CN114832349B - 元宇宙游泳教学辅助***及其使用方法 - Google Patents

元宇宙游泳教学辅助***及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种元宇宙游泳教学辅助***及其使用方法,包括数据采集设备、远程端和虚拟现实呈现设备;所述数据采集模块采集使用者训练过程中的人体数据;所述远程端对人体数据进行处理;所述虚拟现实呈现设备将处理后的人体数据呈现为可视化模型。本发明的元宇宙游泳教学辅助***可根据使用者喜好的游泳动作,设计训练项目,通过采集人体的运动信息,在元宇宙虚拟环境中构建出人体第三人称视角图,同时也提供相应的虚拟人物游泳标准动作,通过VR将信息可视化实时反馈给使用者,便于使用者更好的训练游泳;同时也会将训练数据进行记录和保存,便于使用者在完成训练后,进行查看。

Description

元宇宙游泳教学辅助***及其使用方法
技术领域
本发明涉及游泳教学设备的技术领域,具体地,涉及一种元宇宙游泳教学辅助***及其使用方法。
背景技术
传统的游泳训练主要依靠教练员的经验和肉眼判断。站在水池边,通过运动员的姿势、动作和水面姿势观察游泳的效果,效率比较低。
市场上相对先进的设备是使用一个摄像头来拍摄运动员的整个游泳过程,根据捕获的图像进行分析并重复,以提高训练效果。这种方法费时费力,缺乏高效的游泳图像,成像结果相对片面,仍受人工主观判断影响。
公开号为CN109821211A的中国发明专利文献公开了一种基于虚拟现实的游泳教学***,由头戴式设备、机械臂装置和主控装置组成,头戴式设备包括VR眼镜、与VR眼镜顶部固定的头罩、与VR眼镜背部固定的耳机以及通过旋钮活动固定在耳机上的面罩,面罩的内侧设有用于检测用户呼吸速率的气流传感器;机械臂装置包括底部支撑组件、固定在底部支撑组件上的腰撑组件、以及与所述腰撑组件固定连接的关节机械臂组件;关节机械臂组件中安装有传感器组件和电机;主控装置通过处理所述传感器组件检测到的数据来判断用户泳姿是否正确,并控制电机改变机械臂装置的活动阻力,用于模拟游泳状态的阻力。
针对上述中的相关技术,发明人认为现有的技术中针对游泳训练教学辅助的、能够有效采集游泳状态情况以及人体运动情况的硬件设备相对缺乏。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种元宇宙游泳教学辅助***及其使用方法。
根据本发明提供的一种元宇宙游泳教学辅助***,包括数据采集设备、远程端和虚拟现实呈现设备;
所述数据采集模块采集使用者训练过程中的人体数据;
所述远程端对人体数据进行处理;
所述虚拟现实呈现设备将处理后的人体数据呈现为可视化模型。
优选的,所述数据采集设备包括角度测量模块和人体肌肉电信号采集模块;
所述角度测量模块用于对人体关节角度和关节角速度进行采集,得到关节信息,并将关节信息传输给处理端;
所述人体肌肉电信号采集模块用于对人体发力肌肉进行肌肉电信号采集,得到肌电信号,并将肌电信号传输给处理端。
优选的,所述远程端包括计算机,所述计算机包括人体关节运动模型观测器模块和人体肌肉观测器模块;
所述人体关节运动模型观测器模块用于构建元宇宙的虚拟场景,并将记录的关节信息转化为人体在虚拟场景中关节的运动情况,得到包含关节运动情况的虚拟场景;
所述人体肌肉观测器模块用于将记录的肌电信号转化为人体在运动过程中的肌肉发力情况;
所述虚拟现实呈现设备将包含关节运动情况的虚拟场景和肌肉发力情况,形成人体虚拟模型。
优选的,所述远程端还包括信息库;
所述信息库储存有标准运动数据;
