人体动作识别系统技术领域
本发明涉及电子技术领域，更具体地说，涉及一种人体动作识别系统。
背景技术
目前智能手机等智能设备越来越普及，各种应用也非常多，也出现了各种各样的
游戏和应用。但是这些游戏和应用很难跟我们自身活动相结合，无法达到游戏与人的交互，
互动性差。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述游戏和应用很难跟人体自身
活动相结合，不能达到游戏与人的交互而导致互动性差的缺陷，提供一种人体动作识别系
统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种人体动作识别系统，包括
人体动作识别单元以及与所述人体动作识别单元通信连接的智能终端；
所述智能终端包括主控制器、显示模块以及第一通信模块，所述第一通信模块与
所述主控制器连接，用于供所述主控制器与所述人体动作识别单元进行数据传输；所述显
示模块与所述主控制器连接，用于显示所述主控制器输出的显示信息；
所述人体动作识别单元包括微处理器以及与所述微处理器相连的感测模块；所述
感测模块用于感测人体的动作以产生相应的感测信号输出至所述微处理器，所述微处理器
基于所述感测信号进行处理输出相应的姿态信息并将所述姿态信息上传给所述智能终端；
所述智能终端的主控制器对所述姿态信息进行处理输出姿态信息显示指令至所
述显示模块，所述显示模块根据所述姿态信息显示指令显示相应的姿态。
在本发明所述的人体动作识别系统中，优选所述人体动作识别单元还包括与所述
微处理器连接的第二通信模块，所述第二通信模块用于与所述第一通信模块进行数据传
输。
在本发明所述的人体动作识别系统中，优选所述人体动作识别单元还包括与所述
微处理器连接的姿态解算模块，所述微处理器将接收的所述感测信号发送给所述姿态解算
模块，所述姿态解算模块根据所述感测信号进行处理，计算出人体的姿态信息，并将所述人
体的姿态信息返回给所述微处理器，所述微处理器根据所述人体的姿态信息进行处理输出
相应的姿态信息。
在本发明所述的人体动作识别系统中，优选所述姿态解算模块包括卡尔曼滤波
器，所述卡尔曼滤波器用于对所述微处理器发送的感测信号进行滤波，输出卡尔曼滤波信
号。
在本发明所述的人体动作识别系统中，优选所述姿态解算模块还包括与所述卡尔
曼滤波器相连的四元素算法模块，所述四元素算法模块接收所述卡尔曼滤波器输出的卡尔
曼滤波信号，基于所述卡尔曼滤波信号通过四元素算法以获得三维空间的欧拉角，计算出
人体的三维空间姿态，得到人体的姿态信息。
在本发明所述的人体动作识别系统中，优选所述感测模块包括三轴加速度传感
器、三轴地磁传感器和/或三轴陀螺仪，通过所述三轴加速度传感器、三轴地磁传感器和/或
三轴陀螺仪感测所述人体的动作以产生相应的感测信号。
在本发明所述的人体动作识别系统中，优选所述感测信号包括所述人体的肢体在
三维空间中的方位角数据、旋转数据及位移数据。
在本发明所述的人体动作识别系统中，优选所述人体动作识别单元还包括与所述
微处理器连接的电源模块，所述电源模块用于给所述人体动作识别单元供电。
在本发明所述的人体动作识别系统中，优选所述人体识别单元还包括与所述微处
理器连接的LED灯，所述LED灯用于根据所述人体的姿态信息发出不同的色彩。
在本发明所述的人体动作识别系统中，优选所述第一通信模块和所述第二通信模
块通过蓝牙或Wi-Fi的方式进行数据传输。
实施本发明的人体动作识别系统，具有以下有益效果：本发明的人体动作识别系
统包括人体动作识别单元以及与所述人体动作识别单元通信连接的智能终端；所述智能终
端包括主控制器、显示模块以及第一通信模块，所述第一通信模块与所述主控制器连接，用
于供所述主控制器与所述人体动作识别单元进行数据传输；所述显示模块与所述主控制器
