一种适用于运动分析的动作事件窗截取方法技术

一种适用于运动分析的动作事件窗截取方法，它属于运动分析技术领域。本发明专利技术解决了现有研究方法存在的对动作事件窗截取的准确性差的问题。本发明专利技术以Teager算子为基础，外加高斯平滑滤波的能量函数，进一步推导了动作阈值参数的建模过程，确定了以能量峰值为调节依据的自适应阈值确定方案，并采用基于阈值的能量函数分割算法检测动作的起点和终点，实现了自适应的动作信号段截取方案，与现有方法相比，能够将各类有效动作事件窗截取的准确率提高15％以上。本发明专利技术可以应用于运动分析技术领域。

An action event window interception method for motion analysis

【技术实现步骤摘要】
一种适用于运动分析的动作事件窗截取方法
本专利技术属于运动分析
，具体涉及一种适用于运动分析的动作事件窗截取方法。
技术介绍
动作事件窗是针对目标动作持续过程的截取方式，它会定位动作的起始位置，并对整个动作状态下的数据进行完整的割取，窗口的两端分别对应真实动作的开始和结束状态。高自由度动作往往表现出一定的复杂性，因此精确的分割算法实现具备一定的难度，但是与此同时，动作事件窗提供了对目标研究动作最完整、最干净的表现，是最有利于分析动作特征的分割方式。在以往的研究中，一些实验者通过直接对传感器数据设定阈值实现了动作事件窗的截取方案，其实质只是简单判断设备是否随佩戴者脱离了静止状态，由于不需要对数据进行额外处理，这样的方法计算量很小，但是这样的方法存在的弊端是对动作事件窗截取的准确性差，只能应用于严格的实验室采集场景下得到的数据曲线。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决现有的研究方法存在的对动作事件窗截取的准确性差的问题。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种适用于运动分析的动作事件窗截取方法，该方法包括以下步骤：步骤一、分别利用加速度计和陀螺仪对人体的同一次动作进行数据采集，获得加速度计和陀螺仪在每个采样点处的输出值；根据加速度计和陀螺仪在每个采样点处的输出值，分别计算出加速度计和陀螺仪输出的能量序列；步骤二、分别对加速度计和陀螺仪输出的能量序列进行平滑处理，得到加速度计和陀螺仪输出的平滑能量函数；步骤三、分别计算出加速度计和陀螺仪的自适应能量阈值ath和ωth；步骤四、根据步骤三的自适应能量阈值ath和ωth确定出人体动作段的起点和终点，完成动作事件窗的截取。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出了一种适用于运动分析的动作事件窗截取方法，本专利技术以Teager算子为基础，外加高斯平滑滤波的能量函数，进一步推导了动作阈值参数的建模过程，确定了以能量峰值为调节依据的自适应阈值确定方案，并采用基于阈值的能量函数分割算法检测动作的起点和终点，实现了自适应的动作信号段截取方案，与现有方法相比，能够将各类有效动作事件窗截取的准确率提高15％以上。附图说明图1是本专利技术的一种适用于运动分析的动作事件窗截取方法的流程图；图2是对陀螺仪采集的数据的截取效果图；图3是对加速度计采集的数据的截取效果图；图4是采用平方差分能量方法对陀螺仪数据进行截取的效果图；图5是采用Teager能量方法对陀螺仪数据进行截取的效果图；图6是在不同窗口长度的取值下，对能量序列进行平滑处理的示意图；图7是对图6的局部放大图；图8是采用Teager能量方法对应的分位线示意图；图9为图8对应的能量分布直方图；图10是分位值Xr的变化曲线图；图11是分位值Xr的差分曲线图；图12是参考阈值与能量峰值的关系图。具体实施方式具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的一种适用于运动分析的动作事件窗截取方法，该方法包括以下步骤：步骤一、分别利用加速度计和陀螺仪对人体的同一次动作进行数据采集，获得加速度计和陀螺仪在每个采样点处的输出值；根据加速度计和陀螺仪在每个采样点处的输出值，分别计算出加速度计和陀螺仪输出的能量序列；步骤二、分别对加速度计和陀螺仪输出的能量序列进行平滑处理，得到加速度计和陀螺仪输出的平滑能量函数；步骤三、分别计算出加速度计和陀螺仪的自适应能量阈值ath和ωth；步骤四、根据步骤三的自适应能量阈值ath和ωth确定出人体动作段的起点和终点，完成动作事件窗的截取。