一种根据髋关节动态调整泳姿的方法

1.本发明涉及体育科学技术领域，具体而言，涉及一种根据髋关节动态调整泳姿的方法。


背景技术：

2.游泳是一项生活中以及竞技比赛中常见的体育运动，普通人在游泳时，为了提高游泳的速度，往往注重的是手部动作或者腿部动作的衔接、击水力度或者速率，这其实是普通人对于游泳的一个误区，由于普通人对于专业的游泳技巧并没有深入研究，所以会很容易忽略髋关节对游泳速度的重要性，下半身如果只是单纯通过小腿或者大腿发力击水，走水效果其实都是有限的。如果可以将髋部与腿部进行配合，此时就可以调动臀大肌的力量，使得整体游泳的速度能有突飞猛进的成长。无论是哪一种泳姿，髋部位置的稳定是非常重要的。比如蛙泳时，若能始终保持髋部位置稳定，就能保持腿部动作与手部动作的最好结合，大大降低蛙泳在水阻方面的无谓体能消耗。再比如说自由泳时，若能始终保持髋部稳定，就能维持臀部处于较高位置，更接近于水面，游起来就很轻松，而且更利于臀部发力带动鞭腿，取得更好的走水效果。髋部的稳定也能为肩关节的快速抡臂提供稳定性，在长距离游泳时，髋部可以充分调动臀部肌肉力量，大大减轻手臂划水的负担，产生更好地整体游进的节奏。
3.正是由于以上原因，专业的游泳运动员会格外注重髋关节与全身配合的重要性，教练团队也会在平时日复一日的训练中格外强调髋关节与全身配合的重要性。但是由于运动员训练时都是在水中，且髋关节的动态不像手脚的动态一样那么容易直观地被观察到，在剧烈的游泳运动中，运动员也很难感知到自身髋关节的动态是否符合教练团队规定的标准，教练团队在岸上也无法直观地观察到在水下时运动员的髋关节与全身各部位配合是否合理，这在泳姿修正、训练评估、针对性训练以及战术研究等各方面都是个巨大的困扰。


技术实现要素：

4.本发明解决的问题是：提供一种根据髋关节动态调整泳姿的方法，该方法能够在运动员游泳时，根据髋关节的动态数据变化以及与四肢的配合关系，对运动员进行泳姿修正。
5.为解决上述问题，本发明提供一种根据髋关节动态调整泳姿的方法，包括以下步骤：
6.s1、分析目标运动员的体征，获得目标运动员的体征数据；
7.s2、在目标运动员身上贴附防水级运动传感器，位于髋部的防水级运动传感器数量为h，位于四肢的防水级运动传感器数量为l，h≥2l，防水级运动传感器用于获得目标运动员的三维泳姿动作数据；
8.s3、通过水下摄像头以及水上摄像头同步采集目标运动员游泳时在水上以及水下的泳姿高速影像，并对水下摄像头进行标定操作，得到水下摄像头的参数；
9.s4、根据三维泳姿动作数据以及泳姿高速影像获得目标运动员的位移数据、四肢动态数据以及髋关节动态数据；
10.s5、根据三维泳姿动作数据以及泳姿高速影像计算目标运动员的速度数据、四肢动态功率数据以及髋关节动态功率数据，并结合体征数据得到实际泳姿数据；
11.s6、预设标准泳姿数据，计算实际泳姿数据中各离散点数据与标准泳姿数据中各离散点数据的欧氏距离，得到差异值；
12.s7、根据差异值得到泳姿修正数据。
13.进一步地，步骤s1中，采用多频生物电阻抗测量获得目标运动员的体征数据。
14.进一步地，步骤s2中，防水级运动传感器包括防水等级为ipx7的肌电传感器以及惯性测量单元。
15.进一步地，步骤s3中，水下摄像头分布在目标运动员所处泳道的左右两侧、底壁以及起终点侧壁上。
16.进一步地，步骤s3中，对水下摄像头进行标定，得到水下摄像头的参数具体包括以下步骤：
17.s31、将水下的泳姿高速影像切分成不同时刻的泳姿图像；
