民族體育教學(xué)中的特殊姿態(tài)校對(duì)視覺(jué)監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

李眾民

摘 要： 為了發(fā)展民族體育、弘揚(yáng)民族文化，現(xiàn)設(shè)計(jì)一款民族體育教學(xué)中的特殊姿態(tài)校對(duì)視覺(jué)監(jiān)控平臺(tái)。該平臺(tái)由視覺(jué)監(jiān)控模塊與特殊姿態(tài)校對(duì)模塊構(gòu)成。視覺(jué)監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行特殊姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集、量化與傳導(dǎo)，討論了該模塊中的MFC監(jiān)控架構(gòu)、數(shù)據(jù)傳導(dǎo)通信指令結(jié)構(gòu)、主要硬件連接模式以及數(shù)據(jù)的高階低通濾波方法。特殊姿態(tài)校對(duì)模塊用于接收視覺(jué)監(jiān)控模塊傳導(dǎo)出的特殊姿態(tài)量化數(shù)據(jù)，其利用Processing語(yǔ)言建立GUI優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)算空間，通過(guò)四元數(shù)結(jié)算方法完成特殊姿態(tài)量化數(shù)據(jù)向歐拉角的轉(zhuǎn)化，根據(jù)歐拉角判定規(guī)則確定特殊姿態(tài)是否需要校對(duì)，并標(biāo)記校對(duì)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)平臺(tái)的濾波效果好，監(jiān)控誤差小。

關(guān)鍵詞： 民族體育教學(xué)； 特殊姿態(tài)； 校對(duì)； 視覺(jué)監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)； 監(jiān)控誤差； 歐拉角判定規(guī)則

中圖分類號(hào)： TN02?34； TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）01?0178?04

Abstract： In order to develop the national sports and promote the national culture， a special posture correction and visual monitoring platform for national sports teaching was designed. The platform is composed of visual monitoring module and special posture correction module. The visual monitoring module is used to acquire， quantify and transmit the special posture data. The MFC monitoring architecture， data conduction communication order structure， main hardware connection mode and data high?order low?pass filtering method in the visual monitoring module are discussed. The special posture correction module is used to receive the special posture quantitative data transmitted by visual monitoring module. The Processing language is adopted to establish the GUI to optimize the data settlement space. The special posture quantitative data is converted into the Euler angle by means of quarternion settlement method. According to the Euler angle judgment rules， it determines that the special posture should be corrected or not， and the corrected point is marked. The experimental results show that the designed platform has perfect filtering effect and small monitoring error.

Keywords： national sports teaching； special posture； correction； visual monitoring platform design； monitoring error； Euler angle judgment rule

0 引 言

隨著科技的不斷進(jìn)步，機(jī)電系統(tǒng)、傳感網(wǎng)絡(luò)、處理器、視覺(jué)監(jiān)控平臺(tái)成為市場(chǎng)上的主流高科技需求產(chǎn)品，在醫(yī)療、工業(yè)、教學(xué)、家電中的使用率非常高，極大地改變了人們的生活方式，在社會(huì)上建立起了一個(gè)高品質(zhì)生活質(zhì)量的保障體系[1]。我國(guó)少數(shù)民族數(shù)量眾多，文化形式多樣性強(qiáng)，大力發(fā)展民族體育、弘揚(yáng)少數(shù)民族文化是我國(guó)政府格外重視的人文科技項(xiàng)目。在民族體育教學(xué)中，運(yùn)動(dòng)員的一些特殊姿態(tài)是極具少數(shù)民族特色的，但能夠掌握這些特殊姿態(tài)的人群卻非常少，無(wú)法在教學(xué)中對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行一一指導(dǎo)，這就需要通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)特殊姿態(tài)校對(duì)視覺(jué)監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智能化指導(dǎo)。