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中的加速度计和陀螺仪输出的能量序列的表达式具体为：加速度计输出的能量序列的表达式为：其中：Eacc(k-1)代表加速度计在第k-1个采样点处的输出能量值，i＝x,y,z，ax(k)代表加速度计在x轴方向第k个采样点处的输出值，ay(k)代表加速度计在y轴方向第k个采样点处的输出值，az(k)代表加速度计在z轴方向第k个采样点处的输出值；k＝2,3,…,n-1，k表示第k个采样点，n表示采样点的个数；所述x轴、y轴和z轴是指空间直角坐标系下的x轴、y轴和z轴。陀螺仪输出的能量序列的表达式为：其中：Egyro(k-1)代表陀螺仪在第k-1个采样点处的输出能量值，ωx(k)代表陀螺仪在x轴方向第k个采样点处的输出值，ωy(k)代表陀螺仪在y轴方向第k个采样点处的输出值，ωz(k)代表陀螺仪在z轴方向第k个采样点处的输出值。ax(k+1)代表加速度计在x轴方向第k+1个采样点处的输出值，ay(k+1)代表加速度计在y轴方向第k+1个采样点处的输出值，az(k+1)代表加速度计在z轴方向第k+1个采样点处的输出值，ax(k-1)代表加速度计在x轴方向第k-1个采样点处的输出值，ay(k-1)代表加速度计在y轴方向第k-1个采样点处的输出值，az(k-1)代表加速度计在z轴方向第k-1个采样点处的输出值；ωx(k+1)代表陀螺仪在x轴方向第k+1个采样点处的输出值，ωy(k+1)代表陀螺仪在y轴方向第k+1个采样点处的输出值，ωz(k+1)代表陀螺仪在z轴方向第k+1个采样点处的输出值；ωx(k-1)代表陀螺仪在x轴方向第k-1个采样点处的输出值，ωy(k-1)代表陀螺仪在y轴方向第k-1个采样点处的输出值，ωz(k-1)代表陀螺仪在z轴方向第k-1个采样点处的输出值。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述步骤二的具体过程为：分别对加速度计和陀螺仪输出的能量序列进行平滑处理，平滑处理采用的方法为高斯滤波；设置滤波器的窗口长度为b，标准差参数为σ，则高斯核向量模板为：利用滑窗法实现卷积操作如下：将窗口内数据与高斯核向量模板做点积，得到加速度计和陀螺仪输出的平滑能量函数；加速度计和陀螺仪输出的平滑能量函数的表达式具体为：其中：Eacc(k)代表加速度计在第k个采样点处的输出能量值，yfilted(k)代表加速度计输出的平滑能量函数在第k个采样点处的能量值；Egyro(k)代表陀螺仪在第k个采样点处的输出能量值，y′filted(k)代表陀螺仪输出的平滑能量函数在第k个采样点处的能量值。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述步骤三的具体过程为：加速度计的自适应能量阈值ath的计算公式为：ath＝0.0267max[Eacc(k)]+19其中：Eacc(k)代表加速度计在第k个采样点处的输出能量值；陀螺仪的自适应能量阈值ωth的计算公式为：其中：Egyro(k)代表陀螺仪在第k个采样点处的输出能量值。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述步骤四的具体过程为：步骤四一、从加速度计输出的平滑能量函数的起点开始遍历，利用状态开关记录是否处于动作段，状态开关在加速度计输出的平滑能量函数的起点处默认置0；步骤四二、对于加速度计输出的平滑能量函数在第k个采样点处的能量值yfilted(k)，若yfilted(k)≥ath，则认为第k个采样点是加速度计信号动作状态的可能起点，将状态开关暂时置1；为了避免出现局部误判的问题，继续遍历考察第k个采样点后的采样点的能量值是否大于阈值；从第k个采样点开始，若在连续的N个采样点处，加速度计输出的平滑能量函数的能量值均大于等于ath，则确定第k个采样点是加速度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于运动分析的动作事件窗截取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、分别利用加速度计和陀螺仪对人体的同一次动作进行数据采集，获得加速度计和陀螺仪在每个采样点处的输出值；根据加速度计和陀螺仪在每个采样点处的输出值，分别计算出加速度计和陀螺仪输出的能量序列；步骤二、分别对加速度计和陀螺仪输出的能量序列进行平滑处理，得到加速度计和陀螺仪输出的平滑能量函数；步骤三、分别计算出加速度计和陀螺仪的自适应能量阈值ath和ωth；步骤四、根据步骤三的自适应能量阈值ath和ωth确定出人体动作段的起点和终点，完成动作事件窗的截取。