所述虚拟现实呈现设备将标准运动数据,形成标准运动模型。
优选的,所述标准运动数据包括标准游泳的发力情况;
所述计算机将肌肉发力情况和标准游泳的发力情况进行对比,得到对比结果和人体肌肉发力建议;
所述虚拟现实呈现设备呈现对比结果和人体肌肉发力建议,将对比结果和人体肌肉发力建议向使用者实时的进行反馈,提醒使用者游泳时肌肉的发力技巧。
优选的,所述计算机还包括存储模块;
所述存储模块存储有用于使用者训练用的元宇宙游泳教学辅助程序,并本地记录人体关节信息、肌电信号、肌肉发力情况、包含关节运动情况的虚拟场景和标准运动数据;
所述存储模块将本地记录的数据传输给信息库。
优选的,所述远程端包括电脑或者智能手机;
所述电脑或者智能手机访问信息库内储存的信息。
根据本发明提供的一种元宇宙游泳教学辅助***使用方法,包括如下步骤:
数据采集步骤:采集使用者训练过程中的人体数据;
处理步骤:对人体数据进行处理;
虚拟现实呈现步骤:将处理后的人体数据呈现为可视化模型。
优选的,所述数据采集步骤包括如下步骤:
角度测量步骤:对人体关节角度和关节角速度进行采集,得到关节信息,并将关节信息传输给处理端;
人体肌肉电信号采集步骤:对人体发力肌肉进行肌肉电信号采集,得到肌电信号,并将肌电信号传输给处理端。
优选的,所述处理步骤包括如下步骤:
人体关节运动模型观测步骤:构建元宇宙的虚拟场景,并将记录的关节信息转化为人体在虚拟场景中关节的运动情况,得到包含关节运动情况的虚拟场景;
人体肌肉观测步骤:将记录的肌电信号转化为人体在运动过程中的肌肉发力情况;
在所述虚拟现实呈现步骤中,将包含关节运动情况的虚拟场景和肌肉发力情况,形成人体虚拟模型。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
1、本发明的元宇宙游泳教学辅助***可根据使用者喜好的游泳动作,设计训练项目,通过采集人体的运动信息,在元宇宙虚拟环境中构建出人体第三人称视角图,同时也提供相应的虚拟人物游泳标准动作,通过VR将信息可视化实时反馈给使用者,便于使用者更好的训练游泳;
2、本发明同时也会将训练数据进行记录和保存,便于使用者在完成训练后,进行查看;
3、本发明实现了对人体虚拟模型的实时拟合,并反馈给用户,建立了互信机制,大大提高了元宇宙游泳教学辅助***的实用性和交互性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明用于元宇宙游泳教学辅助***的结构示意图;
图2为本发明用于元宇宙游泳教学辅助***的人体虚拟模型构建示意图;
图3为本发明用于元宇宙游泳教学辅助***的VR可视化内容示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例公开了一种元宇宙游泳教学辅助***,如图1和图2所示,包括数据采集设备、远程端、虚拟现实呈现设备和数据传输模块。数据采集模块采集使用者训练过程中的人体数据。远程端对人体数据进行处理。虚拟现实呈现设备将处理后的人体数据呈现为可视化模型。
数据采集设备包括角度测量模块(角度测量传感器)和人体肌肉电信号采集模块(肌肉电信号采集器)。
角度测量模块用于对人体关节角度和关节角速度进行采集,得到关节信息,并将关节信息传输给处理端。该模块用于对人体的主要关节的角度以及角速度进行采集,并将采集到的信息传输到计算机中。
人体肌肉电信号采集模块用于对人体发力肌肉进行肌肉电信号采集,得到肌电信号,并将肌电信号传输给处理端。该模块用于对人体的主要发力肌肉进行肌肉电信号采集,并将采集的信息传输到计算机中。
