一种基于双师教学的运动训练系统及其方法
技术领域
本发明涉及运动训练系统，特别是一种基于双师教学的运动训练系统及其方法。
背景技术
随着不少线上教育培训机构的兴起，很多学生都喜欢在网上报课程进行学习。学习者可以花费极少的钱去听到名师的讲解，从而大力提升自己的学习成绩。但是线上教育不得不面对的一个问题是，尽管有名师的讲解，但是学生在线下听课的时候，没有办法集中注意力，从而使得教学质量大幅度缩水。
在线教育模式遇到的普遍短板在于，它要么仅仅将传统的教育模式搬到了网络、要么只是机器连接学生，并不能够真正满足学生学习的需求。学生在听课过程中，因为无法实时互动，很多问题也难以当堂解决。在线教育缺了一个串联学生与知识的桥梁，也就是老师，只有老师才是在线教育的核心资源。
现有体适能教育培训机构都采用线下教学的组织方式展开，通过体能教练团队提供专业的体能素质和运动技能等方面的教学和培训。体适能教育培训机构的授课运营必须建立在具备有一定专业化的体能教练团队的基础才能展开教学。
但是专业化的体能教练资源比较稀缺，且机构内部的培养周期较长，导致专业化体能课程的授课成本相对较高，使得专业化体能课程的入门门槛较高，一般客户难以接受高额的费用，不利于机构的运营和推广；而且，专业体能教练的能力有限，无法完全满足市场需求，机构的专业体能培训易用性不佳。而普通的体能教练不具备专业授课资质，无法满足专业化体能课程的授课需求，相对于竞争激烈的体适能教育培训市场没有竞争优势，从而不利于机构的运营和推广。
所以，现有的体适能教育培训机构存在专业教练成本较高而普通教练水平有限从而不利于机构运营和推广的缺点。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于双师教学的运动训练系统及其方法。本发明具有降低体能运动教学门槛从而降低体适能培训机构运营成本利于机构运营和推广的优点。
本发明的技术方案：一种基于双师教学的运动训练系统，包括：动作视频制作和发布模块，用于线上专业教练录制运动训练视频发布存储到云端服务器；
获取视频资源模块，用于从云端服务器获取运动训练视频；
控制器模块，用于线下教练选择并播放运动训练视频；
播放模块，用于播放运动训练视频；
互动模块，用于让学员与运动训练视频进行互动教学；
处理器单元，用于驱动上述所有模块工作。
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述处理器单元是一种计算机系统的运算和控制核心，是信息处理和运行的最终执行单元，其负载读取指令、译码指令和执行指令的部件；所述处理器单元包括控制器、运算器，高速缓冲存储器、数据和控制总线；
所述处理器单元是低功耗嵌入式系统处理器或擅长处理视频、图像类的多媒体数据的视频处理器。
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述运动训练视频至少包括视频流媒体、音频媒体和场景字幕这些信息；
所述运动训练视频至少包括以下类型：运动教学的律动热身操视频资源、运动训练视频资源和用于素质练习的放松拉伸视频资源；
所述获取视频资源模块通过控制器模块从云端服务器或本地获取运动训练视频，预先加载云端服务器上的运动训练视频至高速缓冲存储器，可加速运动训练视频的播放和使用；
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述动作视频制作和发布模块包括动作视频制作模块和动作视频发布模块；
动作视频制作模块至少包括离线视频录制、在线视频转制或绿幕视频拍摄的视频制作方式，用于线上专业教练制作运动训练原始视频。
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述播放模块可以播放运动训练原始视频，也可以播放经转码和压制生成的运动训练视频。
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述离线视频录制具体为离线采用运动相机录制并生成运动训练原始视频；
所述在线视频转制具体为获取已有在线动作视频，经转码和压制生成运动训练视频；
所述绿幕视频拍摄具体为通过绿幕拍摄生成运动训练原始视频。
