1、收 稿 日 期:2022-08-01 基 金 项 目:陕 西 省 科 技 厅 面 上 项 目 基 于 虚 拟 条 件 下 高 尔 夫全 挥 杆 动 作 学 习 的 反 馈 控 制 以 及 技 能 迁 移 研 究(2022JM-138);西 安 翻 译 学 院 大 学 生 体 育 课 程 综 合 改 革 理 论 与 实 践 创新 研 究(XFU20KYTDC02)作 者 简 介:马 庆(1976-),男,甘 肃 章 县 人,研 究 生,副 教 授。通 讯 作 者:许 崇 高(1952-),男,山 东 荣 成 人,本 科,教 授。基 于 状 态 识 别 的 人 体 运 动 中 穿 戴 设 备 动
2、态 监 控 系 统马 庆,李 杰,王 远 超,许 崇 高(西 安 翻 译 学 院,西 安 710105)摘 要:针 对 运 动 动 作 采 集 与 识 别 的 需 求,提 出 一 种 基 于IMU 数 据 采 集 与SVM 的 动 作 识 别 的 可 穿 戴 动 态 监 控 系统。在 该 系 统 中,首 先 利 用IMU 采 集 运 动 数 据,然 后 对 数 据 进 行 平 滑 滤 波 处 理,以 消 除 噪 声 对 数 据 的 影 响,动 作 特 征的 提 取 将 利 用 动 作 分 割 算 法,动 作 的 识 别 采 用 支 持 向 量 机。结 果 证 明:SVM 算 法 在 经 过 特
3、 征 选 择 后,在 动 态 动 作、静态 动 作 以 及 全 部 动 作 的 识 别 率 上 达 到 了98.01%、99.23%、98.52%,整 体 识 别 效 果 好,证 明 了 基 于 状 态 识 别 的 可 穿 戴设 备 监 控 系 统 具 有 可 行 性。关 键 词:动 作 识 别;特 征 提 取;决 策 树;支 持 向 量 机 中 图 分 类 号:TP399 文 献 标 识 码:A DOI 编 码:10.14016/ki.1001-9227.2023.01.166D y n a m i c m o n i t o r i n g s y s t e m o f w e a r
4、a b l e d e v i c e s i n h u m a n m o t i o n b a s e d o n s t a t e r e c o g n i t i o nMA Qing,LI Jie,WANG Yuanchao,XU Chonggao(X i A n F a n y i U n i v e r s i t y,X i a n 7 1 0 1 0 5,C h i n a)A b s t r a c t:Aiming at the problem that vision based motion recognition system is greatly affec
5、ted by the environment,and the rapid development of wireless transmission technology has laid the foundation for wearable device based human motion rec-ognition system,a wearable device dynamic monitoring system based on state recognition is proposed.By placing IMU in the appropriate part of the bod
6、y,and then collecting the data output by the sensor during movement;Then the data is smoothed and filtered to eliminate the influence of external noise on the data;An action segmentation algorithm based on threshold is designed to extract useful action segments;Finally,support vector machine is used
7、 to recognize actions.The experimental re-sults show that the SVM algorithm has a good overall recognition effect after feature selection,which proves that the wearable device monitoring system based on state recognition is feasible.K e y w or d s:action recognition;feature extraction;decision tree;