角度测量模块和人体肌肉电信号采集模块共同构成穿戴式多模态传感网络,可以获取人体进行游泳运动时的肌电信号、以及人体主要关节角度、角速度,从而构建人体水下体域网,获得全方位人体运动信息。
远程端包括计算机、信息库、电脑及智能手机。
计算机包括人体关节运动模型观测器模块、人体肌肉观测器模块、预处理模块和存储模块。
人体关节运动模型观测器模块用于构建元宇宙的虚拟场景,并将记录的关节信息转化为人体在虚拟场景中关节的运动情况,得到包含关节运动情况的虚拟场景。该模块用于将角度测量模块获取的人体主要关节角度以及角速度转化为人体在虚拟环境中关节的运动,构建元宇宙的虚拟场景。元宇宙虚拟场景,将现实中人体的运动情况转化为在虚拟环境中人体的运动情况,便于使用者观察自己。
人体肌肉观测器模块用于将记录的肌电信号转化为人体在运动过程中的肌肉发力情况。该模块用于将人体肌肉电信号采集模块采集的人体主要发力肌肉进行肌肉电信号转化为人体在运动过程中肌肉发力情况。
存储模块存储有用于使用者训练用的元宇宙游泳教学辅助程序,并本地记录预处理后的人体关节信息、预处理后的肌电信号、肌肉发力情况、包含关节运动情况的虚拟场景和标准运动数据。
计算机内置存储模块,该存储模块用于存储元宇宙游泳教学辅助程序,并且满足本地记录使用者游泳过程中的数据,也具备将本地记录的数据,通过无线或有线方式进行通讯。
预处理模块(角度数据预处理模块和肌电数据预处理模块):对采集的信息进行预处理,其过程包括:对所述肌电信号进行去噪处理,并对其进行特征量提取(如RMS),对所述关节各角度值、角速度值及力矩进行平滑处理。当然现有技术中所采用的所有平滑处理的方式均可以采用,并没有具体限制,比如常用的平滑滤波处理、卡尔曼滤波处理。RMS表示均方根,是一种对数据进行特征量处理的方法(将R0个项的平方和除以R0后开平方的结果,即均方根的结果)。
对于输入的肌电信号x(n),其中n为采样点,对肌电信号x(n)进行RMS特征量提取获得x0(n),x0(n)对x(n)的RMS处理采样个数为R0,可以根据实际情况进行调整,R0通常取50。x0(n)为10ms一帧,即采样率为100HZ。x0(n)与x(n)关系如下:
Figure BDA0003646432180000051
其中,i=n-R0+1,n为采样点,R0为采样个数,i表示为采样起始点,从i到n,一共R0个点。
虚拟现实呈现设备(VR模块)将包含关节运动情况的虚拟场景和肌肉发力情况,形成人体虚拟模型。VR模块与计算机实现信号传输,VR模块通过接受到计算机传输的元宇宙虚拟场景的图像信息,在VR模块的显示视野内形成特定的图像。
信息库储存有标准运动数据。虚拟现实呈现设备将标准运动数据,形成标准运动模型。标准运动数据包括标准游泳的发力情况。
计算机将肌肉发力情况和标准游泳的发力情况进行对比,得到对比结果和人体肌肉发力建议。此过程可以在计算机的人体肌肉观测器或者存储模块中实现。
虚拟现实呈现设备呈现对比结果和人体肌肉发力建议,将对比结果和人体肌肉发力建议向使用者实时的进行反馈,提醒使用者游泳时肌肉的发力技巧。人体肌肉发力建议在VR中显示,通过人体肌肉观测器模块可以获得人体肌肉实际发力情况并与标准运动数据进行对比,然后提供发力建议,最终由VR将建议反馈给使用者。
远程信息库,其中计算机与远程信息库通讯连接,在使用者在使用用于元宇宙游泳教学辅助***时,计算机调取远程信息库的数据纪录集合,同时也将标准的游泳动作数据也传输到VR模块中;在使用者完成元宇宙游泳教学辅助***使用后,计算机将本次使用纪录传递给远程信息库,远程信息库更新数据纪录集合。
存储模块将本地记录的数据传输给信息库。