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述转码，用于将运动训练原始视频处理得到去掉背景场景只保留运动主体、运动动作和透明度信息的视频前景主体；
所述透明度信息用于指示视频前景主体和课程虚拟场景和/或背景叠加渲染输出的上下图层位置；
所述压制，用于将视频前景主体、音频媒体和场景字幕进行压缩、生成并信息表示从而输出多媒体封装格式的运动训练视频；
所述信息表示为视频、音频和字幕信息内容的同步操作和指示。
所述转码和压制采用一种具有高保真透明度信息的视频编码方法。
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述转码和压制采用一种具有高保真透明度信息的视频编码方法；所述视频编码方法，具有如下步骤：
A、获取内容信息：获取至少包括前景主体、音频媒体资源和场景字幕的内容信息；
B、计算视频的色彩空间格式和色彩位宽格式对：根据步骤A获取的内容信息计算视频处理的色彩空间格式和色彩位宽格式对；
C、色彩空间转换处理：根据步骤A所得的内容信息和步骤B所得的色彩空间格式和色彩位宽格式对，对运动训练视频的内容作视频色彩空间格式转换处理并输出视频帧数据；
所述视频帧数据包括原始视频内容和对应的原始透明度信息；原始视频内容需要通过编码、合成封装、发布以及播放时获取、解封装以及解码、渲染过程；
D、视频编码处理：视频编码器根据步骤C所得的视频帧数据进行压缩并输出包含透明度信息的视频字节流数据；视频字节流同音频流、字幕流等资源依据内容时间戳同步原则合成一种多媒体的封装数据格式；
E、多媒体合成处理：将至少包括视频字节流数据、音频流数据、字幕流数据的资源根据内容时间戳同步原则合成兼容市场主流封装格式、视频编码协议规范和音频编码协议规范的多媒体封装格式。
前述的基于双师教学的运动训练系统中，步骤B所述的色彩空间格式和色彩位宽格式对至少包括[RGBA/ABGR,32bit]、[BGR24/RGB24,24bit]和[BGR16/RGB16,16bit]的格式；所述色彩位宽格式对至少包括一位及以上的位域用于存储图像像素的透明度信息；所述透明度信息定义透明、不透明和半透明区域，所述位域范围内黑色值表示透明，白色值表示不透明，灰色值表示半透明。
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述视频字节流数据通过带内和/或带外的方式携带视频像素的透明度数据；
所述带内具体为在常规视频字节流内冗余结构信息中或者在字节流内部定义一种附加扩展编码输出单元；
所述带外是指和常规视频字节流同步输出的另一包含视频像素的透明度数据包数据，同时包括对应视频帧的时间戳以指示对应和同步，以达到进一步或传输或存储数据包的方便使用。
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述主流封装格式至少包括MP4、MOV、MKV、FLV、WEBM和AVI，视频编码规范至少包括VP6/VP8/VP9、RV、VC1、AVS、MPEG-4、H.263、H.264和H.265，音频编码规范至少包括Ogg Vorbis、AAC、MP3；
所述音频媒体为包括立体声质量的音频资源，尤其是一种采用5+1声道杜比数字音频编码技术(AC-3/DTS)编码的环绕立体声道的音频资源。
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述互动模块至少包括用于触控互动的硬件装置和触控点解析的软件开发包；所述硬件装置至少包括激光雷达、红外框和红外摄像头。
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述互动模块还包括用于教学的实体教具，所述实体教具至少包括敏捷梯子、绳子、爬行垫、滑滑梯、标志杆和瑜伽垫。
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述互动模块还包括动作检测纠正模块，用于检测并纠正学员的错误动作。