连接，用于显示所述主控制器输出的显示信息；所述人体动作识别单元包括微处理器以及
与所述微处理器相连的感测模块；所述感测模块用于感测人体的动作以产生相应的感测信
号输出至所述微处理器，所述微处理器基于所述感测信号进行处理输出相应的姿态信息并
将所述姿态信息上传给所述智能终端；所述智能终端的主控制器对所述姿态信息进行处理
输出姿态信息显示指令至所述显示模块，所述显示模块根据所述姿态信息显示指令显示相
应的姿态。本发明的人体动作识别系统通过人体动作识别单元与智能终端的互联，可根据
智能终端上所展示的游戏的节拍和指示来移动肢体进行相应的动作，同时可根据人体动作
识别单元感知人体肢体的具体动作，达到游戏和运动相结合的目的，更好地实现游戏与人
的交互，增强互动性，提升用户体验。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明人体动作识别系统的功能结构框图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明
本发明的具体实施方式。
如图1所示，在本发明的人体动作识别系统的一实施例中，本发明的人体动作识别
系统包括人体动作识别单元100以及与人体动作识别单元100通信连接的智能终端200；智
能终端200包括主控制器201、显示模块203以及第一通信模块202，第一通信模块202与主控
制器201连接，用于供主控制器201与人体动作识别单元100进行数据传输；显示模块203与
主控制器201连接，用于显示主控制器201输出的显示信息。可以理解地，在一些实施例中，
智能终端200可以是智能手机、可以为智能手机、平板电脑、台式电脑(PC)、PS、XBOX ONE、
XBOX 360中的任意一种。
人体动作识别单元100包括微处理器101以及与微处理器101相连的感测模块102；
感测模块102用于感测人体的动作以产生相应的感测信号输出至微处理器101，微处理器
101基于感测信号进行处理输出相应的姿态信息并将姿态信息上传给智能终端200；智能终
端200的主控制器201对智能终端200接收到的姿态信息进行处理输出姿态信息显示指令至
显示模块203，显示模块203根据姿态信息显示指令显示相应的姿态。可以理解地，本发明所
指的姿态是指用户在游戏时所作出的具体动作，例如，在跳舞游戏中，当用户的左手向左上
方45度角抬起，在智能终端200中的显示模块203显示出相同的抬起动作。
在一些实施例中的实际应用中，人体动作识别单元100为配戴于使用者脚部、腿
部、手部以及身体某一位置中任意一种的识别装置。具体来说，人体动作识别单元100可以
为脚环或手环等可配戴于使用者身体某一位置的识别单元。在具体的应用中可根据实际应
用确定所选用的识别单元，本发明对此不作限定。
人体动作识别单元100还包括与微处理器101连接的第二通信模块104，第二通信
模块104用于与第一通信模块202进行数据传输。可以理解地，在一些实施例中，第一通信模
块202与第二通信模块104可通过蓝牙或Wi-Fi的方式进行数据传输。
在一些实施例中，人体动作识别单元100还包括与微处理器101连接的姿态解算模
块103，微处理器101将接收的感测信号发送给姿态解算模块103，姿态解算模块103根据感
测信号进行处理，计算出人体的姿态信息，并将人体的姿态信息返回给微处理器101，微处
理器101根据人体的姿态信息进行处理输出相应的姿态信息。优选地，姿态解算模块103包
括卡尔曼滤波器，卡尔曼滤波器用于对微处理器101发送的感测信号进行滤波，输出卡尔曼
滤波信号。优选地，卡尔曼滤波信号是指经过卡尔曼滤波后的相关数据信号。可以理解地，
卡尔曼滤波器卡尔曼滤波(Kalman filtering)一种利用线性系统状态方程，通过系统输入
