韋俊

（西安交通大學(xué)城市學(xué)院，陜西西安710000）

長期以往，人們對于人體自身生命的現(xiàn)象研究并沒有停止，其中的研究重點(diǎn)就是人體自身運(yùn)動研究分析和解釋。人體運(yùn)動任曦主要指的是利用某種方式實現(xiàn)人體運(yùn)動姿態(tài)的檢測及追蹤，從而得到人體運(yùn)動過程中的多種運(yùn)動參數(shù)，以此全面描述并且解釋人體運(yùn)動。在人們的對此方面進(jìn)行深入研究的過程中，其也逐漸成為了一門全新的學(xué)科，就是人體運(yùn)動生物力學(xué)[1]。此門學(xué)科主要是利用人體運(yùn)動解剖的生理特點(diǎn)，創(chuàng)建人體某部位的模型，使用多種測試手段對人體在運(yùn)動過程中的速度、位移、加速度、力等運(yùn)動方式進(jìn)行測量及分析，以此得到和人體相關(guān)的信息。運(yùn)動姿態(tài)識別指的是對指定區(qū)域中字條變化的識別，對物體運(yùn)動過程中的幅度急性檢測，一般利用儀器儀表定量化數(shù)值實現(xiàn)描述[2]。文中設(shè)計的基于藍(lán)牙4.0的人體運(yùn)動姿態(tài)收集和識別系統(tǒng)是以加速度傳感器為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計，其功耗較低，并且尺寸較小，價格成本理想，能夠利用主控及收集芯片實現(xiàn)運(yùn)動人員上肢信息的收集，利用對加速度傳感器收集進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，識別運(yùn)動人員上肢姿態(tài)的動作。

1 人體運(yùn)動姿態(tài)的識別研究

在模式識別領(lǐng)域不斷發(fā)展的過程中，傳感器也在不斷的朝著微型化及智能化的方向發(fā)展，以加速度傳感器為基礎(chǔ)的人體運(yùn)動姿態(tài)時識別研究不斷重視，部分研究人員實現(xiàn)圖像識別及語言識別等技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使其以加速度為基礎(chǔ)[3]，圖1為人體運(yùn)動姿態(tài)識別的過程。

圖1 人體運(yùn)動姿態(tài)識別的過程

通過圖1可以看出來，人體運(yùn)動姿態(tài)的識別過程為：首先利用數(shù)據(jù)收集的得到相關(guān)行為加速度的信號，之后對于這些信號進(jìn)行去燥、平滑及校正等數(shù)據(jù)預(yù)處理的操作，以此得到更加優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)，為特征的提取打下良好的基礎(chǔ)[4]。對于通過預(yù)處理加速度的數(shù)據(jù)實現(xiàn)物理特征和意義的分析，之后實現(xiàn)特征的提取，最后根據(jù)識別算法和實際需求收集全部或者某部分特點(diǎn)創(chuàng)建特征向量，最后將分類器作為姿態(tài)識別的主要部分，利用相應(yīng)的訓(xùn)練過程中對人體狀態(tài)識別有效分類模型進(jìn)行創(chuàng)建[5]。

2 運(yùn)動姿態(tài)收集及識別系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 運(yùn)動姿態(tài)收集和識別系統(tǒng)

運(yùn)動姿態(tài)收集和識別系統(tǒng)主要包括多個模塊構(gòu)成，比如姿態(tài)檢測單元、數(shù)據(jù)收集單元、數(shù)據(jù)處理單元、通信模塊等，此系統(tǒng)已經(jīng)是以現(xiàn)代加速度傳感器及慣性測量技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)人體運(yùn)動姿態(tài)信息收集和計算，從而得出輸出結(jié)果。利用運(yùn)動姿態(tài)檢測系統(tǒng)實現(xiàn)人體運(yùn)動姿態(tài)數(shù)據(jù)的收集之后處理，并且將其到計算機(jī)中傳輸，從而實現(xiàn)之后的處理和姿態(tài)運(yùn)動[6]。圖2為運(yùn)動姿態(tài)收集和識別系統(tǒng)的基本構(gòu)成。

圖2 運(yùn)動姿態(tài)收集和識別系統(tǒng)的基本構(gòu)成

2.2 姿態(tài)檢測模塊

姿態(tài)檢測屬于運(yùn)動姿態(tài)收集和識別系統(tǒng)功能中的主要組成部分，本文所設(shè)計的姿態(tài)檢測單元使用三軸磁阻傳感器，將傳感器檢測載體坐標(biāo)系各個軸加速度分量，通過磁阻傳感器對磁場在載體坐標(biāo)系統(tǒng)中各個軸的分量進(jìn)行檢測，通過信號放大電路到微處理器中輸送[7]。圖3為姿態(tài)檢測單元的結(jié)構(gòu)。

圖3 姿態(tài)檢測單元的結(jié)構(gòu)

