一种儿童运动安全监测系统和方法

1.本发明涉及动作捕捉及分析技术领域，具体涉及一种儿童运动安全监测系统和方法。


背景技术：

2.儿童在校园或者游乐场玩耍、运动时，容易因奔跑过快或者选择高难度动作导致安全事故的发生，现有的应对措施是，在视频监控的基础上，由专人专时监控，但由于人手有限、精力有限，监护人、教师们无法预先得知危险动作的发生，所以不可能做到全面掌握全部儿童运动的安全情况，中国发明cn106056035a，公开了一种基于体感技术的幼儿园监控方法，通过筛选儿童关节点坐标构建动作特征向量来预判儿童的危险动作，但该方案存在操作繁杂、计算量大、匹配不准确的缺陷，因此需要设计一种监控更加准确、计算量小的儿童运动安全监测系统和方法。


技术实现要素：

3.本发明所解决的技术问题在于提供一种儿童运动安全监测系统和方法，用以解决现有系统操作繁杂、计算量大、匹配不准确的缺陷。
4.本发明提供的基础方案：一种儿童运动安全监测方法，包括如下步骤：
5.s1：在运动场设置3d体感摄像头并进行视频采集；
6.s2：筛选人体主要关节点提取生成神经网络模型，将s1中视频分割成图像，利用神经网络模型筛选关节点；
7.s3：统计s2中筛选的每个关节点的坐标数据；
8.s4：计算s3中足部关节点移动速度，识别快速移动；
9.s5：根据s3关节点的坐标数据进行跌倒动作识别；
10.s6：根据s3关节点的坐标数据进行倒立动作识别；
11.s7：服务器判断识别s4至s6中危险动作并生成警告信息，报警模块获取服务器发送的警告信息，控制运动场所的报警器发出报警声音提示，警示监护人及时看管儿童。
12.本发明的原理及优点在于：通过3d体感设备，实时捕捉儿童3d人体骨架关节图像，提取关键关节点坐标，计算关节点运动速度并与预设值对比，生成警告信息报警。本发明将运动范围内视频进行实时动作分析，一旦出现预设危险动作立即发出报警，实时性强；判断危险动作数据简单方便，只需少量采集该动作视频；多路视频流同时分析，相较于传统的人眼检索，高效快捷；视频采集硬件通用性好。
13.进一步，s2包括如下步骤：
14.s2-1：导入数据训练模型；
15.s2-2：导入儿童摄像视频，本实施例利用kinect的骨骼追踪功能，采用分隔策略将儿童身体从复杂的背景中区分出来；
16.s2-3：关节点筛选。
17.进一步，s3包括如下步骤：
18.s3-1：对测量空间进行三维编码；
19.s3-2：统计各关节点同一时刻三维坐标数据。
20.进一步，s4包括如下步骤：
21.s4-1：本实施例采用儿童左脚坐标计算儿童的瞬时运动速度；
22.s4-2：服务器根据预设值判断是否生成警告信息。
23.本发明还提供一种儿童运动安全监测系统，执行上述所述的儿童运动安全监测的方法，包括：摄像头、报警器和服务器；摄像头包括摄像模块、关节点提取模块，服务器包括动作识别模块、报警模块和存储模块；
24.摄像模块：用于视频数据采集，选用3d体感摄像头作为视频采集硬件，将儿童运动场所范围内视频数据传输至关节点提取模块；
25.关节点提取模块：用于选择人体关节点提取生成神经网络模型，并将模型发送至服务器；
26.动作识别模块：用于建立空间坐标并统计关节点位置，计算关节点运动速度与预设值对比，判断是否生成警告信息；
27.报警模块：用于获取服务器发送的警告信息，控制运动场所的报警器发出报警声音提示，警示监护人及时看管儿童；
28.存储模块：用于当出现危险动作时将危险动作类别、发生时刻、图片或短视频数据存储到服务器。
附图说明
29.图1为本发明实施例s2-2分割遮罩示意图；
30.图2为本发明实施例s2-3筛选人体主要关节点示意图；
31.图3为本发明实施例s3关节点三维坐标示意图；
32.图4为本发明实施例s4识别快速移动函数关系图；
33.图5为本发明实施例s5关节点三维坐标示意图；
34.图6为本发明实施例s6关节点三维坐标示意图
35.图7为本发明实施例系统框图。
具体实施方式
36.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