【技术特征摘要】
1.一种适用于运动分析的动作事件窗截取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、分别利用加速度计和陀螺仪对人体的同一次动作进行数据采集，获得加速度计和陀螺仪在每个采样点处的输出值；根据加速度计和陀螺仪在每个采样点处的输出值，分别计算出加速度计和陀螺仪输出的能量序列；步骤二、分别对加速度计和陀螺仪输出的能量序列进行平滑处理，得到加速度计和陀螺仪输出的平滑能量函数；步骤三、分别计算出加速度计和陀螺仪的自适应能量阈值ath和ωth；步骤四、根据步骤三的自适应能量阈值ath和ωth确定出人体动作段的起点和终点，完成动作事件窗的截取。2.根据权利要求1所述的一种适用于运动分析的动作事件窗截取方法，其特征在于，所述步骤一中的加速度计和陀螺仪输出的能量序列的表达式具体为：加速度计输出的能量序列的表达式为：其中：Eacc(k-1)代表加速度计在第k-1个采样点处的输出能量值，i＝x,y,z，ax(k)代表加速度计在x轴方向第k个采样点处的输出值，ay(k)代表加速度计在y轴方向第k个采样点处的输出值，az(k)代表加速度计在z轴方向第k个采样点处的输出值；k＝2,3,…,n-1，k表示第k个采样点，n表示采样点的个数；陀螺仪输出的能量序列的表达式为：其中：Egyro(k-1)代表陀螺仪在第k-1个采样点处的输出能量值，ωx(k)代表陀螺仪在x轴方向第k个采样点处的输出值，ωy(k)代表陀螺仪在y轴方向第k个采样点处的输出值，ωz(k)代表陀螺仪在z轴方向第k个采样点处的输出值。3.根据权利要求2所述的一种适用于运动分析的动作事件窗截取方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：分别对加速度计和陀螺仪输出的能量序列进行平滑处理，平滑处理采用的方法为高斯滤波；设置滤波器的窗口长度为b，标准差参数为σ，则高斯核向量模板为：其中：G-kernel(j)代表高斯核向量模板；将窗口内数据与高斯核向量模板做点积，得到加速度计和陀螺仪输出的平滑能量函数；加速度计和陀螺仪输出的平滑能量函数的表达式具体为：其中：Eacc(k)代表加速度计在第k个采样点处的输出能量值，yfilted(k)代表加速度计输出的平滑能量函数在第k个采样点处的能量值；Egyro(k)代表陀螺仪在第k个采样点处的输出能量值，y′filted(k)代表陀螺仪输出的平滑能量函数在第k个采样点处的能量值。4.根据权利要求3所述的一种适用于运动分析的动作事件窗截取方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：加速度计的自适应能量阈值ath的计算公式为：ath＝0.0267max[Eacc(k)]+19其中：Eacc(k)代表加速度计在第...

【专利技术属性】
技术研发人员：王奇，伊国兴，缪若琳，李缘熹，南熠，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23