CN104361239A - 一种基于Kinect的虚拟拳击沙袋训练的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Kinect的虚拟拳击沙袋训练的方法和系统，其具体方法包括：构建虚拟场景，加载虚拟拳击手套和沙袋模型；通过Kinect摄像头获取操作者左右手的骨骼位置数据；通过位置数据控制虚拟系统中的虚拟拳击手套，并计算是否击中虚拟沙袋；计算操作者出拳速度，由此计算沙袋摆动幅度，并利用计算机图形接口虚拟沙袋击打过程。本发明虚拟了拳击训练中最为常用的沙袋击打练习，为受环境所限无法悬挂真实沙袋的条件下开展训练提供了新的方法。

Description

一种基于Kinect的虚拟拳击沙袋训练的方法和系统

技术领域

本发明涉及计算机应用技术，尤其涉及的是一种基于Kinect的虚拟拳击沙袋训练的方法和系统。

背景技术

现有技术中，在计算机上虚拟拳击运动或格斗游戏，均使用带有加速度传感器、陀螺仪的体感感应装置或手柄等来实现，通过相应传感器感应操作者操作信号，操作信息通过有线或无线方式送入计算机系统进行交互处理。具有以下缺陷：第一、采用手柄的方式，操作者只需通过手柄按键操作击打，无法达到真实拳击训练的目的；第二、即使采用带有加速度传感器、陀螺仪等的体感感应装置进行模拟训练，体感感应装置只是感应到了操作者运动，而不能体现操作者出拳姿态，真实性不高。

申请号为200910189787.X的《一种基于计算机实现虚拟拳击的方法和系统》，操作者佩戴专用帽子、手部具有跟踪特征的主手柄和副手柄，通过双目摄像头获取头部、手部追踪点位置，计算机模拟操作者的出拳姿态，在一定程度上解决了上述方法的问题。然而，为了便于计算机识别，该系统和方法需要操作者佩戴具有跟踪特征的帽子和主、副手柄，大大影响了用户的体验效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于Kinect的虚拟拳击沙袋训练的方法和系统，其目的是模拟拳击沙袋的训练过程，提高训练的真实性。

本发明的技术方案是：一种基于Kinect的虚拟拳击沙袋训练的方法，包括如下步骤：S1、获取操作者左右手空间位置数据，所述左右手空间位置数据反映操作者的左右手位置信息；

S2、将操作者左右手空间位置数据转换成左右虚拟拳击手套屏幕坐标数据，利用左右虚拟拳击手套屏幕坐标数据控制虚拟拳击手套在屏幕中的位置移动；

S3、根据S2中的左右虚拟拳击手套屏幕坐标数据判断虚拟拳击手套是否命中虚拟沙袋；

S4、命中虚拟沙袋后，计算虚拟沙袋中心点初始摆动速度和初始摆动角度；

S5、根据S4中的虚拟沙袋中心点初始摆动速度、初始摆动角度及衰减方法，通过计算机图形接口渲染虚拟沙袋摆动过程，并在显示设备中进行显示。

其中，步骤S1包括：

S11、从Kinect视频流中获取操作者骨骼图像帧；

S12、从步骤S11的骨骼图像帧数据中，获取操作者左右手坐标数据作为左右手空间位置数据。

步骤S2包括：

S21、获取屏幕分辨率(x_s，y_s)，将左右手空间位置数据中的左右手坐标HL(x_l，y_l，z_l)、HR(x_r，y_r，z_r)转换为左右虚拟拳击手套屏幕坐标VL(x_ls，y_ls)、VR(x_rs，y_rs)；

S22、将虚拟拳击手套模型绘制于左右虚拟拳击手套屏幕坐标VL(x_ls，y_ls)、VR(x_rs，y_rs)位置处，由此控制屏幕中虚拟拳击手套的位置移动。

步骤S21中左右手坐标的转换方法为：

x_ls＝α*x_l y_ls＝β*y_l

x_rs＝α*x_r y_rs＝β*y_r其中，坐标转换系数α＝x_s/320、β＝y_s/240。

步骤S3包括：

S31、将虚拟沙袋等同于矩形区域，并动态计算该矩形区域的四个顶点坐标；

S32、判断左右虚拟拳击手套屏幕坐标是否在S31步骤所示的矩形区域上，如果是，则表明命中沙袋，否则，表明没有命中沙袋。

步骤S31的矩形区域的四个顶点坐标的计算方法为：假设虚拟沙袋矩形区域高、宽分别为h、w，虚拟沙袋中心点与悬挂点之间的距离为l，虚拟沙袋中心点静止时屏幕坐标为(x₀，y₀)，当相对于中轴线偏移角度为θ时，矩形区域左上角顶点A的坐标为：右上角顶点B的坐标为：右下角顶点C的坐标为：左下角顶点D的坐标为：