电脑或者智能手机访问信息库内储存的信息。
数据传输模块,数据传输模块将穿戴式多模态传感网络获取的人体运动信息通过有线或无线传输提交到计算机,计算机通过分析记录重要信息,传输到远程信息库中留存。
本发明实施例还公开了一种元宇宙游泳教学辅助***使用方法,如图2和图3所示,包括如下步骤:
数据采集步骤:采集使用者训练过程中的人体数据。
数据采集步骤包括如下步骤:角度测量步骤:对人体关节角度和关节角速度进行采集,得到关节信息,并将关节信息传输给处理端。人体肌肉电信号采集步骤:对人体发力肌肉进行肌肉电信号采集,得到肌电信号,并将肌电信号传输给处理端。
处理步骤:对人体数据进行处理。
处理步骤包括如下步骤:人体关节运动模型观测步骤:构建元宇宙的虚拟场景,并将记录的关节信息转化为人体在虚拟场景中关节的运动情况,得到包含关节运动情况的虚拟场景。人体肌肉观测步骤:将记录的肌电信号转化为人体在运动过程中的肌肉发力情况。
虚拟现实呈现步骤:将处理后的人体数据呈现为可视化模型。将包含关节运动情况的虚拟场景和肌肉发力情况,形成人体虚拟模型。
本发明实施例还公开了一种元宇宙游泳教学辅助***的使用方法,如图2和图3所示,包括如下步骤:
步骤1:将VR模块佩戴在使用者身上。
步骤2:将角度测量模块佩戴在使用者身上。
步骤3:将人体肌肉电信号采集模块佩戴在使用者身上,开启计算机进行自检,并进行准备工作;
步骤4:使用计算机,调用存储模块测试游泳训练程序(元宇宙游泳教学辅助程序)。通过计算机向VR设备发送图像信息,在VR模块的显示视野内划分三个水平的信息区域,在不同信息区域内形成特定的图像,在使用者根据特定图像获取信息。
第一块信息区域内容为,通过穿戴式多模态传感网络获取的人体运动信息,将获取的信息代入人体关节运动模型观测器模块和人体肌肉观测器模块中,得到人体在元宇宙下的第三人称视角模型,即人体虚拟模型,可以更加直观的反馈给使用者自己四肢的运动状况,以进行调整和修正。
第二块信息区域内容为,通过人体肌肉观测器模块,计算机可以分析出人体肌肉的发力情况,将发力情况与远程信息库传输的标准游泳的发力情况进行比对,通过VR模块向使用者实时的进行反馈,提醒使用者游泳时肌肉的发力技巧,进行更好的训练。
第三块信息区域内容为,计算机将穿戴式多模态传感网络获取的人体运动信息通过有线或无线传输到远程信息库中,远程信息库将匹配的标准游泳元宇宙第三人称视角模型,可以让使用者更好的模仿标准游泳的姿势,从而达到训练游泳的效果。
在使用者进行训练的过程中,计算机将采集的信息传输到远程信息库,当使用者完成训练或暂停训练后,使用者可以通过电脑或智能手机访问远程信息库,可视化的了解与分析自己在训练过程中的运动情况。
使用者根据游泳训练程序进行训练,在训练的过程中,角度测量模块用于对人体的主要关节的角度以及角速度进行采集,人体肌肉电信号采集模块用于对人体的主要发力肌肉进行肌肉电信号采集。
数据传输模块将获取的人体运动信息(关节角度、关节角速度、肌肉电信号)分别通过有线或无线传输提交到角度数据预处理模块和肌电数据预处理模块。
角度数据预处理模块对关节角度和关节角速度进行预处理。
肌电数据预处理模块对肌肉电信号进行预处理。
存储模块存储预处理后的关节角度、关节角速度和肌电信号,并将预处理后的这些信息发送给人体关节运动模型观测器模块和人体肌肉观测器模块。
人体关节运动模型观测器模块用于将预处理的人体主要关节角度以及角速度转化为人体在虚拟环境中关节的运动,构建元宇宙的虚拟场景。
人体肌肉观测器模块将预处理后的人体主要发力肌肉进行肌肉电信号转化为人体在运动过程中肌肉发力情况。