18.s32、预设固定大小的张正友棋盘格标定板和世界坐标系原点，检测泳姿图像中的特征点，并根据特征点获得张正友棋盘标定板上每一个角点的像素坐标值以及物理坐标值；
19.s33、根据张正友棋盘标定板角点的像素坐标值以及物理坐标值的关系求解水下摄像头的内参数矩阵与外参数矩阵；
20.s34、计算水下摄像头的径向畸变系数；
21.s35、利用莱文贝格－马夸特方法优化内参数矩阵、外参数矩阵以及径向畸变系数。
22.进一步地，步骤s5中，计算四肢动态功率数据的具体步骤如下：
23.s51、根据四肢动态数据，计算不同时刻四肢对于水的推力f1；
24.s52、根据四肢动态数据，计算不同时刻四肢在水中的总移动距离s1；
25.s53、根据不同时刻的推力f1以及总移动距离s1进行做功运算获得四肢动态功率数据。
26.进一步地，步骤s5中，计算髋关节动态功率数据的具体步骤如下：
27.s501、根据髋关节动态数据，计算不同时刻髋关节在上下方向对水的推力f2；
28.s502、根据髋关节动态数据，计算不同时刻髋关节在上下方向的总移动距离s2；
29.s503、根据不同时刻的推力f2以及总移动距离s2进行做功运算获得髋关节动态功率数据。
30.进一步地，步骤s6中，采用n维空间欧式距离公式，如下：
[0031][0032]
其中，d(x,y)为实际泳姿数据与标准泳姿数据的离散数据集中，点(x1,x2...,xn)与(y1,y2...,yn)之间的欧氏距离。
[0033]
本发明的有益效果为，能够在运动员游泳时，根据髋关节的动态数据变化以及与
四肢的配合关系，主要是与腿部的动态数据变化进行对比，得出泳姿修正数据，且该泳姿修正数据适合该运动员的体征数据，使得教练以及运动员自身能够充分根据该泳姿修正数据对泳姿不足之处进行针对性修正训练，从而让游泳效率增加，进一步在竞技比赛时成绩能够更加优异。
附图说明
[0034]
图1为本发明方法的步骤流程图；
[0035]
图2为本发明步骤s3中的步骤流程图；
[0036]
图3为本发明中visual 3d中的运动员三维泳姿动作数据示意图；
[0037]
图4为本发明中visual 3d中的运动员下半身三维泳姿动作数据示意图；
具体实施方式
[0038]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0039]
以下实施例通过本校某游泳运动员进行单独测试，分别采取蛙泳和自由泳的泳姿进行50米测试，其中，蛙泳50米的完成时间为38.34秒，自由泳50米的完成时间为29.75秒，需要说明的是，运动员在起点起步时会从踏板上鱼跃入水，并采用腿部的摆动在水中滑行一段距离，目的是充分利用鱼跃入水的惯性力，在这个阶段是不会采取泳姿的，只有滑行完毕后才会采取对应的泳姿以供为后续前进提供进一步动力，该阶段由于未采用泳姿，所以可以只计算髋部动态数据，本实施例提供一种根据髋关节动态调整泳姿的方法：
[0040]
采用多频生物电阻抗测量仪器，测量目标运动员的身高、体重、骨骼肌率、体脂肪量、人体皮肤表面积以及腰臀比，获得目标运动员的体征数据，多频生物电阻抗测量仪器可以非常准确的对人体体征数据进行测量，使得误差最小化；其中，本实施例中获得的身高为186.25cm，体重为74.21kg，骨骼肌率为42.6％，体脂肪量9.5％，腰臀比0.86，上肢表面积为0.36m2，下肢表面积为0.89m2，髋部前后侧表面积为0.48m2。
[0041]