37.实施例基本如下：一种儿童运动安全监测方法，包括如下步骤：
38.s1：运动场设有多个监控摄像头用于视频采集；
39.本实施例监控摄像头选择kinect，kinect是一种3d体感摄影机，具有颜色识别、距离探测、骨骼追踪功能，使用kinect对运动场儿童摄像；
40.s2：筛选人体主要关节点提取生成神经网络模型；
41.s2-1：导入数据训练模型：通过微软exemplar模型，将数以tb计的数据输入到系统训练模型；
42.s2-2：导入儿童摄像视频，本实施例利用kinect的骨骼追踪功能，采用分隔策略将
儿童身体从复杂的背景中区分出来，在该阶段中，如图1所示，为每个追踪的儿童在深度图像中创建分割遮罩，即采用图像分割的方法排除人体以外背景图像。
43.s2-3：关节点筛选，如图2所示，选取儿童身体中权重最高的关节点：从上至下分别是：头、肩中心、左肘、右肘、左手、右手、臀关节、左膝、右膝、左脚、右脚；
44.s3：统计每个关节点的坐标数据；
45.s3-1：kinect的传感器利用红外线发射器发出的连续光照射在儿童的被测量处，通过红外线cmos摄像机记录测量空间的每一个散斑，结合原始散斑图案，对测量空间进行三维编码；
46.s3-2：如图3所示，记t1时刻儿童编号记为f1，a1坐标为(x1,y1,z1)，t2时刻a1坐标为(x2,y2,z2)，依此统计，则s2中各关节点t1时刻三维坐标数据如下表：
47.将上述数据导出为矩阵：
[0048][0049]
s4：计算足部关节点移动速度，识别快速移动；
[0050]
s4-1：本实施例采用儿童左脚坐标计算儿童的瞬时运动速度，每隔2秒计算一次瞬时速度，计算公式如下：
[0051][0052]
本实施例中δt取2；
[0053]
s4-2：由于儿童在玩耍过程中存在突然加速奔跑的行为，如果快速奔跑的时间过长容易跌倒，段时间奔跑则无恙，为实现提前预警，本实施例中儿童安全运动速度警戒值为5m/s，当儿童瞬时速度v大于5m/s且持续10秒则服务器生成警告信息；如图4所示，第24秒后，儿童瞬时速度v大于5m/s，第30秒后瞬时速度v小于5m/s，由于持续时间不足10秒，服务器不会生成警告信息，第40秒至第56秒，儿童瞬时速度v大于5m/s且持续10秒以上，服务器生成警告信息并发送至报警模块；
[0054]
s5：跌倒动作识别；
[0055]
如图5所示，当儿童正面跌倒后，左膝、右膝、左手、右手触地；背面跌倒后，头、肩中心、臀关节触地，关节触地时z坐标接近于0，通过持续检测a5、a6、a8、a9坐标，或者a1、a2、a7坐标，判断儿童跌倒，服务器生成警告信息并发送至报警模块；
[0056]
s6：倒立动作识别；当儿童试图倒立或已经倒立后，头位于左脚、右脚下，如图6所示，头部a1坐标为(x3,y3,z3)，右脚a
11
坐标为(x4,y4,z4)，当检测到z4＞z3，服务器生成警告信息并发送至报警模块；
[0057]
s7：报警模块获取服务器发送的警告信息，控制运动场所的报警器发出报警声音提示，警示监护人及时看管儿童。
[0058]
本发明实施例还提供一种儿童运动安全监测系统，执行上述所述的儿童运动安全监测的方法，如图7所示，包括：摄像头、报警器和服务器；摄像头包括摄像模块、关节点提取模块，服务器包括动作识别模块、报警模块和存储模块；
[0059]
摄像模块：用于视频数据采集，选用3d体感摄像头作为视频采集硬件，将儿童运动场所范围内视频数据传输至关节点提取模块；
[0060]
关节点提取模块：用于选择人体关节点提取生成神经网络模型，并将模型发送至服务器；
[0061]
动作识别模块：用于建立空间坐标并统计关节点位置，计算关节点运动速度与预设值对比，判断是否生成警告信息；
[0062]
报警模块：用于获取服务器发送的警告信息，控制运动场所的报警器发出报警声音提示，警示监护人及时看管儿童。
[0063]
存储模块：用于当出现危险动作时将危险动作类别、发生时刻、图片或短视频数据存储到服务器。
[0064]
以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

