[发明专利]虚拟环境中的人为轨迹学习系统

说明书

本发明的背景技术

在当前的动作学习系统中，学员由观察和模仿教练的动作来获取运动技巧。学员和教练的动作序列一般由摄像机进行记录和存贮在录像带上。一些系统将视频数据加以数字化并将动作序列存贮进计算机存贮器。学员在监视器上观察他的视频图象和将他的动作与教练的动作相比较。

SELSPOTTM和OptotrackTM为流行的人工动作分析系统，这些系统采用多个发光二极管标示器固定到一主体上的组织上重要的位置。在摄像机记录此主体的动作时计算机以予定次序驱动此标示器。信号处理软件编制在监视器上被观察主体的动作序列作为一生动的木偶形的或条棒形象。Elite^TM采用反射式标示器代替反光二极管。安装在摄像机上的光源周期地照亮标示器。软件处理视频图象，产生体的动作序列。

美国专利No.3408750揭示训练学员打高尔夫的动作的方法。摄像机记录学员站立在一专用平台上挥动高尔夫球棒的视频图象。此平台包括一面墙和被履盖有矩形座标网格图形的地板。两台摄像机在学员挥动高尔夫球棒时记录学员的侧视图和前视图。第三摄像机记录高尔夫球的结果轨道。学员在感知其身体在平台上的相对于网格线的位置的情况下接受空间信息。

在常规指导学习期内，学员步入平台为击球定位其身体。一预先记录的教练利用同一设备的正面视频图象被投射在第一视频显示器上，并且预先记录的教练的侧面视频图象被投射到第二视频显示器上。教练的图象被暂停在一起始位置上以便学员能将其身体作与教练的起始位置相对应的编排。摄像机捕捉学员的侧面和正面图象将它们投射到紧靠在对应的教练图象旁的视频显示器上。当学员就位时，他可开始一慢动作的或全速的重演教练图象的侧面和正面视图。现在学员由视频图象转移开他的注意集中力并在设法记住教练动作中的复杂难点的同时做击球尝试。这是固有的困难任务，因为在这一时刻学员的中心焦点在球上而不是在视频显示器上。因此，学员必须依赖他的记忆来调整它的动作以对应于教练的动作。此后，教练可以慢动作或全速地演播记录得的学员和教练的挥捧动作并对动作中的差异作口语的讲评。未必学员能将正面和侧面图象加以组合来有效地接受三维的反馈。学员在击球时要同时观看视频图象几乎是不可能的。学员被迫在显示器和球之间转移他的集中注意。这是一种为提供反馈给学员的无效和过时的方法，因为它强烈依靠学员的记忆、教练的说明和动作后的口语指示。

上述每一个系统中，均要求有多个摄像机来作三维动作分析。具有多于一个摄像机的系统需要复杂的同步化硬件和更健全的信号处理软件。基于标示器的系统的另外缺点是为确定三维定位一标示器必须同时能被两台摄像机看到。在主体运动时，大部分标示器均至少在少量帧中为摄像机视域所无法达到，从而降低系统的精确度。

先有技术的视频协助的动作学习系统还带来空间和时间上的问题。空间上的问题是因教练和学生多半体格大小不同而产生的。教练图象和学生图象的标定需要复杂的信号处理技术。由于视频训练是以重叠的图象之间的差异为基础的，教练学员图象的固有的不重合导致重叠的图象中的学员无法补偿的误差。已经作出一种企图以显示教练的一系列静态轮廓来替代教练的真实图象来克服此空间问题的尝试。在这一方法中，应用了基于视频的处理技术来计算教练的脱机动态模型。此模型不作实时计算而是脱机的，在随记录教练的动作之后延迟某些时间再进行。然后将此教练动态模型随同学员的实况视频显示一齐对学员显示。

尽管这种方法可以解决空间问题，但却无法解决时间的问题。时间的问题是难以将所显示的学员与教练动作同步化，即就是在重放期间一个图象可能会滞后另一个。教练/学员图象中未加补偿的空间和时间上的差异会迷惑学员并带来定时和动作困难。需要复杂的信号处理来使学员与教练图象同步，而且即使具有经同步的起始点，学员也不可能在监视器上观察其图象与教练的图象向的相对关系的同时将其注意力集中到要击的球上。另外，实况视频图象要求在每一时间间隔内以一定数量帧地记录图象。教练所作的动作多半伴有与学员不同的速度和加速度。在播放教练的和学员的动作时，学生所能获得的数据是在该时刻学员位置时间与教练位置的比较。不可能给予学员任何有关教练相比较学员的速度或加速度的信息。