民族體育教學(xué)中的特殊姿態(tài)校對(duì)視覺(jué)監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)理念需要考慮三個(gè)方面：第一，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)為低成本且應(yīng)用簡(jiǎn)單；第二，傳感網(wǎng)絡(luò)布線簡(jiǎn)單，防止對(duì)運(yùn)動(dòng)員正常姿態(tài)造成影響；第三，視覺(jué)監(jiān)控平臺(tái)應(yīng)能提供完備的量化數(shù)據(jù)[2]。

1 民族體育教學(xué)中的特殊姿態(tài)校對(duì)視覺(jué)監(jiān)控平

臺(tái)設(shè)計(jì)

民族體育教學(xué)中的特殊姿態(tài)校對(duì)視覺(jué)監(jiān)控平臺(tái)由視覺(jué)監(jiān)控模塊與特殊姿態(tài)校對(duì)模塊構(gòu)成，處理模式簡(jiǎn)單、成本低，可實(shí)現(xiàn)視覺(jué)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量化。為了減少傳感網(wǎng)絡(luò)布線，兩模塊之間將通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行連接。

1.1 視覺(jué)監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

1.1.1 模塊結(jié)構(gòu)與描述

視覺(jué)監(jiān)控模塊是需要直接穿戴在運(yùn)動(dòng)員身上的，所以其中的硬件結(jié)構(gòu)均具有體積小、質(zhì)量輕、可靠性高的特點(diǎn)。視覺(jué)監(jiān)控模塊分為硬件采集、軟件監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳導(dǎo)，進(jìn)行民族體育教學(xué)中的特殊姿態(tài)數(shù)據(jù)采集、量化與傳導(dǎo)，模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

硬件采集是指在微控制器的管理下利用視覺(jué)傳感器采集運(yùn)動(dòng)員特殊姿態(tài)?；矩?fù)責(zé)進(jìn)行視覺(jué)監(jiān)控模塊與特殊姿態(tài)校對(duì)模塊之間的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)，以太網(wǎng)與傳感網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)進(jìn)行視覺(jué)傳感器與軟件監(jiān)控之間的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)；軟件監(jiān)控在客戶端與服務(wù)器上同時(shí)進(jìn)行，也可單獨(dú)使用?？蛻舳伺c服務(wù)器中軟件監(jiān)控體系的差別體現(xiàn)為：客戶端可對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)上的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理與顯示。但服務(wù)器中的數(shù)據(jù)是從客戶端通過(guò)以太網(wǎng)傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的，使用者可以先對(duì)客戶端中的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，再上傳至服務(wù)器進(jìn)行相應(yīng)操作，而且，服務(wù)器還可為數(shù)據(jù)提供濾波功能[3]。整體來(lái)說(shuō)，客戶端重點(diǎn)在于進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)操作，服務(wù)器重點(diǎn)在于遠(yuǎn)程管理。軟件監(jiān)控為MFC（Microsoft Foundation Classes，微軟基礎(chǔ)類庫(kù)）架構(gòu)，可以對(duì)特殊姿態(tài)進(jìn)行3D可視化轉(zhuǎn)換與顯示，支持視頻回放功能、傳感器節(jié)點(diǎn)配置功能、數(shù)據(jù)修正功能與數(shù)據(jù)量化功能。endprint

數(shù)據(jù)傳導(dǎo)使用的是USB轉(zhuǎn)RS 232接口[4]，根據(jù)通信指令實(shí)現(xiàn)量化數(shù)據(jù)向目標(biāo)傳感器節(jié)點(diǎn)的傳導(dǎo)行為，通信指令結(jié)構(gòu)如表1所示。

視覺(jué)傳感器與微控制器的連接模式如圖2所示，通過(guò)串行外設(shè)接口相連，配置方便。微控制器型號(hào)為MSP5F2713，其工作電壓區(qū)間為[1.5 V，4.0 V]，工作頻率為0.8 MHz，功耗極低，內(nèi)存為10 KB，可隨意嵌入中斷源，配有64位顯示插件與加速度計(jì)，可獲取超清觀看體驗(yàn)。視覺(jué)傳感器型號(hào)為Sight5603，其制作工藝領(lǐng)先于行業(yè)其他產(chǎn)品，耐用性強(qiáng)、成本低，具有很優(yōu)秀的抗震性能，格外適合采集運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

