楊文璐，李小瑞，夏斌

（上海海事大學(xué)信息工程學(xué)院，上海 201306）

0 引言

甩手療法又名“甩手功”，簡(jiǎn)稱(chēng)“甩手”，是一種簡(jiǎn)便易行的群眾性自主醫(yī)療體育運(yùn)動(dòng)[1]。科學(xué)研究表明，甩手運(yùn)動(dòng)其功效一方面體現(xiàn)在加快血液流向肢體末梢，打通經(jīng)絡(luò)，加快血液回流，促進(jìn)新陳代謝，增強(qiáng)機(jī)體對(duì)氧的攝錄，提高心肺功能[2]。此外，甩手運(yùn)動(dòng)對(duì)于肩周炎[3]、心血管疾病以及肱骨外傷[4,5]引起的上肢功能性障礙具有良好的康復(fù)輔助作用。故甩手運(yùn)動(dòng)的推廣對(duì)廣大群眾，尤其是中老年人的保健具有重要意義。

傳統(tǒng)的甩手療法主要通過(guò)視頻或書(shū)面文字等形式進(jìn)行傳播教學(xué)，且甩手療法動(dòng)作單一，需要長(zhǎng)時(shí)間堅(jiān)持，才能達(dá)到康復(fù)理療的效果。這些傳統(tǒng)訓(xùn)練方式存在著訓(xùn)練過(guò)程枯燥乏味、動(dòng)作規(guī)范性不夠等不足，在沒(méi)有監(jiān)督的情況下，用戶(hù)難以堅(jiān)持自主學(xué)習(xí)及獲得康復(fù)評(píng)價(jià)。近年來(lái)，隨著Kinect體感器[6]的問(wèn)世，眾多科研人員將該技術(shù)運(yùn)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在國(guó)外，Alessandro Scano等[7]人將Kinect體感器采集的上肢骨骼點(diǎn)數(shù)據(jù)與穿戴式設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Kinect采集數(shù)據(jù)的精度足以運(yùn)用于肢體康復(fù)評(píng)估領(lǐng)域；Chang[8]等人研發(fā)的Kinect康復(fù)系統(tǒng)，通過(guò)判斷患者關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置等數(shù)據(jù)，評(píng)估患者的運(yùn)動(dòng)是否達(dá)到了康復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)，17歲患有先天性腦癱的彼得和16歲患有肌肉萎縮的西里分別在該系統(tǒng)下進(jìn)行了基礎(chǔ)階段、干預(yù)階段的訓(xùn)練，通過(guò)這兩個(gè)階段的康復(fù)訓(xùn)練后，彼得和西里的運(yùn)動(dòng)功能得到了明顯的改善，證明了該研究系統(tǒng)的實(shí)用性。在國(guó)內(nèi)，劉亞瑞[8]等將Kinect運(yùn)用于手勢(shì)識(shí)別領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了5種手勢(shì)的識(shí)別，平均識(shí)別率高達(dá)95.2%。薛智宏[9]等研發(fā)了基于Kinect的原地太極拳輔助系統(tǒng)，利用Kinect進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使用動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法（DTW）對(duì)動(dòng)作進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶(hù)動(dòng)作的引導(dǎo)及評(píng)估功能。

鑒于此，本文考慮到傳統(tǒng)甩手療法的訓(xùn)練過(guò)程枯燥乏味、用戶(hù)動(dòng)作規(guī)范性不夠等不足之處，研發(fā)出一款基于Kinect骨骼跟蹤技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的甩手療法輔助訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)手臂功能進(jìn)行必要的評(píng)估，并通過(guò)Unity3D游戲引擎的動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)[13]制作出3D引導(dǎo)動(dòng)畫(huà)，引導(dǎo)人們進(jìn)行正確規(guī)范的甩手運(yùn)動(dòng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。首先，用戶(hù)進(jìn)入系統(tǒng)主界面后，選擇進(jìn)入評(píng)估場(chǎng)景或訓(xùn)練場(chǎng)景。以選擇進(jìn)入訓(xùn)練場(chǎng)景為例，用戶(hù)在系統(tǒng)的提示下，根據(jù)3D人物引導(dǎo)動(dòng)畫(huà)進(jìn)行訓(xùn)練，同時(shí)Kinect體感器實(shí)時(shí)采集人體25個(gè)骨骼點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并將三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相關(guān)關(guān)節(jié)點(diǎn)角度序列和距離序列。最后，對(duì)角度序列和距離序列進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，得出訓(xùn)練得分反饋給用戶(hù)，從而輔助用戶(hù)進(jìn)行正確高效的甩手訓(xùn)練。