姿態(tài)檢測單元和為空氣利用I2C總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，比如姿態(tài)檢測單元收集數(shù)據(jù)的讀入及微控制器控制命令的寫入，I2C總線是通過兩線式串行總線，其主要目的就是連接外圍設(shè)備和微控制器，其主要優(yōu)勢就是簡單并且有效，總線長度范圍較大，最高為25英尺，能夠支持40個組件通過最大傳輸速率同時的傳輸，其還能夠支持多主控，簡單來說就是能夠發(fā)送機(jī)接受的設(shè)備都能夠成為主總線[8]。

2.3 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)收集模塊屬于人體運(yùn)動姿態(tài)識別系統(tǒng)中的最底層，是得到人體運(yùn)動信息的主要途徑，此模塊通過集成收集裝置中加速度傳感器得到人體運(yùn)動過程中的加速度信號，并且將數(shù)據(jù)對終端進(jìn)行傳輸，所得到加速度數(shù)據(jù)質(zhì)量和識別系統(tǒng)性能具有密切的聯(lián)系。目前，并沒有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)收集平臺，并且標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)集也較少，所以就要設(shè)計能夠滿足自身需求的收集裝置[9]。圖4為數(shù)據(jù)收集平臺和硬件結(jié)構(gòu)。

在實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集器設(shè)計的過程中，一般會將加速度傳感器、數(shù)據(jù)存儲等模塊都在收集器中集成，之后利用某種數(shù)據(jù)傳輸方式使收集器存儲數(shù)據(jù)能夠到計算機(jī)設(shè)備和其他設(shè)備中進(jìn)行傳輸及處理。利用傳輸技術(shù)實現(xiàn)有線及無線傳輸?shù)膭澐?。在使用有線傳輸收集器的過程中，收集數(shù)據(jù)利用有線傳輸介質(zhì)到計算機(jī)設(shè)備中傳輸，其的可靠性比較高，但是人體佩戴舒適度并不高，并且使用范圍有所限制。為了能夠有效提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性及可靠性，部分研究人員將其到收集器中集成，從而能夠有效避免數(shù)據(jù)傳輸過程種數(shù)據(jù)的錯誤及丟失，提高了收集器設(shè)計的復(fù)雜程度，并且對于姿態(tài)識別算法實時性提出了較高的需求[10]。

圖4 數(shù)據(jù)收集平臺及硬件結(jié)構(gòu)

2.4 特征的收集

在收集原始加速度信號值或者利用預(yù)處理加速度信號值，雖然其能夠在人體姿態(tài)識別系統(tǒng)中使用，但是原始的加速度辛哈之中的人體運(yùn)動物理意義比較狹隘，識別率較低。在人體運(yùn)動姿態(tài)識別系統(tǒng)中，一般都是會對原始加速度信號值實現(xiàn)特征選擇和提取，并。目前，特征提取和選擇并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同系統(tǒng)識別行為及分類方法不同，所以使用的信號特征也不同，不同特征對于分類器識別效率的影響也會不同。一般通信信號的分析方式主要包括頻域分析、時域分析、時頻分析[11]，表1為使用較多的特征。

表1 常使用的特征列表

3 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

3.1 加速度傳感器

可以佩戴的設(shè)備傳感器的體積要小，并且成本和功耗要低，要求具有較高的靈敏度，所以可以使用微電子機(jī)械系統(tǒng)傳感器，其能夠保證數(shù)據(jù)傳輸過程中沒有遲延，并且還能夠連接磁力計，適應(yīng)于穿戴設(shè)備產(chǎn)品中開發(fā)使用，并且其具有較高的靈敏度。綜合考慮低成本、低功耗及頻段開放等3方面的因素，選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。通過藍(lán)牙4.0方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，從而能夠保證可穿戴設(shè)備在靜態(tài)工作時候能夠長時間使用，并且此芯片的價格比價便宜，便于量產(chǎn)和研究，藍(lán)牙4.0也具有開放性的頻段，所以能夠?qū)崿F(xiàn)主機(jī)及從機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸[12]，圖5為系統(tǒng)硬件的構(gòu)成。

3.2 姿態(tài)收集系統(tǒng)

姿態(tài)核心處理部分主要包括CC2451處理器作為核心創(chuàng)建下位機(jī)，主要包括從機(jī)與主機(jī)，從機(jī)中具有加速度收集芯片的集成。系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的發(fā)送主要包括：

1）將主機(jī)和從機(jī)打開，保證主機(jī)和從機(jī)相互攔截；

2）上位機(jī)下法收集指令對主機(jī)進(jìn)行發(fā)送，主機(jī)接收到指令之后對從機(jī)發(fā)送，以此收集數(shù)據(jù)。圖6為主機(jī)的運(yùn)行邏輯。