步骤S4包括：

S41、计算虚拟沙袋中心点初始摆动速度V₀；

S42、计算虚拟沙袋中心点初始摆动角度φ。

其中，步骤S41中虚拟沙袋中心点初始摆动速度V₀的计算方法为：

S411、计算操作者左手或右手出拳速度V₁；

S412、根据步骤S411得到的出拳速度V₁计算虚拟沙袋中心点初始摆动速度V₀。

步骤S411中操作者左手或右手出拳速度V₁的计算方法为：以Kinect摄像头为三维坐标系原点，Kinect摄像头前面板平面所在平面为XOY面，其中X轴指向操作者的右侧，Y轴指向操作者的上方，Z轴指向操作者的前侧，假设从击中虚拟沙袋的骨骼图像帧中获取的骨骼坐标为P(X₁，Y₁，Z₁)，并取前一帧骨骼坐标Q(X₂，Y₂，Z₂)，那么出拳向量为(X₁-X₂，Y₁-Y₂，Z₁-Z₂)，由此可得出拳速度V₁:

$V_1=\left|\stackrel{\→}{\mathrm{PQ}}\right|*25=25\sqrt{{(X_1-X_2)}^2+{(Y_1-Y_2)}^2+{(Z_1-Z_2)}^2}$ V₁的单位为：米/秒。

步骤S412中操作者以V₁的出拳速度击打到虚拟沙袋后，虚拟沙袋中心点初始摆动速度V₀的计算公式为：

V₀＝0.025V₁。

步骤S42中虚拟沙袋中心点初始摆动角度φ的计算方法为：

φ＝argcos(1-V₀ ²/2lg)

其中：V₀为虚拟沙袋中心点初始摆动速度，l为虚拟沙袋中心点与悬挂点之间的距离，g为重力加速度，取9.8米/秒²。

步骤S5中通过图形接口渲染虚拟沙袋摆动过程时，将虚拟沙袋摆动角度每过一次中心线减小初始摆动角度φ的25％，即按此幅度衰减，虚拟沙袋由静止在击打后摆动两个周期停止于中心线，等待下一次击打。

一种基于Kinect的虚拟拳击沙袋训练的系统包括Kinect摄像头、计算机和显示设备；Kinect摄像头与计算机连接，计算机与显示设备通过视频连接线连接；

其中，Kinect摄像头用于获取操作者左右手空间位置数据，所述左右手空间位置数据反映操作者的左右手位置信息；

计算机将操作者左右手空间位置数据转换成左右虚拟拳击手套屏幕坐标数据，利用左右虚拟拳击手套屏幕坐标数据控制虚拟拳击手套在屏幕中的位置移动，然后根据左右虚拟拳击手套屏幕坐标数据判断虚拟拳击手套是否命中虚拟沙袋；在命中虚拟沙袋后，计算虚拟沙袋中心点初始摆动速度和初始摆动角度，并根据虚拟沙袋中心点初始摆动速度、初始摆动角度及衰减方法，通过计算机图形接口渲染虚拟沙袋摆动过程；

显示设备用于显示拳击训练场景、虚拟沙袋、虚拟拳击手套以及操作者击打沙袋的过程。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是本发明的方法流程图。

图3是本发明的沙袋摆动示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明的基于Kinect的虚拟拳击沙袋训练的系统包括Kinect摄像头1、计算机2、显示设备3及连接线路4、5。Kinect摄像头1用于获取操作者左右手空间位置数据，所述左右手空间位置数据反映操作者的左右手位置信息。计算机将操作者左右手空间位置数据转换成左右虚拟拳击手套屏幕坐标数据，利用左右虚拟拳击手套屏幕坐标数据控制虚拟拳击手套在屏幕中的位置移动，然后根据左右虚拟拳击手套屏幕坐标数据判断虚拟拳击手套是否命中虚拟沙袋；在命中虚拟沙袋后，计算虚拟沙袋中心点初始摆动速度和初始摆动角度，并根据虚拟沙袋中心点初始摆动速度、初始摆动角度及衰减方法，通过计算机图形接口渲染虚拟沙袋摆动过程；显示设备用于显示拳击训练场景、虚拟沙袋、虚拟拳击手套以及操作者击打沙袋的过程。