1.1.2 數(shù)據(jù)濾波方法

民族體育教學(xué)中的特殊姿態(tài)校對(duì)視覺(jué)監(jiān)控平臺(tái)中的視覺(jué)監(jiān)控模塊需要為特殊姿態(tài)校對(duì)模塊提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，濾波過(guò)程非常重要。運(yùn)動(dòng)員特殊姿態(tài)的加速度信號(hào)[5]一般為[0 Hz，5 Hz]，故最適合采用的濾波方法是低通濾波。設(shè)服務(wù)器所選低通濾波器的頻率幅值特征為[H，]有：

[H=11+ΩΩp2N] （1）

式中：[Ω，][Ωp]分別表示通帶最大角度與最小角度的角頻率[6]；[N]表示低通濾波器的階數(shù)。設(shè)[αp，][α]分別是阻帶的最大與最小衰減量，則有：

[N=lg100.1α-1100.1αp-1lgΩΩp] （2）

如果[H]具有單調(diào)遞增性質(zhì)，那么當(dāng)[N→+∞]時(shí)，低通濾波器的濾波效果最好。所以需要選擇高階低通濾波器，其最佳參數(shù)為[N=3。]用函數(shù)[z]標(biāo)記視覺(jué)傳感器采集到的民族體育教學(xué)中的特殊姿態(tài)量化數(shù)據(jù)序列，將[N=3]代入式（1），并按照特殊姿態(tài)量化數(shù)據(jù)序列進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，目標(biāo)函數(shù)為：

[H（z）=n=03bnz-n1+k=13akz-k] （3）

式中：[bn，][ak]均為低通濾波因子，取值為：[b0=b3=0.01，][b1=b2=0.03；][a1=-2，][a2=1.45，][a3=-0.36。]

1.2 特殊姿態(tài)校對(duì)模塊設(shè)計(jì)

特殊姿態(tài)校對(duì)模塊的作用是通過(guò)對(duì)民族體育教學(xué)中特殊姿態(tài)量化數(shù)據(jù)進(jìn)行分層結(jié)算，判定姿態(tài)正確性，再將分層結(jié)算數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一特殊姿態(tài)統(tǒng)一校對(duì)。該模塊采用圖形顯示模式設(shè)計(jì)用戶操作頁(yè)面，利用Processing語(yǔ)言[7]建立GUI（Graphical User Interface，圖形用戶界面）。Processing語(yǔ)言是Java語(yǔ)言的擴(kuò)展，但在編程上要比Java語(yǔ)言更加簡(jiǎn)練，極具人性化與個(gè)性化。

GUI可以優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)算空間，將不易于人們理解的計(jì)算程序用圖例形式進(jìn)行展示[8]。當(dāng)特殊姿態(tài)校對(duì)模塊需要對(duì)某一運(yùn)動(dòng)員的特殊姿態(tài)進(jìn)行處理時(shí)，GUI將從特殊姿態(tài)量化數(shù)據(jù)中提取特殊姿態(tài)初始角，利用四元數(shù)結(jié)算方法完成特殊姿態(tài)初始角向四元數(shù)的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化，將運(yùn)動(dòng)員整個(gè)特殊姿態(tài)行為過(guò)程的四元數(shù)與初始角向四元數(shù)相乘，用所得結(jié)果重新定義特殊姿態(tài)四元數(shù)，再利用行為角速度將其轉(zhuǎn)化為歐拉角，通過(guò)歐拉角判定特殊姿態(tài)正確與否，如圖3所示。歐拉角判定規(guī)則如表2所示。