在该目标运动员身上贴附防水级运动传感器，防水级运动传感器为防水等级为ipx7的肌电传感器以及惯性测量单元，位于髋部的防水级运动传感器数量为h，位于四肢的防水级运动传感器数量为l，h≥2l；本实施例中，位于髋部的防水级运动传感器可以贴附在泳衣或者泳裤外侧，分别位于前髋部与后髋部，并沿竖向均匀贴附，总数量为12；位于四肢的防水级运动传感器数量各为5，其中位于手臂上的防水级运动传感器依次贴附在手背、小臂、肘部上侧、手大臂、三角肌处，位于腿部的防水级运动传感器依次贴附在脚背、胫部、膝盖上侧、大腿、大腿内侧的胯部处；各防水级运动传感器用于获得目标运动员的三维泳姿动作数据，且各防水级运动传感器与终端的计算机系统通信连接，计算机系统中设有诸如visual 3d的三维运动捕捉数据的分析软件，三维泳姿动作数据在visual 3d中呈现。
[0042]
在泳道布设水下摄像头以及水上摄像头，本实施例中，泳道为单泳道，且该单泳道两侧均为墙壁，目的是为了水纹、水波或者水泡过多影响成像；水上摄像头设置在该单泳道左右两侧，并沿该单泳道的长度方向均匀分布设置，本领域技术人员可以根据泳道的长度自由调整水上摄像头的数量，本实施例中泳道长度为50米，水上摄像头数量为5个，沿泳道长度每间隔10米均匀设置，为了防止水花溅射到镜头影响拍摄，将水上摄像头与水面保持
一定间距，并垫高设置，可以保证对运动员泳姿良好的角度拍摄，也可以防止水花溅射到镜头。水下摄像头设置在水下，且分布在目标运动员所处泳道的左右两侧、底壁以及起终点侧壁上。为了使得水下摄像头成像清晰，需要对水下摄像头进行标定操作，得到水下摄像头的参数。
[0043]
对水下摄像头进行标定，得到水下摄像头的参数具体包括以下步骤：将水下的泳姿高速影像切分成不同时刻的泳姿图像；预设7*10黑白格相间的张正友棋盘格标定板和世界坐标系原点，对泳姿图像中的特征点进行检测，获得张正友棋盘标定板上每一个角点的像素坐标值以及物理坐标值；根据张正友棋盘标定板角点的像素坐标值以及物理坐标值的关系求解水下摄像头的内参数矩阵与外参数矩阵；计算水下摄像头的径向畸变系数；内参数和外参数利用张正友标定法通过拍摄一组棋盘格标定板的照片由opencv库计算得到。
[0044]
内参矩阵为：
[0045][0046]
其中，f表示焦距；fx表示x轴方向焦距的长度；fy表示y轴方向焦距的长度；u0和v0表示主点坐标；γ表示坐标轴倾斜参数；内参矩阵是水下摄像头自身的属性，通过标定就可以得到这些参数；
[0047]
外参矩阵为：r是每个轴的旋转矩阵的乘积，其中每个轴的旋转参数为t是平移参数(tx,ty,tz)。
[0048]
求得的内参矩阵与外参矩阵，通过张正友标定法计算相机畸变系数，做与畸变相反的变换，消除畸变，得到单目相机参数。
[0049]
内参矩阵为：
[0050][0051]
切向畸变(p1,p2):[0 0]，其中单目相机参数包括内参矩阵、径向畸变参数k1，k2、切向畸变参数p1，p2；利用主点周围的泰勒级数展开的前两项确定径向畸变的畸变系数，数学表达式为：
[0052][0053]
(u,v)代表理想的无畸变的像素坐标，代表实际径向畸变的情况下的像素坐标，(u0,v0)代表主点，(x,y)代表理想无畸变时的连续图像像素坐标，代表实际径向畸变的情况下的连续图像像素坐标；k1、k2代表前两阶的畸变参数；化成矩阵形式：
[0054][0055]
通过相机模型计算出(x,y)；通过已求得的内参矩阵中得到(u0,v0)；由相机模型中物体的世界坐标点解出(u,v)；对于n副包含棋盘格的图像进行定标，每个图像里有棋盘格角点m个，得到2mn个等式，运用最小二乘法对结果进行优化，通过等式k＝((d