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述动作检测纠正模块，其检测纠正的具体步骤如下：
A、获取动作数据信息：根据当前播放的运动训练视频获取运动训练视频每个视频帧中的教练动作数据信息；根据在场景内学员的动作获取学员相对于每个视频帧中的学员动作数据信息；
B、计算动作相似度：比对和匹配计算每个视频帧中教练动作数据信息和学员动作数据信息的动作相似度，输出匹配度；
C、判断并处理动作是否相似：若匹配度小于指定阈值，判定学员动作错误和不规范输出错误信息，执行步骤D；反之，不作处理；
D、接收并统计动作错误和不规范的频度：播放模块接收错误信息并统计出动作错误和不规范的频度；
E、判断是否需要纠正：若动作错误和不规范的频度大于指定触发率和实际训练学员人数的乘积值时，执行步骤F；反之，不作处理；
F、动作纠正并巩固：播放模块播放错误动作纠正的学习视频对学员进行动作纠正并巩固。
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述控制器模块至少包含课程控制功能模块和播放控制功能模块；
所述课程控制功能模块，用于线下教练选择并控制训练用的课程；
所述播放控制功能模块至少包括动作视频分解功能模块和慢动作回放功能模块，用于线下教练控制运动训练视频的播放。
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述控制器模块用于访问和控制所述基于双师教学的运动训练系统，所述控制器模块包括用户界面单元和用户接口单元；所述用户接口单元至少包括打开课程、切换课程、结束课程和播放控制动作视频的操作指令；所述用户界面单元用于对用户接口单元操作指令的结果数据进行输出和展现；
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述控制器模块通过应用App或WebHTML5实现。
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述控制器模块包含播放控制动作视频指令；所述播放控制动作视频指令至少包括播放视频、暂停视频、结束视频、切换上一视频、切换下一视频和慢回放视频；
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述课程包括游戏竞技单元、运动路线元素、课程卡通虚拟单元、闯关设定元素和课程结算单元。
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述动作视频分解功能模块根据完整动作视频计算出单一动作类型的种类、每一单一动作类型视频片段的起始时间点和结束时间点；
所述动作视频分解功能模块采用基于动作视频结合配置文件信息或基于动作视频结合人工智能视觉的方法进行动作视频分解；
基于动作视频结合配置文件信息的动作视频分解流程，见图6；
基于动作视频结合人工智能视觉的动作视频分解流程，见图7；
所述人工智能视觉的方法具体为通过离线训练每一种类动作类型的特征输出每一动作的训练特征集，输入完整动作视频依据动作视频的时间轴抽取每一视频帧同每一动作的训练特征集进行逐一分类、匹配和打分，分值高于指定阈值即判定输入这一段属于相对应的动作集；
所述配置文件信息至少包括单一动作类型的种类和每一单一动作类型视频片段的起始时间点与结束时间点。
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述慢动作回放模块可针对某一动作类型作细致的分解，使得学员更充分得学习和吸收，而且可避免体能教练作重复的动作教学和动作分解教学的重复劳作的苦累，动作视频慢回放处理流程见图8。
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述播放模块包括多视频分镜头播放控制功能，将所述运动训练系统内的课程场景展现动作视频播放画面分成第一视频和第二视频；优选的，第二视频是包括课堂中教练辅导学员作动作指导或者动作纠正的画面，第二视频画面可与原展现动作视频播放的第一视频辅助放在一起实现边对边(Side By Side，简称SBS)和/或画中画(Picture In Picture，简称PIP)的展现模式，这样可以方便比对实际动作训练和指导视频的差异，也可对其它学员带来帮助，少走弯路，提高学习效率。