圖1 系統(tǒng)流程圖

1.1 甩手療法動(dòng)作簡(jiǎn)介

甩手療法由來(lái)已久，同時(shí)吸取了中醫(yī)和“易筋經(jīng)”的某些理論，是一種科學(xué)化、大眾化的群體性保健體育活動(dòng)，曾風(fēng)靡于江浙滬一帶，著有《甩手三字訣》、《甩手十六決》等相關(guān)書(shū)籍[1]。甩手療法具體步驟和要點(diǎn)如下：

（1）雙腳與肩同寬，平行站立，呼吸自然，雙手向前伸直，肩膀放松；

（2）雙手往后來(lái)回甩動(dòng)，甩動(dòng)的時(shí)候肩膀放松，跟著節(jié)奏甩動(dòng)，無(wú)需太用力；

（3）每甩手5次，雙膝微蹲2次；

（4）循環(huán)（1）-（3）步驟，每次至少持續(xù) 30分鐘。

1.2 評(píng)估動(dòng)作的設(shè)定

根據(jù)甩手療法的動(dòng)作要領(lǐng)，可知主要運(yùn)用到人體上肢功能，故在進(jìn)行訓(xùn)練之前需對(duì)用戶(hù)的上肢功能進(jìn)行評(píng)估，以便后期觀察訓(xùn)練效果。根據(jù)手功能康復(fù)學(xué)[12]的建議，上肢功能的評(píng)估主要通過(guò)手臂外展、前屈、后伸和外展四個(gè)動(dòng)作，根據(jù)動(dòng)作的活動(dòng)范圍可以將上肢功能分為三個(gè)等級(jí)，即正常（沒(méi)有任何障礙）、基本（僅能滿(mǎn)足工作生活等方面需求）和不合格（無(wú)法滿(mǎn)足日常需求），具體活動(dòng)范圍如表1所示。本文通過(guò)對(duì)用戶(hù)上述四個(gè)動(dòng)作評(píng)估對(duì)用戶(hù)上肢功能進(jìn)行評(píng)估。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

表1 上肢功能活動(dòng)要求

首先解析Kinect2.0體感器采集到的用戶(hù)動(dòng)作數(shù)據(jù)，然后提取手臂運(yùn)動(dòng)特征，最后分別實(shí)現(xiàn)評(píng)估場(chǎng)景和訓(xùn)練場(chǎng)景的各項(xiàng)得分策略。

2.1 數(shù)據(jù)獲取

Kinect 2.0體感器是微軟于2014年6月推出的全新一代人機(jī)交互傳感器，該設(shè)備由彩色攝像頭、紅外投影機(jī)、深度傳感器等硬件構(gòu)成，不但可以獲取彩色圖像、深度圖像和輪廓圖像，還可以以30幀/秒實(shí)時(shí)獲取人體25個(gè)骨骼節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)[14]。

利用Kinect體感器獲取如圖2所示人體25個(gè)骨骼節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)流，每一幀共包括25個(gè)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖2 Kinect捕捉的人體25個(gè)骨骼節(jié)點(diǎn)

2.2 特征提取

整個(gè)評(píng)估訓(xùn)練過(guò)程中，主要以手臂前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)為主。描述手臂動(dòng)作時(shí)，由肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)特性決定的手臂空間位置對(duì)動(dòng)作的表達(dá)起關(guān)鍵性作用[9]。因此，本文主要研究并提取肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)角度特征。根據(jù)Kinect體感器獲取到的25個(gè)骨骼點(diǎn)坐標(biāo)信息對(duì)本文涉及到動(dòng)作特征描述的貢獻(xiàn)程度不同，初步篩選出如表2所示的5個(gè)骨骼節(jié)點(diǎn)，其作用主要包括兩個(gè)方面：（1）描述左右手臂運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；（2）確定人體相對(duì)于體感器的位置。

表2 特征骨骼節(jié)點(diǎn)及其作用

（1）描述手臂運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

將描述兩側(cè)手臂運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的4個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)其自由度不同分成兩類(lèi)：

①ElbowLeft、ElbowRight只能在一個(gè)二維平面上旋轉(zhuǎn)；

②ShoulderLeft、ShoulderRight可以在三維空間中旋轉(zhuǎn)。

對(duì)于只能在一個(gè)平面上旋轉(zhuǎn)的骨骼點(diǎn)，其角度范圍是0°～180°，可以通過(guò)計(jì)算2個(gè)向量的夾角來(lái)確定。以計(jì)算左肘關(guān)節(jié)點(diǎn)ElbowLeft角度為例，如圖3所示，選取HandLeft、ElbowLeft和ShoulderLeft三個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)，分別記其三維坐為A、B和C，肘關(guān)節(jié)角度記為?，則?的相關(guān)計(jì)算公式如下：