技术特征：
1.一种儿童运动安全监测方法，其特征在于：包括如下步骤：s1：在运动场设置3d体感摄像头并进行视频采集；s2：筛选人体主要关节点提取生成神经网络模型，将s1中视频分割成图像，利用神经网络模型筛选关节点；s3：统计s2中筛选的每个关节点的坐标数据；s4：计算s3中足部关节点移动速度，识别快速移动；s5：根据s3关节点的坐标数据进行跌倒动作识别；s6：根据s3关节点的坐标数据进行倒立动作识别；s7：服务器判断识别s4至s6中危险动作并生成警告信息，报警模块获取服务器发送的警告信息，控制运动场所的报警器发出报警声音提示，警示监护人及时看管儿童。2.根据权利要求1所述的一种儿童运动安全监测方法，其特征在于：s2包括如下步骤：s2-1：导入数据训练模型；s2-2：导入儿童摄像视频，本实施例利用kinect的骨骼追踪功能，采用分隔策略将儿童身体从复杂的背景中区分出来；s2-3：关节点筛选。3.根据权利要求2所述的一种儿童运动安全监测方法，其特征在于：s3包括如下步骤：s3-1：对测量空间进行三维编码；s3-2：统计各关节点同一时刻三维坐标数据。4.根据权利要求3所述的一种儿童运动安全监测方法，其特征在于：s4包括如下步骤：s4-1：采用儿童左脚坐标计算儿童的瞬时运动速度；s4-2：根据预设值判断是否生成警告信息。5.一种儿童运动安全监测方法，其特征在于，执行如权利要求1-4任一项所述的儿童运动安全监测方法，包括：摄像头、报警器和服务器；摄像头包括摄像模块、关节点提取模块，服务器包括动作识别模块、报警模块和存储模块；摄像模块：用于视频数据采集，选用3d体感摄像头作为视频采集硬件，将儿童运动场所范围内视频数据传输至关节点提取模块；关节点提取模块：用于选择人体关节点提取生成神经网络模型，并将模型发送至服务器；动作识别模块：用于建立空间坐标并统计关节点位置，计算关节点运动速度与预设值对比，判断是否生成警告信息；报警模块：用于获取服务器发送的警告信息，控制运动场所的报警器发出报警声音提示，警示监护人及时看管儿童；存储模块：用于当出现危险动作时将危险动作类别、发生时刻、图片或短视频数据存储到服务器。

技术总结
本发明涉及动作捕捉及分析技术领域，具体涉及一种儿童运动安全监测方法，包括如下步骤：S1：运动场设有多个监控摄像头用于视频采集；S2：筛选人体主要关节点提取生成神经网络模型；S3：统计每个关节点的坐标数据；S4：计算足部关节点移动速度；S5：识别快速移动；S6：倒立动作识别S7：报警模块获取服务器发送的警告信息，控制运动场所的报警器发出报警声音提示，警示监护人及时看管儿童。本发明将运动范围内视频进行实时动作分析，一旦出现预设危险动作立即发出报警，实时性强；判断危险动作数据简单方便、高效快捷、视频采集硬件通用性好。视频采集硬件通用性好。视频采集硬件通用性好。


技术研发人员：张弟龙 李添乐 刘睿 罗娅 高静雯
受保护的技术使用者：重庆电子工程职业学院
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/9/19