3）從機(jī)中的MPU加速度傳感器收集運(yùn)動過程中的三軸加速度信息和陀螺儀信息，從而得到人體上肢運(yùn)動過程中的運(yùn)動信息，并且從機(jī)對藍(lán)牙傳送實施數(shù)據(jù)[14]。

圖6 主機(jī)的運(yùn)行邏輯

在兩幀發(fā)送完整加速度計和陀螺儀數(shù)據(jù)之后主機(jī)接受從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，利用串口將數(shù)據(jù)到上位機(jī)中發(fā)送，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時收集，并且保存數(shù)據(jù)，直到上位機(jī)實現(xiàn)停止命令的發(fā)送，這個時候的從機(jī)和主機(jī)都會進(jìn)入到待機(jī)狀態(tài)。圖7為從機(jī)運(yùn)行過程中的邏輯。

圖7 從機(jī)運(yùn)行邏輯圖

3.3 上肢運(yùn)動姿態(tài)的數(shù)據(jù)收集

在上肢運(yùn)動，上肢在豎直軸、水平軸和縱軸3個方向都會具有加速度，利用SMP軟件編程將加速度值轉(zhuǎn)換成為角度信息，這個時候就能夠收集上肢空間中俯仰角、橫滾角和航偏角的信息。在人體運(yùn)動的時候因為運(yùn)動頻率和幅度都會出現(xiàn)不同的變化，所以這3個方向具有一定的差別，從而就要實現(xiàn)人體建模，圖8為人體的模型。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的過程中，要在上臂相同位置中佩戴收集儀器，之后將收集的數(shù)據(jù)根據(jù)相同的模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，為了能夠有效提高收集數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性，要想避免數(shù)據(jù)在收集過程中收集上肢觸碰的物體，從而產(chǎn)生較大的加速度，圖9為數(shù)據(jù)的收集界面。從機(jī)將收集的加速度和陀螺儀數(shù)據(jù)使用藍(lán)牙方式對主機(jī)進(jìn)行發(fā)送，主機(jī)在接收到數(shù)據(jù)之后利用串口發(fā)送計算機(jī)端數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理[15]。

圖8 人體的模型

圖9 數(shù)據(jù)的收集界面

4 系統(tǒng)的調(diào)試和結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)的調(diào)試

在創(chuàng)建系統(tǒng)硬件和軟件之后，就要設(shè)計調(diào)試方案測試系統(tǒng)整體的功能，本文研究系統(tǒng)主要包括硬件及軟件的代碼，其在調(diào)試過程中具有多種方法，并且也能夠使用多種工具。通過系統(tǒng)局部及整體調(diào)試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的漏洞并且完善。

在調(diào)試硬件過程中，首先創(chuàng)建具有VGA顯示器及SDRAM工程，使其能夠成為顯示器緩存，之后在顯示器中顯示，表示能夠?qū)D像顯示出來。在調(diào)試圖像收集、存儲和顯示之后，表示硬件系統(tǒng)中的各個模塊都能夠正常的工作。

在本文系統(tǒng)中，軟件的調(diào)試主要是利用編程實現(xiàn)驗證，其主要目的就是查看數(shù)據(jù)是否能夠正常的讀取，從而保證后續(xù)的處理精準(zhǔn)度。對圖片進(jìn)行水平掃描，輸出灰度256色，設(shè)置最大的高度及寬度都為112，輸出的類型為C語言，將圖像信息文件實現(xiàn)編程測試，對數(shù)據(jù)正確性進(jìn)行測試。由于圖像處理過程中具有多種算法，所以就要使用大量測試樣本實現(xiàn)對比分析算法，通過對比驗證之后，在Nios平臺中實現(xiàn)。在完成每部操作處理之后，對函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，以此在顯示屏中顯示處理的結(jié)果，從而對實時處理結(jié)果進(jìn)行查看[16]。

在調(diào)試硬件及軟件之后創(chuàng)建系統(tǒng)整體輸入，詳見圖10。

圖10 系統(tǒng)的整體實物

4.2 系統(tǒng)的測試

通過系統(tǒng)調(diào)試之后，系統(tǒng)攝像頭能夠?qū)崟r的實現(xiàn)目標(biāo)圖像的收集，并且在顯示器中顯示收集的圖像[17]。在運(yùn)行之后，系統(tǒng)模塊運(yùn)行正常，沒有其他異?，F(xiàn)象，表示系統(tǒng)設(shè)計正確。

5 結(jié)束語

文中實現(xiàn)了基于藍(lán)牙4.0的人體上肢運(yùn)動姿態(tài)收集及識別系統(tǒng)的設(shè)計，能夠利用姿態(tài)檢測單元得到人體上肢運(yùn)動姿態(tài)參數(shù)[18]，之后利用人體上肢運(yùn)動姿態(tài)系統(tǒng)得到運(yùn)動角度及位置，表示人體上肢運(yùn)動姿態(tài)變化的定量化描述。