输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。由于观测数据中包括系统中的噪声和干
扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。数据滤波是去除噪声还原真实数据的一种
数据处理技术，卡尔曼滤波在测量方差已知的情况下能够从一系列存在测量噪声的数据
中，估计动态系统的状态。由于,它便于计算机编程实现,并能够对现场采集的数据进行实
时的更新和处理,因此，本发明的人体识别单元100采用卡尔曼滤波器对感测信号进行滤
波，可以更快、更精准地获得人体的动作的姿态数据。
另外，卡尔曼滤波不要求信号和噪声都是平稳过程的假设条件。对于每个时刻的
系统扰动和观测误差(即噪声)，只要对它们的统计性质作某些适当的假定，通过对含有噪
声的观测信号进行处理，就能在平均的意义上，求得误差为最小的真实信号的估计值。例如
在图像处理方面，应用卡尔曼滤波对由于某些噪声影响而造成模糊的图像进行复原。在对
噪声作了某些统计性质的假定后，就可以用卡尔曼的算法以递推的方式从模糊图像中得到
均方差最小的真实图像，使模糊的图像得到复原，即在本发明的实施例中为对人体的动作
的复原，并通过显示模块203进行显示。且采用卡尔曼滤波器，可以在人体参与游戏过程中，
估算出人体运动的动作并还原。
在一些实施例中，姿态解算模块103还包括与卡乐曼滤波器相连的四元素算法模
块。可以理解地，四元素算法模块接收卡尔曼滤波器输出的卡尔曼滤波信号，基于卡尔曼滤
波信号通过四元素算法以获得三维空间的欧拉角，计算出人体的三维空间姿态，得到人体
的姿态信息。
进一步地，欧拉角是用来确定定点转动物体位置的3个一级独立角参量，可由章动
角、旋进角和自转角组成。通过对章动角、旋进角和自转角采用欧拉运动学方程进行运算，
从而计算出人体在三维空间实时动作的姿态，并得到人体的姿态信息。另外，本发明的姿态
解算模块103对感测信号先进行卡尔曼滤波后，再利用四元素算法进行解算，通过四元素这
个数学工具，用它来弥补人体角运动的3个欧拉角的不足。可以理解地，四元素可以描述一
个坐标系或一个矢量相对某一个坐标系的旋转，四元素的标量部分表示了转角的一半余弦
值，而其矢量部分则表示瞬时转轴的方向、瞬时转动轴与参考坐标系轴间的方向余弦值。因
此，一个四元素既表示了转轴的方向，又表示了转角的大小。借此，在本发明的实施例中，采
用四元素计算可快速获得人体的姿态信息。提高了运算的效率。
在一些实施例中，感测模块102包括三轴加速度传感器、三轴地磁传感器和/或三
轴陀螺仪。可以理解地，感测模块102可包括三轴加速度传感器、三轴地磁传感器和三轴陀
螺仪，或者三轴加速度传感器、三轴地磁传感或三轴陀螺仪。通过三轴三轴加速度传感器、
三轴地磁传感和/或三轴陀螺仪感测人体的动作以产生相应的感测信号。
在一些实施例中，感测信号包括人体的肢体在三维空间中的方位角数据、旋转数
据及位移数据。
例如，使用者在进行不同的运动过程中，身体会因运动状态不同而以不同的角度、
旋转及位置进行不同的动作，而配戴在人体的人体动作识别单元就会根据使用者的身体动
作的状态变化而感测出相应的感测信号，如可感测使用者在一定范围内的方位角数据、连
续的旋转变化数据以及在一定范围内偏差的直线位移数据，即使用者在运动过程中的运动
轨迹数据，再根据所获得的运动轨迹数据计算得到方位角、旋转方向(如顺时针或逆时针)、
位移方向与方位角的相同或相反等，通过对这些数据的处理，获得使用者的肢体在三维空
间的姿态及姿态信息。
在一些实施例中，人体动作识别单元100还包括与微处理器101连接的电源模块
105。可以理解地，电源模块105用于给人体动作识别单元100供电。
在一些实施例中，人体动作识别单元100还包括与微处理器101连接的LED灯106。