圖3 左肘角度計(jì)算

對(duì)于可以在三維空間中旋轉(zhuǎn)的骨骼點(diǎn)。以左肩關(guān)節(jié)點(diǎn)ShoulderLeft為例，當(dāng)手臂外展或者手臂前屈時(shí)，肩關(guān)節(jié)角度都是90°，若仍然使用計(jì)算向量夾角的方式提取其角度特征數(shù)據(jù)，則對(duì)于各個(gè)動(dòng)作的描述不具有唯一性。針對(duì)這一問(wèn)題，本文為了使角度特征數(shù)據(jù)能夠唯一描述各個(gè)動(dòng)作的狀態(tài)，對(duì)于手臂外展、手臂前屈、手臂后伸、手臂上舉4個(gè)動(dòng)作的不同特征，采用計(jì)算線(xiàn)面夾角的方式分別提取它們的角度特征數(shù)據(jù)。以上4個(gè)動(dòng)作肩關(guān)節(jié)特征角度如圖4所示，計(jì)算線(xiàn)面夾角的相關(guān)公式如下所示：

其中，A→和B→是對(duì)應(yīng)平面內(nèi)的兩個(gè)不共線(xiàn)的向量，n→為該平面的法向量，?為手臂與該平面的夾角。

圖4 肩關(guān)節(jié)角度特征提取

（2）確定人體位置

對(duì)于人體位置姿態(tài)，要保證用戶(hù)在訓(xùn)練過(guò)程中垂直站立在Kinect體感器正前方2至3米的位置。本研究以SpineMid骨骼節(jié)點(diǎn)的位置表示人體所處位置，假設(shè)以O(shè)表示體感器位置，A表示SpineMid點(diǎn)，則人體距離體感器距離可表示為：

2.3 評(píng)估得分策略

計(jì)算評(píng)估得分主要有三步：首先提取評(píng)估特征值，然后計(jì)算各個(gè)特征值得分，最后經(jīng)過(guò)加權(quán)平均計(jì)算最終評(píng)估得分。

提取評(píng)估特征值：評(píng)估得分旨在對(duì)用戶(hù)手臂評(píng)估動(dòng)作的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性以及協(xié)調(diào)性進(jìn)行反饋。其中，準(zhǔn)確性是指動(dòng)作角度是否達(dá)到要求，穩(wěn)定性是指用戶(hù)進(jìn)行動(dòng)作時(shí)能否堅(jiān)持一定時(shí)間，協(xié)調(diào)性是指用戶(hù)雙臂動(dòng)作是否一致。系統(tǒng)分別采集了用戶(hù)的4個(gè)評(píng)估動(dòng)作10秒鐘的特征角度數(shù)據(jù)序列，動(dòng)作的準(zhǔn)確性通過(guò)肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)能夠達(dá)到的最大角度和10秒時(shí)間的平均角度表達(dá)；穩(wěn)定性通過(guò)對(duì)應(yīng)角度10秒鐘角度序列的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)判定；協(xié)調(diào)性通過(guò)雙臂之間的夾角來(lái)描述。綜上所述，每個(gè)評(píng)估動(dòng)作涉及到的特征共13個(gè)，記為Pa={c0，c1，c2…c12}，其中 ci代表一種特征，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

計(jì)算各個(gè)特征值得分：對(duì)特征值集合Pa中的每一項(xiàng)特征值進(jìn)行百分制得分計(jì)算，本文使用閾值法求取得分，即參考表1中人體上肢活動(dòng)范圍情況，以滿(mǎn)足“正常活動(dòng)要求”的值為得分100分、以達(dá)到“基本活動(dòng)要求”的值為及格60分設(shè)定閾值，最終以同比例轉(zhuǎn)換的方式求取最后得分。記特征值獨(dú)立得分集合為Ps={d0，d1，d2…d12}，其中 di代表特征值變量 ci的得分，di值由公式（8）確定。

其中，i={0,1,2,…,12}，M表示表1中不同動(dòng)作對(duì)應(yīng)的“正?；顒?dòng)要求”值，N表示表1中不同動(dòng)作對(duì)應(yīng)的“基本活動(dòng)要求”值，D表示對(duì)應(yīng)動(dòng)作最小值。