圖4是分層結(jié)算數(shù)據(jù)匯總流程圖，每個(gè)分層結(jié)算數(shù)據(jù)都需要通過(guò)磁場(chǎng)校對(duì)[9]、統(tǒng)一坐標(biāo)軸之后，才能將歐拉角匯總到一起進(jìn)行統(tǒng)一判定，判定規(guī)則參照表2，但也視具體情況而定，比如兩個(gè)特殊姿態(tài)之間的行為過(guò)度有可能不符合既定的人體工學(xué)，需要經(jīng)過(guò)日積月累的民族體育訓(xùn)練才能完成，對(duì)于這類特殊姿態(tài)的判斷可以適當(dāng)擴(kuò)大歐拉角取值范圍。完成數(shù)據(jù)匯總與統(tǒng)一判定后，特殊姿態(tài)校對(duì)模塊會(huì)在GUI的原圖像中標(biāo)記出需要進(jìn)行校對(duì)的姿態(tài)點(diǎn)，并輸出更新后的特殊姿態(tài)圖像作為民族體育教學(xué)指導(dǎo)檔案。

1.3 模塊連接設(shè)計(jì)

民族體育教學(xué)中的特殊姿態(tài)校對(duì)視覺(jué)監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行視覺(jué)監(jiān)控模塊與特殊姿態(tài)校對(duì)模塊的連接，使用的藍(lán)牙芯片為ST17H38，為一款超低能耗芯片，其能夠?qū)⒋型庠O(shè)接口信號(hào)轉(zhuǎn)化為USB信號(hào)，避免了復(fù)雜接線與通信數(shù)據(jù)格式不匹配的問(wèn)題[10]，轉(zhuǎn)化電路如圖5所示，轉(zhuǎn)化過(guò)程中支持接收線信號(hào)檢出與數(shù)據(jù)緩沖，可對(duì)轉(zhuǎn)化并傳導(dǎo)成功的數(shù)據(jù)進(jìn)行主動(dòng)清除，節(jié)省了大量空間。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

一個(gè)視覺(jué)監(jiān)控平臺(tái)的濾波效果可通過(guò)信噪比[S]與參考因子[R]進(jìn)行分析，函數(shù)關(guān)系式如下：

[S=10logi=0Iyi2i=0I-1xi-yi2] （4）

[R=i=0I-1（xi-x）（yi-y）i=0I-1（xi-x）2i=0I-1（yi-y）2] （5）

式中：[xi，][yi]是量化數(shù)據(jù)的橫、縱坐標(biāo)；[I]是數(shù)據(jù)量；[x，][y]是量化數(shù)據(jù)橫、縱坐標(biāo)的平均值。

在民族體育教學(xué)中，本文所設(shè)計(jì)的特殊姿態(tài)校對(duì)視覺(jué)監(jiān)控平臺(tái)使用的是高階低通濾波，除此之外，卡爾曼濾波與小波濾波也是比較常見(jiàn)的視覺(jué)數(shù)據(jù)濾波方法。通過(guò)變換本文平臺(tái)的濾波方法進(jìn)行一組民族體育教學(xué)中特殊姿態(tài)量化數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來(lái)源于某民族體育大學(xué)的訓(xùn)練視頻）的濾波任務(wù)，以上三種濾波方法的濾波效果如表3所示。分析表3中的數(shù)據(jù)可以得知，小波濾波的濾波效果最差，本文平臺(tái)原本使用的高階低通濾波方法最適合進(jìn)行動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)濾波，濾波效果最好。

本文平臺(tái)的監(jiān)控誤差一般在運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中發(fā)生，圖6、圖7分別是姿態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中本文平臺(tái)監(jiān)控到的仰俯角與航向角誤差，經(jīng)分析可得知，本文平臺(tái)的最大仰俯角誤差為1.2°，最大航向角誤差為0.8°，監(jiān)控誤差很小。

3 結(jié) 論

本文旨在設(shè)計(jì)一款成本低、處理模式簡(jiǎn)單的民族體育教學(xué)中的特殊姿態(tài)校對(duì)視覺(jué)監(jiān)控平臺(tái)。該平臺(tái)利用藍(lán)牙技術(shù)連接平臺(tái)重要模塊，減少了傳感網(wǎng)絡(luò)布線，使平臺(tái)更加適合應(yīng)用在體育教學(xué)中，其硬件結(jié)構(gòu)均具有體積小、質(zhì)量輕、可靠性高的特點(diǎn)，軟件結(jié)構(gòu)處理過(guò)程簡(jiǎn)潔且性能強(qiáng)，整體來(lái)講，本文平臺(tái)的應(yīng)用性能非常出色。

參考文獻(xiàn)endprint

[1] 于津豐，程為彬，蔡貝.姿態(tài)參數(shù)模擬解算電路的校正設(shè)計(jì)與測(cè)試[J].電子器件，2016，39（4）：946?950.