可以理解地，LED灯106用于根据人体的姿态信息发出不同的色彩。具体地，当使用者在进行
游戏时，微处理器101根据感测模块102传输的感测信号，对所接收到的感测信号进行处理，
并输出相应的LED灯显示控制指令，控制LED灯106显示不同的色彩变化。换句话说，本发明
所指的LED灯106可为本领域常指的呼吸灯，即当使用者在进行某个动作时，如向上跳跃，微
处理器101根据感测信号并进行处理，向LED灯106输出显示控制指令，对应的LED灯点亮，显
示出与跳跃对应的颜色。优选地，在本发明的实施例中，根据LED灯的颜色组合变化，可显示
255种颜色。
可以理解地，在一些实施例中，本发明的人体动作识别系统可实现游戏和运动相
结合的目的，如跳舞、滑雪、自行车等运动游戏，通过配戴在使用者上的人体动作识别单元
100来感测识别人体的动作并将识别出的人体动作的姿态信息上传给智能终端200，智能终
端200对姿态信息进行显示，同时，在智能终端200上显示相应的游戏界面，根据智能终端
200上显示的游戏的节拍和指示进一步指导游戏用户进行相应的动作，实现人与游戏的交
互，提升用户的使用体验。
为更进一步地说明本发明的人体动作识别系统的工作原理，现以跳舞环为例进行
详细说明。
首先，使用者先配戴跳舞环(包括脚环和手环)，然后开启跳舞环，开启智能终端
200，接通跳舞环和智能终端200，开启智能终端200中相应的跳舞游戏，进入跳舞游戏界面，
根据跳舞游戏界面所显示的游戏的节拍和提示，使用者开始移动双脚和双手，此时，手环和
脚环内的三轴加速度传感器、三轴地磁传感器和/或三轴陀螺仪感测到使用者的移动产生
相应的感测信号，如人体在三维空间中移动的方位角数据、旋转数据及位移数据，并将所感
测到的感测信号(方位角数据、旋转数据及位移数据)传输给微处理器101，微处理器101接
收该感测信号(方位角数据、旋转数据及位移数据)，对这些数据进行处理并发送给姿态解
算模块103，姿态解算模块103对方位角数据、旋转数据及位移数据通过卡尔曼滤波器进行
滤波获得卡尔曼滤波信号并传送给四元素算法模块，通过四元素算法模块对卡尔曼滤波信
号进行处理计算，获得使用者的三维空间姿态，得到使用者的姿态信息。微处理器101将获
得的姿态信息上传给智能终端200，智能终端200对姿态信息进行处理并在显示模块203上
进行显示，使用者根据显示模块203的显示调整身体移动的动作，如方向距离或旋转角度
等，从而完成相应的舞姿。同时，微处理器101根据姿态信息输出相应的LED灯显示指令，控
制LED灯进行相应颜色的显示，增强跳舞的效果及氛围。进而完成了人与游戏相结合的跳舞
游戏，使用户与游戏的互动得到进一步的提高，提升了用户体验。
本发明所公开的人体动作识别系统的人体动作识别单元100用于感应人体的动作
以识别出使用者当前正在进行的运动，即身体的肢体动作，例如挥手、弹跳、行走、旋转等，
包括跳舞、滑雪、骑自行车等等。通过人体动作识别单元100对肢体动作不同的规律动作可
以识别出使用者正在进行的动作，通过姿态解算获取使用者当前的姿态信息，并通过智能
终端200对使用者当前的姿态信息进行显示，将使用者自身当前的姿态信息展示给使用者
实时观看，以便使用者可以根据智能终端200的展示以调整自身的动作，更好地完成运动，
进一步增强了使用者与游戏的互动性。
以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人
士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要
求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，
而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。