前述的基于双师教学的运动训练系统中，所述透明度信息分为两种，一种是原始的透明度信息，另一种是视频编码处理后压缩生成的包含透明度信息的字节流数据。
一种基于双师教学的运动训练方法，包括以下步骤：
A、制作和发布运动训练视频：线上专业教练通过动作视频制作和发布模块制作出运动训练视频并发布到云端服务器；
B、获取运动训练视频：线下教练根据课程需要通过获取视频资源模块从云端服务器获取所需的运动训练视频；
C、控制播放运动训练视频：线下教练通过控制器模块来进行控制运动训练视频的播放；
D、播放运动训练视频：播放模块对控制器模块选择播放的运动训练视频进行播放；
E、场景互动：学员根据运动训练视频通过互动模块进行互动训练；动作检测纠正模块实时检测并纠正学员的错误动作。
本发明提供一种基于双师教学的运动训练系统及其方法，线上专业教练通过动作视频制作和发布模块制作专业化的运动训练视频，采用动训练视频来代替线上教练真人教学，体适能教育培训机构无需配置真人专业教练就可开展专业化的运动训练课程，且采用运动训练视频来取代真人教练能避免真人教练频繁和重复性的进行专业体能动作演示，进而提高运动训练的效率；线下普通资质的教练通过控制器模块对训练课程进行控制，从而能根据实际学员需要选择对应课程，线下普通教练能结合专业的运动训练视频进行专业化的体能课程授课，无需具有专业的授课资质，降低体能运动教学的门槛，提高产品的易用性和普适性，降低体适能教育培训机构对专业化体能师资团队进行建设和培训的成本从而降低了机构的运营成本，便于机构运营和推广。
所以本发明具有降低体能运动教学门槛从而降低体适能培训机构运营成本利于机构运营和推广的优点。
进一步的，本发明提供一种视频编码方法，该视频编码方法解决了现有技术中基于ITU/ISO H.264的MP4视频流格式无法编码输出带有透明度信息的视频内容的问题，兼容其它编码规范，具备通用性和普适性。
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图2是本发明视频编码方法的流程图；
图3是本发明运动训练视频制作和发布的流程图；
图4是本发明控制器模块的结构示意图；
图5是本发明播放模块的结构示意图；
图6是基于动作视频结合配置文件信息的动作视频分解的流程图；
图7是基于动作视频结合人工智能视觉的动作视频分解的流程图；
图8是动作视频慢回放处理的流程图；
图9是本发明的方法流程；
图10是本发明实施例2的示意图；
图11是本发明实施例3的示意图。
附图标记：1-体能教练，2-智能交互设备，3-显示设备，4-课程虚拟场景，51-教学动作视频，52-现场动作指导第二视频，6-处理器，7-控制器，8-云端服务器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1。一种基于双师教学的运动训练系统，如图1-9所示，其特征在于，包括：动作视频制作和发布模块，用于线上专业教练录制运动训练视频发布存储到云端服务器；
获取视频资源模块，用于从云端服务器获取运动训练视频；
控制器模块，用于线下教练选择并播放运动训练视频；
播放模块，用于播放运动训练视频；
互动模块，用于让学员与运动训练视频进行互动教学；
处理器单元，用于驱动上述所有模块工作。
所述处理器单元是一种计算机系统的运算和控制核心，是信息处理和运行的最终执行单元，其负载读取指令、译码指令和执行指令的部件；所述处理器单元包括控制器、运算器，高速缓冲存储器、数据和控制总线；
所述处理器单元是低功耗嵌入式系统处理器或擅长处理视频、图像类的多媒体数据的视频处理器。
所述运动训练视频至少包括视频流媒体、音频媒体和场景字幕这些信息；
所述运动训练视频至少包括以下类型：运动教学的律动热身操视频资源、运动训练视频资源和用于素质练习的放松拉伸视频资源；
所述获取视频资源模块通过控制器模块从云端服务器或本地获取运动训练视频，预先加载云端服务器上的运动训练视频至高速缓冲存储器，可加速运动训练视频的播放和使用；