8、support vector machine0 引 言近 年 来,人 体 动 作 识 别 技 术 被 广 泛 应 用 于 医 疗 健康、安 全 防 护 等 领 域。人 们 也 愈 加 重 视 健 康 问 题,因 此也 更 加 重 视 对 运 动 的 监 测,越 来 越 多 的 学 者 和 科 研 机 构对 此 进 行 了 大 量 研 究,下 面 是 一 些 学 者 的 研 究 结 论。朱相 华 等 梳 理 了 深 度 学 习 方 法 在 人 体 动 作 识 别 领 域 的 发展 情 况,从 视 频 预 处 理 和 网 络 结 构 改 进 两 个 方 面 介 绍 了人 体 动 作 识 别 研 究
9、 概 况,并 且 提 出 可 从 人 体 动 作 重 识 别和 小 样 本 学 习 等 方 面 不 断 进 行 改 进 和 创 新1;张 丽 丽 等利 用FMCW 雷 达 采 样 得 到 的 人 体 动 作 回 波 数 据,再 将 构建 出 的 特 征 图 进 行 融 合,融 合 后 的 特 征 经 过 卷 积 层 和 池化 层 后 增 加 两 个 全 连 接 层,计 算 得 出 更 深 层 次 的 特 征,在 输 出 层 得 到 动 作 识 别 结 果2;屈 乐 乐 等 在 考 虑 到 单 频段 雷 达 在 人 体 动 作 识 别 上 的 局 限 问 题,提 出 了 基 于 双 频段FMCW
10、 雷 达 多 维 特 征 融 合 识 别 方 法。实 验 结 果 证 明,该 方 法 从 不 同 维 度 中,对 特 征 进 行 提 取 和 融 合,提 高 了识 别 的 准 确 率,并 且 在 对 人 体 目 标 的 连 续 性 动 作 识 别中,也 提 高 了 其 实 用 性3。经 过 以 上 研 究,在 人 体 动 作识 别 上 取 得 了 非 常 不 错 的 成 果,但 基 于 视 觉 的 动 作 识 别系 统 会 受 到 外 界 环 境 的 干 扰,但 基 于 状 态 识 别 的 人 体 运动 中 穿 戴 设 备 的 方 法 受 外 界 影 响 较 小,成 本 价 格 也 较低,不
11、会 泄 露 隐 私,更 适 用 于 人 体 的 动 作 识 别。1 系 统 整 体 设 计 框 架系 统 整 体 框 架 如 图1 所 示。在 该 系 统 设 计 中,考 虑到 动 作 识 别 的 准 确 性,单 一 的 动 作 信 息 采 集 显 然 不 能 满足,因 此,采 用 多 传 感 器 对 动 作 数 据 采 集,包 括 加 速 度计、陀 螺 仪、磁 力 计、四 元 数、足 底 压 力 传 感 器 等4。通 过 图1 的 整 体 框 架 看 出,采 集 方 案 包 括 两 部 分,包 括 采 集 平 台 和 识 别 算 法。6 6 1 基 于 状 态 识 别 的 人 体 运 动 中
12、 穿 戴 设 备 动 态 监 控 系 统 马 庆,等图1 动 作 识 别 系 统 组 成2 数 据 采 集2.1 动 作 采 集 硬 件 方 案动 作 数 据 采 集 平 台 如 图2 所 示。图2 动 作 数 据 采 集 平 台动 作 信 息 的 感 知 选 择 的 压 力 传 感 器,应 具 备 便 捷、轻 薄 的 特 点。数 据 采 集 模 块 作 用 是 采 集 惯 性 数 据 和 足 底 压 力 数据 信 息,将 进 行 模 数 转 换,再 将 转 换 后 的 数 据 传 输 进 主模 块。数 据 的 采 集 传 输 由 微 处 理 器 负 责,以 保 证 数 据 的传 输 效 率,
13、减 小 计 算 量。无 线 传 输 模 块 包 含 无 线 传 输 装 置,将 底 层 数 据 信 息打 包 后 传 输 到 上 位 机 中。上 位 机 部 分 对 数 据 进 行 保 存、可 视 化 以 及 数 据 的 预处 理、分 割、滤 波 及 识 别 等。对 穿 戴 的 便 捷 度 进 行 考 虑,将 选 择MEMS 惯 性 传 感器,其 具 有 小 巧 轻 便 的 特 点。而 对 于 足 底 压 力 的 测 量,将 选 择 薄 膜 压 力 传 感 器,其 价 格 较 低、又 轻 薄,适 用 于 足底 压 力 测 量。在 进 行 动 作 数 据 采 集 时,首 先 将IMU 采 集 单
