基于数字处理的跑步数据处理方法技术

本发明专利技术涉及一种基于数字处理的跑步数据处理方法，包括：从跑步视频中检测出人体关键点，获得人体骨架，得到关键点的二维坐标，并得到一个完整的跑步周期T;根据关节点坐标，获得跑步时的步幅和躯干倾斜角度，分别与标准跑步姿势对比，得到其对膝关节的损伤指标。本发明专利技术对损伤程度进行量化，但不使用外部传感器等设备，也不需要获得反作用力的具体数值，只通过拍摄的跑步视频进行图像处理，获得跑步姿势对膝关节的损伤程度，并提出纠正建议，以降低跑步姿势不当带来的关节损伤。步姿势不当带来的关节损伤。

【技术实现步骤摘要】
基于数字处理的跑步数据处理方法


[0001]本专利技术涉及人工智能领域，具体涉及一种基于数字处理的跑步数据处理方法。

技术介绍

[0002]跑步由于简单易行，成为了大众主流健身方式，但大多数跑者对自身的跑步姿势没有正确认识，导致了大量因自身姿势不正引起的运动损伤。如果能对跑步者的运动姿势进行识别并分析，提出合理的改善建议，将能有效地降低因为跑步姿势不当带来的不必要损伤。而现阶段的跑步姿势多通过穿戴设备或专业者指导进行纠正，成本较高，且有很多不便之处。现有技术中判断着地方式对膝关节损伤程度的方法主要包括两类：一类是只给出着地方式对膝关节损伤程度的高低排序信息，如前脚掌着地方式损伤程度最低，脚跟着地方式次之，全脚掌着地方式的损伤程度最高这一信息，没有对损伤程度进行量化，不够具体客观；另一类是使用压力传感器设备，根据实验者跑步时的足底压力，得到不同着地方式中地面对人体的反作用力的具体数值，判断其对膝关节的损伤程度，成本太高，且不具有实时性，不适用于跑步机初跑步者。