計(jì)算最終評(píng)估得分：用戶(hù)完成評(píng)估后，需向用戶(hù)反饋?zhàn)罱K得分情況，其中包括用戶(hù)完成的4個(gè)動(dòng)作的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性三方面得分以及最終的加權(quán)得分。如表4所示，為最終得分展示內(nèi)容，其中Dij表示對(duì)應(yīng)項(xiàng)的分?jǐn)?shù)。以手臂外展為例，通過(guò)計(jì)算各個(gè)特征值得分，得到一個(gè)特征值獨(dú)立得分集合Ps={d0,d1,d2,…,d12}，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)不同di得分對(duì)于不同D0j分?jǐn)?shù)結(jié)果的貢獻(xiàn)度存在差異，本文通過(guò)計(jì)算加權(quán)平均數(shù)的方式得到D0j結(jié)果。以計(jì)算D00（左臂外展準(zhǔn)確性得分）為例，該項(xiàng)得分主要考察用戶(hù)左臂活動(dòng)角度能否達(dá)到健康人標(biāo)準(zhǔn)，故對(duì)該得分起到?jīng)Q定性作用的特征值為c0（左肩最大角度）、c1（左肩平均角度）、c3（左肘最大角度）和c4（左肘平均角度），經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)后，設(shè)置其權(quán)值集合為 W00={0.5,0.3,0,0.1，0.1,0,0,…,0}，記為

表3 特征值變量與對(duì)應(yīng)名稱(chēng)

表4 最終得分展示

3 系統(tǒng)演示與測(cè)試分析

3.1 系統(tǒng)演示

圖5 評(píng)估系統(tǒng)界面

如圖5（a）所示為評(píng)估系統(tǒng)場(chǎng)景效果圖，用戶(hù)進(jìn)入系統(tǒng)后，根據(jù)系統(tǒng)提示進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估測(cè)試，評(píng)估結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)彈出“評(píng)估報(bào)告”,該報(bào)告共包括評(píng)估得分和評(píng)估過(guò)程中詳細(xì)數(shù)據(jù)兩部分，如圖5（b）所示為評(píng)估得分部分，展示表3各項(xiàng)得分內(nèi)容，如圖5（c）所示為詳細(xì)數(shù)據(jù)部分，展示表4各項(xiàng)特征值數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)評(píng)分的普適性與準(zhǔn)確性，本次測(cè)試共分為2部分：

（1）普適性測(cè)試與分析

為測(cè)試評(píng)分算法與受試者無(wú)關(guān)性，即系統(tǒng)評(píng)分的普適性，征集了5名健康的志愿者，其中2名女性，3名男性，年齡均在24歲左右，在系統(tǒng)的提示下盡可能正確地完成評(píng)估測(cè)試，5名志愿者的各項(xiàng)得分?jǐn)?shù)據(jù)如圖6所示。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，5名志愿者各項(xiàng)分?jǐn)?shù)都集中在80至100分之間，達(dá)到了較高的標(biāo)準(zhǔn)，符合得分與數(shù)據(jù)的一致性。

圖6 志愿者標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作得分

（2）準(zhǔn)確性測(cè)試與分析

為測(cè)試評(píng)分算法對(duì)受試者動(dòng)作能夠準(zhǔn)確反饋，即系統(tǒng)評(píng)分準(zhǔn)確性，對(duì)5名志愿者進(jìn)行了第二次測(cè)試。在此次測(cè)試中，5名志愿者盡可能多地做出與系統(tǒng)要求不同的動(dòng)作，最終得分與其標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作得分對(duì)比如圖7所示。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，兩次不同的測(cè)試各項(xiàng)得分差距巨大，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作得分集中在較高水平，而亂做動(dòng)作得分極低，驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的靈敏性以及準(zhǔn)確性。

圖7 志愿者對(duì)比動(dòng)作得分?jǐn)?shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

本文以Unity游戲引擎為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，構(gòu)建了仿家居式評(píng)估訓(xùn)練場(chǎng)景，給予了康復(fù)訓(xùn)練游戲的代入感，吸引用戶(hù)自主完成手臂功能評(píng)估訓(xùn)練，擁有較強(qiáng)的趣味性。本文提出的特征提取算法與評(píng)估得分算法具有較高的普適性和準(zhǔn)確性，得分反饋可以引導(dǎo)用戶(hù)更好地按標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整正訓(xùn)練動(dòng)作，最終達(dá)到較好的康復(fù)訓(xùn)練效果。