存储模块存储包含关节运动情况的虚拟场景和人体在运动过程中肌肉发力情况,并将这些信息发送给VR模块或者信息库。
远程信息库将包含关节运动情况的虚拟场景和人体在运动过程中肌肉发力情况保存到数据记录集合。
存储模块调取远程信息库的数据纪录集合,同时也将标准的游泳动作数据也传输到VR模块中,或者调取标准游泳动作数据中的肌肉发力情况。
VR模块接收关节运动情况的虚拟场景和人体在运动过程中肌肉发力情况,形成并显示人体虚拟模型。接收标准的游泳动作数据,形成并显示标准动作模型。
人体肌肉观测器或者存储模块将人体肌肉发力情况和标准游泳动作数据中的肌肉发力情况进行比对。
VR模块向使用者实时的进行反馈,提醒使用者游泳时肌肉的发力技巧,进行更好的训练。
电脑或者智能手机可以访问远程信息库中的信息。
信息库中的信息包括预处理后的人体关节信息、预处理后的肌电信号、肌肉发力情况、包含关节运动情况的虚拟场景(可随时间轴进行拖动观察)、对比结果、人体肌肉发力建议和标准运动数据(包含标准关节运动情况的虚拟场景和标准肌肉发力情况),且这些信息保存在数据记录集合中。
本发明实施例还公开了一种存储介质(计算机可读存储介质),存储有计算机程序,所述计算机程序控制执行元宇宙游泳教学辅助***或者元宇宙游泳教学辅助***使用方法,且程序执行时实现元宇宙游泳教学辅助***使用方法的步骤。。
本发明实施例还公开了一种电子设备,包括存储器、处理器和计算机指令;所述计算机指令存储在存储器上,并在处理器上运行;所述计算机指令被处理器运行时,控制执行元宇宙游泳教学辅助***或者元宇宙游泳教学辅助***使用方法,且程序执行时实现元宇宙游泳教学辅助***使用方法的步骤。
元宇宙游泳教学辅助***包括计算机、角度测量模块(角度测量传感器)、人体肌肉电信号采集模块(肌肉电信号采集器)、人体关节运动模型观测器模块、人体肌肉观测器模块、VR模块、远程信息库和数据传输模块,是一种用于纠正学习者错误动作以及提升游泳能力的元宇宙游泳教学辅助***。本发明的一种元宇宙游泳教学辅助***,包括如下步骤:获取人体主要关节的角度以及角速度;获取人体主要肌肉的电信号;将获取的肌肉电信号代入人体肌肉观测器中,获取人体在运动实时过程中肌肉发力情况;将获取的关节角度和角速度代入人体关节运动模型观测器的动态方程中,获取人体在虚拟环境中关节的运动情况;将虚拟环境中的关节运动情况以及肌肉发力情况通过VR/AR形式,实时反馈给用户,便于用户观测自己身体的运动情况,更好的调整自己的动作,以此达到辅助教学的目的。通过获取人体主要关节的角度信息,从而对人体虚拟模型进行准确拟合,并将建模可视化实时反馈给用户,达到结合用户终端构建元宇宙交互的功能。本***实现了对人体虚拟模型的实时拟合,并反馈给用户,建立了互信机制,大大提高了元宇宙游泳教学辅助***的实用性和交互性。
本领域技术人员知道,除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***及其各个装置、模块、单元以外,完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以,本发明提供的***及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件,而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构;也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改,这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下,本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种元宇宙游泳教学辅助***,其特征在于,包括数据采集设备、远程端和虚拟现实呈现设备;