所述动作视频制作和发布模块包括动作视频制作模块和动作视频发布模块；
动作视频制作模块至少包括离线视频录制、在线视频转制或绿幕视频拍摄的视频制作方式，用于线上专业教练制作运动训练原始视频。
所述播放模块可以播放运动训练原始视频，也可以播放经转码和压制生成的运动训练视频。
所述离线视频录制具体为离线采用运动相机录制并生成运动训练原始视频；
所述在线视频转制具体为获取已有在线动作视频，经转码和压制生成运动训练视频；
所述绿幕视频拍摄具体为通过绿幕拍摄生成运动训练原始视频。
所述转码，用于将运动训练原始视频处理得到去掉背景场景只保留运动主体、运动动作和透明度信息的视频前景主体；
所述透明度信息用于指示视频前景主体和课程虚拟场景和/或背景叠加渲染输出的上下图层位置；
所述压制，用于将视频前景主体、音频媒体和场景字幕进行压缩、生成并信息表示从而输出多媒体封装格式的运动训练视频；
所述信息表示为视频、音频和字幕信息内容的同步操作和指示；
所述转码和压制采用一种具有高保真透明度信息的视频编码方法；所述视频编码方法，具有如下步骤：
A、获取内容信息：获取至少包括前景主体、音频媒体资源和场景字幕的内容信息；
B、计算视频的色彩空间格式和色彩位宽格式对：根据步骤A获取的内容信息计算视频处理的色彩空间格式和色彩位宽格式对；
C、色彩空间转换处理：根据步骤A所得的内容信息和步骤B所得的色彩空间格式和色彩位宽格式对，对运动训练视频的内容作视频色彩空间格式转换处理并输出视频帧数据；
D、视频编码处理：视频编码器根据步骤C所得的视频帧数据进行压缩并输出包含透明度信息的视频字节流数据；视频字节流同音频流、字幕流等资源依据内容时间戳同步原则合成一种多媒体的封装数据格式；
E、多媒体合成处理：将至少包括视频字节流数据、音频流数据、字幕流数据的资源根据内容时间戳同步原则合成兼容市场主流封装格式、视频编码协议规范和音频编码协议规范的多媒体封装格式。
步骤B所述的色彩空间格式和色彩位宽格式对至少包括[RGBA/ABGR,32bit]、[BGR24/RGB24,24bit]和[BGR16/RGB16,16bit]的格式；所述色彩位宽格式对至少包括一位及以上的位域用于存储图像像素的透明度信息；所述透明度信息定义透明、不透明和半透明区域，所述位域范围内黑色值表示透明，白色值表示不透明，灰色值表示半透明。
所述视频字节流数据通过带内和/或带外的方式携带视频像素的透明度数据；
所述带内具体为在常规视频字节流内冗余结构信息中或者在字节流内部定义一种附加扩展编码输出单元；
所述带外是指和常规视频字节流同步输出的另一包含视频像素的透明度数据包数据，同时包括对应视频帧的时间戳以指示对应和同步，以达到进一步或传输或存储数据包的方便使用。
所述主流封装格式至少包括MP4、MOV、MKV、FLV、WEBM和AVI，视频编码规范至少包括VP6/VP8/VP9、RV、VC1、AVS、MPEG-4、H.263、H.264和H.265，音频编码规范至少包括OggVorbis、AAC、MP3；
所述音频媒体为包括立体声质量的音频资源，尤其是一种采用5+1声道杜比数字音频编码技术(AC-3/DTS)编码的环绕立体声道的音频资源。
所述互动模块至少包括用于触控互动的硬件装置和触控点解析的软件开发包；所述硬件装置至少包括激光雷达、红外框和红外摄像头。
所述互动模块还包括用于教学的实体教具，所述实体教具至少包括敏捷梯子、绳子、爬行垫、滑滑梯、标志杆和瑜伽垫。
所述互动模块还包括动作检测纠正模块，用于检测并纠正学员的错误动作。
所述动作检测纠正模块，其检测纠正的具体步骤如下：
A、获取动作数据信息：根据当前播放的运动训练视频获取运动训练视频每个视频帧中的教练动作数据信息；根据在场景内学员的动作获取学员相对于每个视频帧中的学员动作数据信息；
B、计算动作相似度：比对和匹配计算每个视频帧中教练动作数据信息和学员动作数据信息的动作相似度，输出匹配度；
C、判断并处理动作是否相似：若匹配度小于指定阈值，判定学员动作错误和不规范输出错误信息，执行步骤D；反之，不作处理；
D、接收并统计动作错误和不规范的频度：播放模块接收错误信息并统计出动作错误和不规范的频度；
E、判断是否需要纠正：若动作错误和不规范的频度大于指定触发率和实际训练学员人数的乘积值时，执行步骤F；反之，不作处理；