t
d)-1dt
)d解得径向畸变参数k＝[k1,k2]，其中d是等式左边的方程的系数矩阵，d是等式右边的有畸变的像素坐标与无像素坐标之差构成的矩阵；将求解得到的畸变参数与理想无畸变条件下的内、外参数一起进行极大似然估计；以最小化下列函数为目标，在参数估计中增加k1,k2：极大似然估计：n副包含棋盘格的图像进行定标，每个图像里有棋盘格角点m个，令第i副图像上的角点mj在上述计算得到的摄像机矩阵下图像上的投影点为
[0056][0057]
其中ri和ti是第i副图对应的旋转矩阵和平移向量，k是内参数矩阵；则角点m
ij
的概率密度函数为：
[0058][0059]
构造似然函数：
[0060][0061]
使得l取得最大值，下式最小：
[0062][0063]
利用莱文贝格－马夸特方法对内参数矩阵、外参数矩阵以及径向畸变系数进行优化。莱文贝格－马夸特方法能提供数非线性最小化的数值解。此算法能借由执行时修改参数达到结合高斯-牛顿算法以及梯度下降法的优点，并对两者之不足作改善。
[0064]
根据三维泳姿动作数据以及泳姿高速影像获得目标运动员的位移数据、四肢动态数据以及髋关节动态数据；计算目标运动员的速度数据、四肢动态功率数据以及髋关节动态功率数据，并结合体征数据得到实际泳姿数据。
[0065]
计算四肢动态功率数据的具体步骤如下根据四肢动态数据，计算不同时刻四肢对于水的推力f1；根据四肢动态数据，计算不同时刻四肢对在水中的总移动距离s1；根据不同时刻的f1以及进行做功运算获得四肢动态功率数据。在本实施例中以蛙泳时上肢动作为例，需要对运动员的蛙泳时上肢动作进行拆解，依次重复做如下动作：双手并拢向前推伸、双手分开向两胁方向打开并向下压水、双手回到胸前并拢；左臂以及右臂的移动距离是根据上述三个步骤的总移动距离相加得到前肢的总移动距离；下肢同理进行动作拆解，不再
赘述；阻力公式为c表示阻力系数，ρ表示水密度，a表示接触面积，v为运动员与液体的相对运动速度。如在变换为蛙泳泳姿的第0秒钟至第1秒钟，运动员左臂以及右臂根据上述的步骤拆解以及防水级运动传感器的感应，可以测得前肢的总移动距离为3.12m，该时间段前肢对于水的相对运动速度v为2.3m/s，为简化模型，水的阻力系数可以保留不做设定。设定双手并拢向前推伸时，双臂与水的接触面为手臂背侧，面积为0.18m2；双手分开向两胁方向打开的接触面为手臂背侧，面积为0.18m2；向下压水接触面为手臂内侧，面积为0.18m2；双手回到胸前的接触面为手臂内侧，面积为0.18m2，则当已知水密度ρ时，能够计算出不同时刻水对双臂的阻力，根据w＝fs的做功公式，可以求出该时间段双臂的做功，f为阻力，s为距离。
[0066]
自由泳同理，需要对运动员的自由泳时上肢动作进行拆解，由于自由泳的特殊性，手臂在某一阶段会穿出水面，所以对穿出水面时的手臂忽略不计，只计算在水中状态的手臂，依次重复做如下动作：侧身、单臂抬出水面、单臂入水并向腰部方向压水、侧身、另一臂抬出水面、另一臂入水并向腰部方向压水；左臂以及右臂的移动距离是根据上述步骤的总移动距离相加得到前肢的总移动距离；下肢同理进行动作拆解，不再赘述；阻力公式为c表示阻力系数，ρ表示水密度，a表示接触面积，v为运动员手臂与液体的相对运动速度。如在切换为自由泳时的第0秒钟至第1秒钟，运动员左臂以及右臂根据上述的步骤拆解以及防水级运动传感器的感应，可以测得前肢的在水中的总移动距离为3.28m，该时间段的相对运动速度v为1.68m/s，为简化模型，水的阻力系数可以保留不做设定。设定单臂入水并向腰部方向压水时，单臂与水的接触面为手臂正侧，面积为0.18m2；则当已知水密度ρ时，能够计算出不同时刻水对手臂的阻力，根据w＝fs的做功公式，可以求出该时间段双臂的做功，f为阻力，s为距离。