YU Jinfeng， CHENG Weibin， CAI Bei. Correction design and test of attitude parameters′ analog computation circuit [J]. Chinese journal of electron devices， 2016， 39（4）： 946?950.

[2] 周國(guó)龍.普通高校體育教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備綜合共享平臺(tái)設(shè)計(jì)研究[J].當(dāng)代體育科技，2016，6（1）：108?109.

ZHOU Guolong. Design and research on the comprehensive sharing platform of the experimental instruments and equipments in the physical education teaching in colleges and universities [J]. Contemporary sports technology， 2016， 6（1）： 108?109.

[3] 楊文沅，賀仁杰，耿西英智，等.面向區(qū)域目標(biāo)的敏捷衛(wèi)星非沿跡條帶劃分方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（22）：82?87.

YANG Wenyuan， HE Renjie， GENG Xiyingzhi， et al. Area target oriented non?along?with?track strip partitioning method for agile satellite [J]. Science technology and engineering， 2016， 16（22）： 82?87.

[4] 匡珍春，吳劉萍.基于物聯(lián)網(wǎng)園林視覺(jué)監(jiān)控方法研究與仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2016，33（4）：447?450.

KUANG Zhenchun， WU Liuping. Monitoring method based on IoT garden vision research and simulation [J]. Computer simulation， 2016， 33（4）： 447?450.

[5] 王博，吳鵬，阮芝芳，等.人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的校正對(duì)改良五禽戲增加骨效應(yīng)的研究探討[J].中國(guó)骨質(zhì)疏松雜志，2016，22（7）：864?867.

WANG Bo， WU Peng， RUAN Zhifang， et al. Study of the effect of exercise posture correction for the modified five?beast game on bone in human [J]. Chinese journal of osteoporosis， 2016， 22（7）： 864?867.

[6] HO E S L， CHAN J C P， CHAN D C K， et al. Improving posture classification accuracy for depth sensor?based human activity monitoring in smart environments [J]. Computer vision & image understanding， 2016， 148（C）： 97?110.

[7] 陳文青，王濤.基于行為視覺(jué)的行人摔倒自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（20）：87?91.

CHEN Wenqing， WANG Tao. Design of pedestrian tumble automatic detection system based on behavior vision [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（20）： 87?91.

[8] 彭孝東，張鐵民，李繼宇，等.基于傳感器校正與融合的農(nóng)用小型無(wú)人機(jī)姿態(tài)估計(jì)算法[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2015，41（4）：854?860.

PENG Xiaodong， ZHANG Tiemin， LI Jiyu， et al. attitude estimation algorithm of agricultural small?UAV based on sensors fusion and calibration [J]. Acta automatica sinica， 2015， 41（4）： 854?860.

[9] 張飛，李景富.基于智能視覺(jué)的高空?qǐng)D像搜集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，23（3）：939?941.

ZHANG Fei， LI Jingfu. Aerial image collecting system design and implementation based on intelligent vision [J]. Computer measurement & control， 2015， 23（3）： 939?941.

[10] 鄧國(guó)斌，沈萍.視覺(jué)物聯(lián)網(wǎng)下的農(nóng)業(yè)區(qū)域干旱自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技通報(bào)，2016，32（12）：105?109.

DENG Guobin， SHEN Ping. Design of agricultural drought and automatic control system under the vision of the Internet of Things [J]. Bulletin of science and technology， 2016， 32（12）： 105?109.endprint