Kinect摄像头采用微软生产的各种Xbox或Windows版本设备，通过专用USB线缆连接到计算机，显示设备可以是电脑显示器、带HDMI接口的数字电视或经由投影仪投影的大屏幕，计算机与显示设备通过视频连接线连接。操作者6在Kinect摄像头前1.5米到2.3米距离内，对准摄像头击打屏幕中的沙袋。计算机首先设计并加载虚拟拳击手套、虚拟沙袋模型和拳击训练室背景，以Max3D及Direct 3D图形接口为例，在Max3D软件中建立虚拟拳击手套、虚拟沙袋模型，保存为.x文件，利用D3D图形接口D3DXLoadMeshFromX函数加载.X格式文件，之后利用天空盒背景原理，搭建虚拟拳击台背景。之后，从Kinect传回的数据中提取骨骼帧数据，并从中获取操作者左右手空间位置坐标，并换算成屏幕坐标后，操纵虚拟拳头击打沙袋，沙袋根据相关算法相应击打。

如图2所示，基于Kinect的虚拟拳击沙袋训练的方法，具体包括以下步骤：

S1、获取操作者左右手坐标。计算机通过初始化Kinect设备，从接口中获取操作者骨骼帧图像，并提取操作者左右手空间坐标HL(x_l，y_l，z_l)、HR(x_r，y_r，z_r)，坐标系参照图1所示。

S2、控制虚拟拳击手套位置变化。首先获取显示设备的屏幕分辨率(x_s，y_s)，将左右手空间位置数据中的骨骼坐标HL(x_l，y_l，z_l)、HR(x_r，y_r，z_r)转化为虚拟拳击手套屏幕坐标VL(x_ls，y_ls)、VR(x_rs，y_rs)。其中转化方法为，坐标转换系数α＝x_s/320、β＝y_s/240，则：x_ls＝α*x_l、y_ls＝β*y_l、x_rs＝α*x_r、y_rs＝β*y_r；之后将虚拟拳击手套模型绘制于虚拟拳击手套屏幕坐标VL(x_ls，y_ls)、VR(x_rs，y_rs)位置处，由此控制屏幕中虚拟拳套的位置移动。以采用Direct 3D图形接口为例，通过实时给D3DPosition赋坐标值,让虚拟拳击手套跟随操作者拳头移动。

S3、沙袋命中判定。如图3所示，设有效命中区域等效为矩形ABCD所在区域，矩形顶点坐标计算方法，假设沙袋矩形区域高、宽分别为h、w，沙袋中心点距离悬挂点距离为l，沙袋中心点静止时屏幕坐标为(x₀，y₀)，当相对于中轴线偏移角度为θ时(向右为正，左为负)，四个顶点(左上角、右上角、右下角、左下角)动态坐标分别为： $B$ $(x_0+l*\sin \mathrm{\θ}+\frac{w}{2},y_0-l*(1-\cos \mathrm{\θ})+\frac{h}{2}),$ $C(x_0+l*\sin \mathrm{\θ}+\frac{w}{2},y_0-l*(1-\cos \mathrm{\θ})-\frac{h}{2}),$ 当虚拟拳击手套屏幕坐标VL(x_ls，y_ls)、VR(x_rs，y_rs)落入该区域时，认为有效命中。

S4、计算虚拟沙袋中心点初始摆动速度V0和初始摆动角度φ。首先计算操作者左右出拳速度V₁,参照图1骨骼帧坐标系，以摄像头为三维坐标系原点，摄像头前面板平面所在平面为XOY平面，X轴指向操作者的右侧，Y轴指向操作者的上方，Z轴指向操作者的前侧，假设击中沙袋的骨骼帧中获取的骨骼坐标P(X₁，Y₁，Z₁)，则取前一帧骨骼坐标Q(X₂，Y₂，Z₂)，那么出拳向量为(X₁-X₂，Y₁-Y₂，Z₁-Z₂)。骨骼帧采样速率为每秒25帧，由此可得出拳速度： $V_1=\left|\stackrel{\→}{\mathrm{PQ}}\right|*25=25\sqrt{{(X_1-X_2)}^2+{(Y_1-Y_2)}^2+{(Z_1-Z_2)}^2},$ 单位为：米/秒。