14、 元 放 置在 身 体 的 腰 部 盆 骨 采 集 部 位,然 后 对 运 动 时 传 感 器 采 集的 数 据 进 行 搜 集5。具 体 流 程 见 图3 所 示。图3 数 据 采 集 流 程2.2 软 件 系 统 部 分软 件 系 统 主 要 由 下 位 机 数 据 的 采 集、上 位 机 数 据 接收 和 处 理 两 部 分 构 成,上 位 机 与 下 位 机 之 间 的 传 输 通 过WiFi 进 行。软 件 功 能 如 图4 所 示6。图4 软 件 组 成 结 构下 位 机 数 据 采 集 程 序 流 程 为 图5 所 示。首 先 进 行初 始 化 处 理,初 始 化 对 象 为 主
15、 模 块 的 无 线 传 输 模 块、串口、时 钟 等;对 数 据 信 息 的 采 集,包 括IMU 数 据 和 足 底 压力 信 息。由 于 人 体 的 动 作 频 率 一 般 小 于20 Hz,因 此,传感 器 的 采 样 频 率 根 据 人 体 动 态 情 况 下 的 动 作 频 率 的 大小 确 定 为50 Hz;数 据 在 一 次 采 集 后,会 进 行 打 包 处 理,打 包 为 一 帧,一 帧 中 包 括 帧 头、帧 标 以 及 采 集 的 数 据 和校 验 值 等。打 包 处 理 后 的 数 据 通 过 串 口 传 输 到 主 模 块中;由 主 模 块 对 数 据 进 行 解
16、析,再 将 解 析 数 据 打 包 成 一帧,再 通 过 无 线 的 传 输 方 式 传 送 到PC 端7。图5 下 位 机 数 据 采 集 流 程上 位 机 的 流 程 如 图6 所 示。PC 端 在 接 收 到 数 据后,数 据 将 会 被 进 行 分 帧 处 理,再 去 经 过 校 验 程 序,对 数据 正 确 性 进 行 检 验,正 确 则 存 储,错 误 舍 弃,数 据 的 提 取再 依 据 数 据 帧 的 设 置 进 行 处 理8。7 6 1 自 动 化 与 仪 器 仪 表2023 年 第1 期(总 第279 期)图6 上 位 机 数 据 接 收 流 程2.3 动 作 识 别2.3
17、.1 数 据 预 处 理动 作 采 集 系 统 在 实 际 的 数 据 采 集 过 程 中,会 受 到 外部 环 境 的 影 响,使 采 集 的 信 息 里 会 混 入 噪 声。而 信 号 在产 生、传 输 等 过 程 中 会 由 于 噪 声 的 影 响 产 生 畸 变,使 数据 处 理 产 生 影 响,致 使 结 果 受 到 干 扰。因 此,首 先 将 对原 始 数 据 进 行 一 定 的 处 理,减 少 外 界 干 扰,受 最 终 采 集的 信 息 不 受 影 响。8。图7 为 实 验 者 在 进 行 上 楼 动 作时,其 中 一 个 轴 的 线 性 加 速 度 的 变 化 曲 线。曲 线
18、 在 初 始时,线 性 加 速 度 值 保 持 在0 左 右,加 速 度 值 在 开 始 动 作后,将 会 在0 值 上 下 变 化。在 动 作 采 集 过 程 中,噪 声 体 现 为 惯 性 传 感 器 本 身 具有 的 噪 声、抖 动 过 程 中 的 噪 声 以 及 器 件 本 身 存 在 的 噪声。由 于 人 的 动 作 频 率 一 般 情 况 下 小 于20 Hz,属 于 低频 信 号,因 此,高 频 信 号 被 认 为 噪 声,将 对 其 进 行 抑制9。图7 动 作 时 的 线 性 加 速 度 信 号移 动 平 均 滤 波 法 是 常 见 的 平 滑 滤 波 方 法 之 一。属于
19、低 通 滤 波 器,可 以 有 效 抑 制 高 频 信 号10。对 采 集 到 的动 作 序 列 进 行 假 设,假 设 为x=(x1,x2,xt)(1)进 行 滤 波 后 的 序 列 为y=(y1,y2,yt)(2)通 过 原 始 序 列 后,得 到 滤 波 序 列,为yn=xn+xn-1+xn-2+xn-NN(3)在 式(3)中 可 以 看 出,N 和 滤 波 之 间 的 关 联,N 值 影 响 平滑 效 果,其 值 越 大,平 滑 效 果 越 好11。图(8)为 不 同 N值 的 滤 波 效 果 对 比。数 据 选 用 上 楼 时 的 线 性 加 速 度 数据 中 的 一 维。对 滤 波 结 果 进 行 分 析,可 得。N 的 取 值 对滤 波 结 果 影 响 较 小,将 选 用8 个 点 的 滑 动 平 均 滤 波。整体 滤 波 效 果 如 图8 所 示。图8 移 动 平 均 滤 波 效 果图9 加 速 度 滤 波 效 果图10 陀 螺 仪 滤 波 效 果 8 6 1 基 于 状 态 识 别 的 人 体 运 动 中 穿 戴 设 备 动 态 监 控 系 统 马 庆,等