所述数据采集设备采集使用者训练过程中的人体数据;
所述远程端对人体数据进行处理;
所述虚拟现实呈现设备将处理后的人体数据呈现为可视化模型;
所述数据采集设备包括角度测量模块和人体肌肉电信号采集模块;
所述角度测量模块用于对人体关节角度和关节角速度进行采集,得到关节信息,并将关节信息传输给处理端;
所述人体肌肉电信号采集模块用于对人体发力肌肉进行肌肉电信号采集,得到肌电信号,并将肌电信号传输给处理端;
所述远程端包括计算机,所述计算机包括人体关节运动模型观测器模块和人体肌肉观测器模块;
所述人体关节运动模型观测器模块用于构建元宇宙的虚拟场景,并将记录的关节信息转化为人体在虚拟场景中关节的运动情况,得到包含关节运动情况的虚拟场景;
所述人体肌肉观测器模块用于将记录的肌电信号转化为人体在运动过程中的肌肉发力情况;
所述虚拟现实呈现设备将包含关节运动情况的虚拟场景和肌肉发力情况,形成人体虚拟模型。
2.根据权利要求1所述的元宇宙游泳教学辅助***,其特征在于,所述远程端还包括信息库;
所述信息库储存有标准运动数据;
所述虚拟现实呈现设备将标准运动数据,形成标准运动模型。
3.根据权利要求2所述的元宇宙游泳教学辅助***,其特征在于,所述标准运动数据包括标准游泳的发力情况;
所述计算机将肌肉发力情况和标准游泳的发力情况进行对比,得到对比结果和人体肌肉发力建议;
所述虚拟现实呈现设备呈现对比结果和人体肌肉发力建议,将对比结果和人体肌肉发力建议向使用者实时的进行反馈,提醒使用者游泳时肌肉的发力技巧。
4.根据权利要求2所述的元宇宙游泳教学辅助***,其特征在于,所述计算机还包括存储模块;
所述存储模块存储有用于使用者训练用的元宇宙游泳教学辅助程序,并本地记录人体关节信息、肌电信号、肌肉发力情况、包含关节运动情况的虚拟场景和标准运动数据;
所述存储模块将本地记录的数据传输给信息库。
5.根据权利要求4所述的元宇宙游泳教学辅助***,其特征在于,所述远程端包括电脑或者智能手机;
所述电脑或者智能手机访问信息库内储存的信息。
6.一种元宇宙游泳教学辅助***使用方法,其特征在于,应用权利要求1-5任一所述的元宇宙游泳教学辅助***,包括如下步骤:
数据采集步骤:采集使用者训练过程中的人体数据;
处理步骤:对人体数据进行处理;
虚拟现实呈现步骤:将处理后的人体数据呈现为可视化模型。
7.根据权利要求6所述的元宇宙游泳教学辅助***使用方法,其特征在于,所述数据采集步骤包括如下步骤:
角度测量步骤:对人体关节角度和关节角速度进行采集,得到关节信息,并将关节信息传输给处理端;
人体肌肉电信号采集步骤:对人体发力肌肉进行肌肉电信号采集,得到肌电信号,并将肌电信号传输给处理端。
8.根据权利要求7所述的元宇宙游泳教学辅助***使用方法,其特征在于,所述处理步骤包括如下步骤:
人体关节运动模型观测步骤:构建元宇宙的虚拟场景,并将记录的关节信息转化为人体在虚拟场景中关节的运动情况,得到包含关节运动情况的虚拟场景;
人体肌肉观测步骤:将记录的肌电信号转化为人体在运动过程中的肌肉发力情况;
在所述虚拟现实呈现步骤中,将包含关节运动情况的虚拟场景和肌肉发力情况,形成人体虚拟模型。
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