如图3所示，当操作者以出拳速度V₁击中虚拟沙袋时，简化动量定理，假设击打完毕拳速为0m/s，拳头质量0.5Kg、沙袋重量20Kg，则沙袋获取初速度计算公式为：V₀＝0.025V₁。则进而由能量守恒定理，可得出虚拟沙袋中心最大偏转角度φ＝argcos(1-V₀ ²/2lg)，其中：l为沙袋中心点距离悬挂点距离，g为重力加速度，取9.8米/秒²，各变量意义参照图3所示。

S5、通过图像接口渲染虚拟沙袋摆动效果。将虚拟沙袋摆动角度每过一次中心线减小初始摆动角度φ的25％，即按此规则线性衰减，沙袋由静止在击打后过摆动两个周期停止于中心线，等待下一次击打。以D3D图形接口为例，调用D3DXMatrixRotationX(&Rx,θ)接口函数实现沙袋摆动。

以上实施例仅用以说明本发明专利的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明专利进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明专利各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于Kinect的虚拟拳击沙袋训练的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取操作者左右手空间位置数据，所述左右手空间位置数据反映操作者的左右手位置信息；

所述步骤S1包括：

S11、从Kinect视频流中获取操作者骨骼图像帧；

S12、从步骤S11的骨骼图像帧数据中，获取操作者左右手坐标数据作为左右手空间位置数据。

S2、将操作者左右手空间位置数据转换成左右虚拟拳击手套屏幕坐标数据，利用左右虚拟拳击手套屏幕坐标数据控制虚拟拳击手套在屏幕中的位置移动；

所述步骤S2包括：

S21、获取屏幕分辨率(x_s，y_s)，将左右手空间位置数据中的左右手坐标HL(x_l，y_l，z_l)、HR(x_r，y_r，z_r)转换为左右虚拟拳击手套屏幕坐标VL(x_ls，y_ls)、VR(x_rs，y_rs)；左右手坐标的转换方法为：

x_ls＝α*x_l y_ls＝β*y_l

x_rs＝α*x_r y_rs＝β*y_r其中，坐标转换系数α＝x_s/320、β＝y_s/240；

S22、将虚拟拳击手套模型绘制于左右虚拟拳击手套屏幕坐标VL(x_ls，y_ls)、VR(x_rs，y_rs)位置处，由此控制屏幕中虚拟拳击手套的位置移动。

S3、根据S2中的左右虚拟拳击手套屏幕坐标数据判断虚拟拳击手套是否命中虚拟沙袋；

S4、命中虚拟沙袋后，计算虚拟沙袋中心点初始摆动速度和初始摆动角度；

S5、根据S4中的虚拟沙袋中心点初始摆动速度、初始摆动角度及衰减方法，通过计算机图形接口渲染虚拟沙袋摆动过程，并在显示设备中进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种基于Kinect的虚拟拳击沙袋训练的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S31、将虚拟沙袋等同于矩形区域，并动态计算该矩形区域的四个顶点坐标；

S32、判断左右虚拟拳击手套屏幕坐标是否在S31步骤所示的矩形区域上，如果是，则表明命中沙袋，否则，表明没有命中沙袋。

3.根据权利要求2所述的一种基于Kinect的虚拟拳击沙袋训练的方法，其特征在于，所述步骤S31的矩形区域的四个顶点坐标的计算方法为：假设虚拟沙袋矩形区域高、宽分别为h、w，虚拟沙袋中心点与悬挂点之间的距离为l，虚拟沙袋中心点静止时屏幕坐标为(x₀，y₀)，当相对于中轴线偏移角度为θ时，矩形区域左上角顶点A的坐标为： $(x_0+l*\sin \mathrm{\θ}-\frac{w}{2},y_0-l*(1-\cos \mathrm{\θ})+\frac{h}{2}),$ 右上角顶点B的坐标为： $(x_0+l*\sin \mathrm{\θ}+\frac{w}{2},y_0-l*(1-\cos \mathrm{\θ})+\frac{h}{2}),$ 右下角顶点C的坐标为： $(x_0+l*\sin \mathrm{\θ}+\frac{w}{2},y_0-l*(1-\cos \mathrm{\θ})-\frac{h}{2}),$ 左下角顶点D的坐标为： $(x_0+l*\sin \mathrm{\θ}-\frac{w}{2},y_0-l*(1-\cos \mathrm{\θ})-\frac{h}{2}).$