F、动作纠正并巩固：播放模块播放错误动作纠正的学习视频对学员进行动作纠正并巩固。
所述控制器模块至少包含课程控制功能模块和播放控制功能模块；
所述课程控制功能模块，用于线下教练选择并控制训练用的课程；
所述播放控制功能模块至少包括动作视频分解功能模块和慢动作回放功能模块，用于线下教练控制运动训练视频的播放。
所述控制器模块用于访问和控制所述基于双师教学的运动训练系统，所述控制器模块包括用户界面单元和用户接口单元；所述用户接口单元至少包括打开课程、切换课程、结束课程和播放控制动作视频的操作指令；所述用户界面单元用于对用户接口单元操作指令的结果数据进行输出和展现；
所述控制器模块通过应用App或Web HTML5实现。
所述控制器模块包含播放控制动作视频指令；所述播放控制动作视频指令至少包括播放视频、暂停视频、结束视频、切换上一视频、切换下一视频和慢回放视频；
所述课程包括游戏竞技单元、运动路线元素、课程卡通虚拟单元、闯关设定元素和课程结算单元。
所述动作视频分解功能模块根据完整动作视频计算出单一动作类型的种类、每一单一动作类型视频片段的起始时间点和结束时间点；
所述动作视频分解功能模块采用基于动作视频结合配置文件信息或基于动作视频结合人工智能视觉的方法进行动作视频分解；
所述人工智能视觉的方法具体为通过离线训练每一种类动作类型的特征输出每一动作的训练特征集，输入完整动作视频依据动作视频的时间轴抽取每一视频帧同每一动作的训练特征集进行逐一分类、匹配和打分，分值高于指定阈值即判定输入这一段属于相对应的动作集；
所述配置文件信息至少包括单一动作类型的种类和每一单一动作类型视频片段的起始时间点与结束时间点。
所述慢动作回放模块可针对某一动作类型作细致的分解，使得学员更充分得学习和吸收，而且可避免体能教练作重复的动作教学和动作分解教学的重复劳作的苦累，动作视频慢回放处理流程见图8。
所述播放模块包括多视频分镜头播放控制功能，将所述运动训练系统内的课程场景展现动作视频播放画面分成第一视频和第二视频；优选的，第二视频是包括课堂中教练辅导学员作动作指导或者动作纠正的画面，第二视频画面可与原展现动作视频播放的第一视频辅助放在一起实现边对边(Side By Side，简称SBS)和/或画中画(Picture InPicture，简称PIP)的展现模式，这样可以方便比对实际动作训练和指导视频的差异，也可对其它学员带来帮助，少走弯路，提高学习效率。
一种基于双师教学的运动训练方法，包括以下步骤：
A、制作和发布运动训练视频：线上专业教练通过动作视频制作和发布模块制作出运动训练视频并发布到云端服务器；
B、获取运动训练视频：线下教练根据课程需要通过获取视频资源模块从云端服务器获取所需的运动训练视频；
C、控制播放运动训练视频：线下教练通过控制器模块来进行控制运动训练视频的播放；
D、播放运动训练视频：播放模块对控制器模块选择播放的运动训练视频进行播放；
E、场景互动：学员根据运动训练视频通过互动模块进行互动训练；动作检测纠正模块实时检测并纠正学员的错误动作。
实施例2。一种基于双师教学的运动训练系统及其方法的应用，包括体能教练1、智能交互设备2、显示设备3、处理器6、控制器7和服务器8；所述智能交互设备2、显示设备3、处理器6、控制器7和服务器8相互连接。显示设备3上的显示情况为单画面显示，背景为课程虚拟场景4，前景为教学动作视频51。
实施例3。一种基于双师教学的运动训练系统及其方法的应用，包括体能教练1、智能交互设备2、显示设备3、处理器6、控制器7和服务器8；所述智能交互设备2、显示设备3、处理器6、控制器7和服务器8相互连接。显示设备3上的显示情况为双画面显示，背景为课程虚拟场景4，前景分别为教学动作视频51和现场动作指导第二视频52。
实施例4。一种基于双师教学的运动训练系统及其方法的应用，通过直播专业教练的实体视频或点播预先制作好的专业运动训练视频进行同步直播至异地多个线下教育机构实现高效双师教学，线下机构只需配备一个普通资质教练进行辅助教学，可节约成本75％(150/(150+50))以上(基于假定专业教练等效成本150单位，普通资质教练等效成本50单位)。
