該是同時發(fā)生,且同時結(jié)束,但是從圖的前 兩張可很清楚地看到,

14、傳感器 1以及傳感器 2的開 始時間明顯有段差距。經(jīng)過同步后,傳感器 2的時 間軸會向傳感器 1的時間軸對齊,從第三張可以清 楚看出兩個傳感器的波形已經(jīng)完全吻合。利用章節(jié) 1.2的軌跡重建技術(shù),我們可以繪制 出學(xué)員的揮桿軌跡,如圖 5所示,為兩次揮桿的 軌跡,學(xué)員可以自行檢查單次揮的上下桿軌跡是 否位于同一個平面上,亦可以比較某一次的揮桿 軌跡,使學(xué)員可以自行修正動作錯誤。圖 6比較兩次揮桿是否在同一平面,我們以圖 4 多傳感器同步實驗十項資料做分析,依據(jù)上述高爾夫揮桿動作分解 中的起桿以及下桿順序,對傳感器資料的分布做 合理群聚分析。我們可明顯看出在上下桿的起始 動作上,手腕和腰部的動作時間

15、點會有明顯的群 聚現(xiàn)象,加上配合上述高爾夫球動作解析中的起 桿以及下桿順序,即可為本次揮桿動作進行評分。3 結(jié)論本文設(shè)計了一個基于云計算的高爾夫運動訓(xùn)【下轉(zhuǎn)第 149頁】第34卷 第8期 2012-8(上 【149】如果只是簡單的重復(fù)執(zhí)行命令,就將寄存器進行 逐步地加 1,這樣就不斷循環(huán)地讀取程序中的數(shù) 據(jù),在原則上需要三個周期的時間,如果不是重 復(fù)的執(zhí)行,就只需要一個周期的時間,將完成的 累積數(shù)據(jù)進行移動,這件就完成了卷積所要求的 計算。從而利用了 DSP 芯片就行編程,實現(xiàn) FIR 所需要的數(shù)字濾波器的功能。3 系統(tǒng)仿真根據(jù)上述條件形成的數(shù)字濾波器,在本文中 采用了標(biāo)準(zhǔn)矩形波進行了驗證,設(shè)

16、置其頻率和振 幅分別為 300Hz 和 800mV ,其波形如圖 4所示,然后經(jīng)過本文算法提出的 DSP 的 FIR 數(shù)字濾波器 進行濾波得到了如圖 5所示的波形。從仿真實驗得到的四幅圖中可以看到,本文 提出的基于 DSP 的 FIR 數(shù)字濾波器滿足實驗要求, 濾波效果良好,滿足要求。4 結(jié)束語在數(shù)字信號處理過程中, FIR 濾波器的設(shè)計是 基礎(chǔ),而 DSP 芯片也是重要的組成部分。 FIR 濾波 器和 DSP 芯片兩種之間相互相成,濾波器的設(shè)計 好壞直接影響著數(shù)字信號的處理,影響著整個過程 的運行速度和精度。在今后的電子發(fā)展過程中,隨 著 DSP 芯片的不斷發(fā)展,將不斷地主導(dǎo)著 FIR 的

17、濾波設(shè)計。在本文提到的基于 DSP 芯片的算法形 成的 FIR 濾波器經(jīng)試驗證明效果明顯,具有一定的 實用性,將來在各個領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越多。 參考文獻:1 程佩青 . 數(shù)字信號處理教程 M. 北京 : 清華大學(xué)出版社 ,1999.2 孫宗瀛 , 謝鴻林 . TMS320C5xDSP原理設(shè)計與應(yīng)用 M.北京 : 清華大學(xué)出版社 , 2002.3 喬瑞萍 , 崔濤 , 張芳娟 . TMS320C54xDSP原理及應(yīng)用M. 西安 : 西安電子科技大學(xué)出版社 , 2005.4 張雄偉 . DSP 芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用 ( 第三版 M. 北京 :電子工業(yè)出版社 , 2003.5 鄭紅 . TMS320C54XDSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計 M. 北京 : 北京航空航天大學(xué)出版社 , 2002.圖 4 頻率和振幅分別為 300Hz 和 800mV 波形圖圖 5 本文 DSP 的 FIR 數(shù)字濾波器濾波練平臺,使學(xué)員可以避免花費大筆資金去聘請教 練和購買高端學(xué)習(xí)設(shè)備,學(xué)院可通過 3G 或 Wi-Fi 可隨時連接云端系統(tǒng),進行動作姿勢比對。在實 驗章節(jié)中,我們討論系統(tǒng)中的核心關(guān)鍵技術(shù),包 括運動傳感器位置初始化與同步、軌跡繪制與討 論不同肢體動作在時間軸上的相對時間,以驗證 技術(shù)的可行性。 參考文獻:1 楊靖 , 熊偉麗 , 等 . 無線傳