4.根据权利要求1所述的一种基于Kinect的虚拟拳击沙袋训练的方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

S41、计算虚拟沙袋中心点初始摆动速度V₀；

S42、计算虚拟沙袋中心点初始摆动角度φ。

5.根据权利要求4所述的一种基于Kinect的虚拟拳击沙袋训练的方法，其特征在于，所述步骤S41中虚拟沙袋中心点初始摆动速度V₀的计算方法为：

S411、计算操作者左手或右手出拳速度V₁；

S412、根据步骤S411得到的出拳速度V₁计算虚拟沙袋中心点初始摆动速度V₀。

6.根据权利要求5所述的一种基于Kinect的虚拟拳击沙袋训练的方法，其特征在于，所述步骤S411中操作者左手或右手出拳速度V₁的计算方法为：以Kinect摄像头为三维坐标系原点，Kinect摄像头前面板平面所在平面为XOY面，其中X轴指向操作者的右侧，Y轴指向操作者的上方，Z轴指向操作者的前侧，假设从击中虚拟沙袋的骨骼图像帧中获取的骨骼坐标为P(X₁，Y₁，Z₁)，并取前一帧骨骼坐标Q(X₂，Y₂，Z₂)，那么出拳向量为(X₁-X₂，Y₁-Y₂，Z₁-Z₂)，由此可得出拳速度V₁:

$V_1=\left|\stackrel{\→}{\mathrm{PQ}}\right|*25=25\sqrt{{(X_1-X_2)}^2+{(Y_1-Y_2)}^2+{(Z_1-Z_2)}^2}$ V₁的单位为：米/秒。

7.根据权利要求5所述的一种基于Kinect的虚拟拳击沙袋训练的方法，其特征在于，所述步骤S412中操作者以V₁的出拳速度击打到虚拟沙袋后，虚拟沙袋中心点初始摆动速度V₀的计算公式为：

V₀＝0.025V₁。

8.根据权利要求4所述的一种基于Kinect的虚拟拳击沙袋训练的方法，其特征在于，所述步骤S42中虚拟沙袋中心点初始摆动角度φ的计算方法为：

φ＝argcos(1-V₀ ²/2lg)

其中：V₀为虚拟沙袋中心点初始摆动速度，l为虚拟沙袋中心点与悬挂点之间的距离，g为重力加速度，取9.8米/秒²。

9.根据权利要求1所述的一种基于Kinect的虚拟拳击沙袋训练的方法，其特征在于，所述步骤S5中通过图形接口渲染虚拟沙袋摆动过程时，将虚拟沙袋摆动角度每过一次中心线减小初始摆动角度φ的25％，即按此幅度衰减，虚拟沙袋由静止在击打后摆动两个周期停止于中心线，等待下一次击打。

10.一种基于Kinect的虚拟拳击沙袋训练的系统，其特征在于，该系统包括Kinect摄像头、计算机和显示设备；Kinect摄像头与计算机连接，计算机与显示设备通过视频连接线连接；

其中，Kinect摄像头用于获取操作者左右手空间位置数据，所述左右手空间位置数据反映操作者的左右手位置信息；

计算机将操作者左右手空间位置数据转换成左右虚拟拳击手套屏幕坐标数据，利用左右虚拟拳击手套屏幕坐标数据控制虚拟拳击手套在屏幕中的位置移动，然后根据左右虚拟拳击手套屏幕坐标数据判断虚拟拳击手套是否命中虚拟沙袋；在命中虚拟沙袋后，计算虚拟沙袋中心点初始摆动速度和初始摆动角度，并根据虚拟沙袋中心点初始摆动速度、初始摆动角度及衰减方法，通过计算机图形接口渲染虚拟沙袋摆动过程；

显示设备用于显示拳击训练场景、虚拟沙袋、虚拟拳击手套以及操作者击打沙袋的过程。