[0067]
计算髋关节动态功率数据的具体步骤如下：根据髋关节动态数据，计算不同时刻髋关节在上下方向对水的推力f2；根据髋关节动态数据，计算不同时刻髋关节在上下方向的总移动距离s2；根据不同时刻的f2以及s2进行做功运算获得髋关节动态功率数据。由于自由泳的髋关节幅度较大，所以在本实施例中以自由泳为例，需要对运动员的自由泳时髋部动作进行拆解，由于自由泳的特殊性，髋部会依次重复交替上下摆动，只需要计算不同时刻的髋部上下摆动距离即可；阻力公式为c表示阻力系数，ρ表示水密度，a表示接触面积，v为运动员髋部与液体的相对运动速度。如在第0秒钟至第1秒钟，运动员髋部根据防水级运动传感器的感应，可以测得髋部的上下摆动距离为36.42cm，该时间段的相对运动速度v为18.21cm/s，为简化模型，水的阻力系数可以保留不做设定。设定髋部向下移动时，髋部的接触面为正面，面积为0.24m2；髋部向上移动时，髋部的接触面为背面，面积为0.24m2；则当已知水密度ρ时，能够计算出不同时刻水对髋部的阻力，根据w＝fs的做功公式，可以求出该时间段双臂的做功，f为阻力，s为距离。
[0068]
预设标准泳姿数据，标准泳姿数据是教练团队或者运动员根据测量的体征数据，并对训练的期望或者比赛数据的期望进行预设的，本实施例中，预设速度为：50米自由泳25秒完成；预设髋关节动态数据为：50米自由泳髋部上下浮动范围为15.52cm等；本领域技术人员完全可以根据不同的游泳运动员体征数据以及期望进行合理设定，目的是为了让运动
员在训练中的数据能够接近所期望的标准泳姿数据，实际泳姿数据与标准泳姿数据都是由一系列离散点组成；计算实际泳姿数据中各离散点数据与标准泳姿数据中各离散点数据的欧氏距离，由于数据维度较多，故采用n维空间欧式距离公式，如下：
[0069][0070]
其中，d(x,y)为实际泳姿数据与标准泳姿数据的数据集中，点(x1,x2...,xn)与(y1,y2...,yn)之间的欧氏距离，得到差异值；根据差异值得到泳姿修正数据，泳姿修正数据可以供运动员和教练团队参考，发现自己的髋关节或者四肢是否是符合预设标准，可以在下一次训练中进行针对性训练，如髋关节的上下摆动超出预设值，则需要在专门训练髋关节的上下摆动后再次下水检测，以供不断进步。
[0071]
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种根据髋关节动态调整泳姿的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、分析目标运动员的体征，获得所述目标运动员的体征数据；s2、在所述目标运动员身上贴附防水级运动传感器，位于髋部的所述防水级运动传感器数量为h，位于四肢的所述防水级运动传感器数量为l，h≥2l，所述防水级运动传感器用于获得所述目标运动员的三维泳姿动作数据；s3、通过水下摄像头以及水上摄像头同步采集所述目标运动员游泳时在水上以及水下的泳姿高速影像，并对所述水下摄像头进行标定操作，得到所述水下摄像头的参数；s4、根据所述三维泳姿动作数据以及泳姿高速影像获得所述目标运动员的位移数据、四肢动态数据以及髋关节动态数据；s5、根据所述三维泳姿动作数据以及泳姿高速影像计算所述目标运动员的速度数据、四肢动态功率数据以及髋关节动态功率数据，并结合所述体征数据得到实际泳姿数据；s6、预设标准泳姿数据，计算所述实际泳姿数据中各离散点数据与所述标准泳姿数据中各离散点数据的欧氏距离，得到差异值；s7、根据所述差异值得到泳姿修正数据。