技术实现思路

[0003]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术采用以下技术方案：一种基于数字处理的跑步数据处理方法，包括以下步骤：步骤一：从跑步视频中检测出人体关键点，获得人体骨架，得到关键点的二维坐标，并得到一个完整的跑步周期T;步骤二：根据关节点坐标，获得跑步时的步幅和躯干倾斜角度，分别与标准跑步姿势对比，得到其对膝关节的损伤指标;步骤三：基于不同着地方式对应的角度差异，根据反作用力方向量化着地方式对人的推动力或制约力；结合反作用力方向与小腿的夹角量化着地方式对小腿的冲击力，与标准跑姿对比，得到着地方式对膝关节的损伤指标;为步幅、躯干倾斜角度和着地方式的损伤指标设置对应权值，并根据跑步过程中的稳定性，并结合跑步时间，获得着地方式损伤指标的权值的损伤系数，获得该跑步姿势对膝关节的损伤程度;步骤四：基于该跑步姿势对膝关节的损伤程度，提出对姿势纠正的建议。
[0004]进一步，所述步骤三方法为：判断跑步者的着地方式：以右脚落地时刻脚尖的纵坐标和脚跟的纵坐标的高低作为判断依据;若，即脚尖纵坐标更低，则表示是前脚掌着地方式；若，即脚跟纵坐标更低，则表示是脚跟着地方式；若，即脚尖和脚跟的纵坐标一样，则表示是全脚掌着地方式;落地时人体对地面的压力大小不变，定义为;在配速为6分速的情况下，标准着地方式为前脚掌着地。
[0005]进一步，所述步骤三方法为:确定反作用力的方向：人体对地面的作用力方向和地面对人体的反作用力的方向在一条直线上，且与右脚尖和右脚跟相连的线段垂直，则该反作用力与竖直方向的夹角等于右脚尖和右脚跟相连的线段与水平线的夹角，计算方式如下：对于前脚掌着地方式，右脚跟比右脚尖更高，因此地面反作用力方向为斜向右上，即为右脚尖在竖直方向上投影点
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右脚尖
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右脚跟三点形成的夹角;对于脚跟着地方式，右脚尖比右脚跟更高，因此地面反作用力方向为斜向左上，即为右脚跟在竖直方向上投影点
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右脚尖
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右脚跟三点形成的夹角；其中为图像最右边像素点横坐标;对于全脚掌着地方式，右脚尖和右脚跟一样高，因此地面反作用力方向为垂直向上，即;对于同一个人，其前脚掌着地和脚跟着地中右脚和地面形成的夹角大小一样，即。
[0006]进一步，所述步骤三具体如下：通过分别计算不同着地方式的地面反作用力在水平方向上的分力，比较差异：前脚掌着地方式中反作用力对人体有一个推动力；脚跟着地方式中反作用力对人体有一个制动力；而全脚掌着地方式不考虑推动力和制动力;其中，推动力和制动力大小均为：;则不同着地方式与标准着地方式之间的差异为：若为脚跟着地方式，则和标准着地方式的差异为：；若为全脚掌着地方式，则和标准着地方式的差异为：进一步，所述步骤三优化过程具体为：获得落地时小腿的倾斜方向，即与竖直方向的夹角，则即为右膝在水平方向上的投影点
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右膝
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右脚腕三点形成的夹角;反作用力与小腿方向的夹角，则反作用力在小腿方向上对小腿的冲击力大小为;而夹角与落地方式有关：若为前脚掌着地，则;若为脚跟着地方式，则;若为全脚掌着地，则;因此不同着地方式与标准着地方式之间的差异为：若为脚跟着地方式，则和标准着地方式的差异为：；若为全脚掌着地方式，则和标准着地方式的差异为：;则不同着地方式与标准着地方式之间的差异指标为：;着地方式的损伤指标为：若该着地方式为前脚掌着地，则；若该着地方式为脚跟着地，则；若该着地方式为全脚掌着地，则。
[0007]本专利技术的有益效果是：本专利技术对损伤程度进行量化，但不使用外部传感器等设备，也不需要获得反作用
力的具体数值，只通过拍摄的跑步视频进行图像处理，获得跑步姿势对膝关节的损伤程度，并提出纠正建议，以降低跑步姿势不当带来的关节损伤。
具体实施方式
[0008]下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的描述。
[0009]本专利技术适用于初跑步人群，对于自身跑步姿势和标准跑步姿势没有正确的认知，更易损伤膝关节。因此，设定跑步机配速为6分速，并已知跑步者的身高H和腿长L，在跑步机右侧安置一个相机拍摄一段恒定速度跑步时的视频。相机对面的环境尽量简单，跑步视频中只包括一个跑步者，且跑步者需要穿较贴身的衣服，以减少对人体关节点判断的影响。
[0010]步骤一：从跑步视频中检测出人体关键点，获得人体骨架，得到关键点的二维坐标，并得到一个完整的跑步周期T。
[0011]本专利技术中要通过跑步姿势判断对膝关节的损伤程度，则需要得到跑步者的跑步姿势。因此要先对人体进行检测，得到人体关节点信息。
[0012]本专利技术采用关键点的形式，选用18个关键点对人体进行检测，包括人体的双脚脚腕、双脚脚尖、双脚脚跟、双膝、双胯、双肩、双肘、双手、头部和颈部。
[0013]人体关键点的检测网络为Encoder
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Decoder的结构，训练内容如下：1）数据集为相机拍摄的人体右侧跑步图像。
[0014]2）标签为18类关键点，人体的双脚脚腕、双脚脚尖、双脚脚跟、双膝、双胯、双肩、双肘、双手、头部和颈部。
[0015]3）标注过程为：每类关键点对应一个单通道，在该通道中，标记关键点对应像素的位置，而后采用高斯模糊，使标记点处形成关键点热斑。本专利技术使用了18类关键点，故标签图像共包含18个通道。
[0016]4）loss函数使用均方差损失函数。
[0017]得到关键点heatmap后，给18个关键点设置标号，分别为：头部、颈部、右肩、右肘、右手、左肩、左肘、左手、右胯、右膝、右脚腕、左胯、左膝、左脚腕、右脚尖、左脚尖、右脚跟、左脚跟。
[0018]将关键点按照一定的顺序连接得到人体骨架，连接规则为：1）连接头部
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颈部
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右肩
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右肘
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右手；2）连接颈部
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左肩
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左肘
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左手；3）连接颈部...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字处理的跑步数据处理方法，其特征在于，包括：步骤一：从跑步视频中检测出人体关键点，获得人体骨架，得到关键点的二维坐标，并得到一个完整的跑步周期T;步骤二：根据关节点坐标，获得跑步时的步幅和躯干倾斜角度，分别与标准跑步姿势对比，得到其对膝关节的损伤指标;步骤三：基于不同着地方式对应的角度差异，根据反作用力方向量化着地方式对人的推动力或制约力；结合反作用力方向与小腿的夹角量化着地方式对小腿的冲击力，与标准跑姿对比，得到着地方式对膝关节的损伤指标;为步幅、躯干倾斜角度和着地方式的损伤指标设置对应权值，并根据跑步过程中的稳定性，并结合跑步时间，获得着地方式损伤指标的权值的损伤系数，获得该跑步姿势对膝关节的损伤程度;步骤四：基于该跑步姿势对膝关节的损伤程度，提出对姿势纠正的建议；所述步骤三方法为：判断跑步者的着地方式：以右脚落地时刻脚尖的纵坐标和脚跟的纵坐标的高低作为判断依据;若，即脚尖纵坐标更低，则表示是前脚掌着地方式；若，即脚跟纵坐标更低，则表示是脚跟着地方式；若，即脚尖和脚跟的纵坐标一样，则表示是全脚掌着地方式;落地时人体对地面的压力大小不变，定义为;在配速为6分速的情况下，标准着地方式为前脚掌着地。2.根据权利要求1所述一种基于数字处理的跑步数据处理方法，其特征在于，所述步骤三方法为:确定反作用力的方向：人体对地面的作用力方向和地面对人体的反作用力的方向在一条直线上，且与右脚尖和右脚跟相连的线段垂直，则该反作用力与竖直方向的夹角等于右脚尖和右脚跟相连的线段与水平线的夹角，计算方式如下：对于前脚掌着地方式，右脚跟比右脚尖更高，因此地面反作用力方向为斜向右上，即为右脚尖在竖直方向上投影点
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右脚尖
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右脚跟三点形成的夹角;对于脚跟着地方式，右脚...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海涛，
申请(专利权)人：南通嘉蒂体育用品有限公司，
类型：发明
国别省市：