2.根据权利要求1所述的一种根据髋关节动态调整泳姿的方法，其特征在于，步骤s1中，采用多频生物电阻抗测量获得所述目标运动员的所述体征数据。3.根据权利要求2所述的一种根据髋关节动态调整泳姿的方法，其特征在于，步骤s2中，所述防水级运动传感器包括防水等级为ipx7的肌电传感器以及惯性测量单元。4.根据权利要求3所述的一种根据髋关节动态调整泳姿的方法，其特征在于，步骤s3中，所述水下摄像头分布在所述目标运动员所处泳道的左右两侧、底壁以及起终点侧壁上。5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种根据髋关节动态调整泳姿的方法，其特征在于，步骤s3中，对所述水下摄像头进行标定，得到所述水下摄像头的参数具体包括以下步骤：s31、将水下的所述泳姿高速影像切分成不同时刻的泳姿图像；s32、预设固定大小的张正友棋盘格标定板和世界坐标系原点，检测所述泳姿图像中的特征点，并根据所述特征点获得所述张正友棋盘标定板上每一个角点的像素坐标值以及物理坐标值；s33、根据所述像素坐标值以及物理坐标值的关系求解水下摄像头的内参数矩阵与外参数矩阵；s34、计算所述水下摄像头的径向畸变系数；s35、利用莱文贝格－马夸特方法优化所述内参数矩阵、外参数矩阵以及径向畸变系数。6.根据权利要求5所述的一种根据髋关节动态调整泳姿的方法，其特征在于，步骤s5中，计算所述四肢动态功率数据的具体步骤如下：s51、根据所述四肢动态数据，计算不同时刻四肢对于水的推力f1；s52、根据所述四肢动态数据，计算不同时刻四肢在水中的总移动距离s1；s53、根据不同时刻的所述推力f1以及总移动距离s1进行做功运算获得四肢动态功率数据。7.根据权利要求6所述的一种根据髋关节动态调整泳姿的方法，其特征在于，步骤s5中，计算髋关节动态功率数据的具体步骤如下：
s501、根据所述髋关节动态数据，计算不同时刻髋关节在上下方向对水的推力f2；s502、根据所述髋关节动态数据，计算不同时刻髋关节在上下方向的总移动距离s2；s503、根据不同时刻的所述推力f2以及总移动距离s2进行做功运算获得髋关节动态功率数据。8.根据权利要求7所述的一种根据髋关节动态调整泳姿的方法，其特征在于，步骤s6中，采用n维空间欧式距离公式，如下：其中，d(x,y)表示所述实际泳姿数据与所述标准泳姿数据的离散数据集中，点(x1,x2...,x
n
)与(y1,y2...,y
n
)之间的欧氏距离。

技术总结
本发明提供一种根据髋关节动态调整泳姿的方法，包括：S1、获得目标运动员的体征数据；S2、通过防水级运动传感器获得目标运动员的三维泳姿动作数据；S3、通过摄像头采集目标运动员泳姿高速影像，并对水下摄像头进行标定操作，得到水下摄像头的参数；S4、根据三维泳姿动作数据以及泳姿高速影像获得目标运动员的位移数据、四肢动态数据以及髋关节动态数据；S5、计算得到实际泳姿数据；S6、预设标准泳姿数据，计算差异值；S7、根据差异值得到泳姿修正数据；本发明能够在运动员游泳时，根据髋关节的动态数据变化以及与四肢的配合关系，对运动员进行泳姿修正。泳姿修正。泳姿修正。


技术研发人员：顾耀东 李蜀东 孙冬 周展亦 童超益
受保护的技术使用者：宁波大学
技术研发日：2023.05.04
技术公布日：2023/8/14