可穿戴运动传感器在汉语拼音教学中的应用

许莉

摘要：目前在健康医疗和智能终端上可穿戴运动传感器应用较为广泛，而在教育领域的应用则相对较少。针对小学生在汉语拼音学习中遇到的困难，提出了一种将可穿戴运动传感器运用于人体舌头关键部位，对舌部的运动进行三维动作识别，从而建立舌部模型，实现各音标发音时舌部的运动仿真的想法，帮助学生精准的学习汉语拼音的发音。

关键词：可穿戴运动传感器；汉语拼音；三维动作识别；舌部模型；运动动画

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）15-3619-02

1 概述

汉语拼音是小学生打开知识大门的金钥匙，是迈向科学高峰的阶梯。汉语拼音发音不够标准是很多学生急需解决的问题，而纯拼音的教学又是抽象枯燥的，将可穿戴运动传感器这个前沿的科技应用到拼音教学上，通过一系列的计算机信息技术，把抽象的教学内容变得精准且生动有趣，从而最大限度地激发学生兴趣，启发学生思维将具有重要的意义。

可穿戴运动传感器（Wearable Motion Sensor）由可穿戴计算发展而来，20世纪60年代至70年代是可穿戴计算的萌芽期。1966年麻省理工院学生索普（Thorp）和香农（Shannon）等人研制的用于轮盘赌的可穿戴计算机是历史上第一个可穿戴设备。21世纪以后，可穿戴计算取得了显著进步，并且进入普通人的视野和生活。计算机信息技术的快速发展为可穿戴设备的开发提供了良好的技术基础，加上人们对更自由，更健康，更个性化的信息处理需求打开了可穿戴设备的应用市场。

2 可穿戴运动传感器

2013年9月11日在瑞士的国际可穿戴电脑研讨会上 Chu和Polly Huang， 以及他们的同事Cheng-Yuan Li， Yen-Chang Chen 和 Wei-Ju Chen展示了一款智能牙齿。在这项研究中，科学家们用牙科粘合剂把传感器粘在8个志愿者在牙齿上。该设备是一个加速度检测计，可以进行三维运动识别，然后在传感器外涂上一层补牙用的树脂涂层，以确保与唾液隔绝。传感器收集的数据通过一根细导线进行传输。下图为嵌入传感器的智能牙齿模型。

无论何时说话或者吞咽，都会用到舌头。然而，由于舌头的复杂结构，关于舌头如何活动的很多问题仍然是一个迷。很少有研究者重视舌头的建模。鉴于上述研究的激发，也可以设想将传感器放置到人体舌头上，来观测发出音标时舌头运动的轨迹，从而建立舌头运动模型。对比之前建立舌模型时需要模拟运动轨迹，大大降低了模型建立的难度，并且实际监测的运动轨迹能够更准确的建立模型。

3 可穿戴运动传感器的动作识别

首先微惯性传感器应用于动作识别是模式识别领域的一个重要研究内容，其主要是通过多个惯性传感单元获取对象运动时产生的运动或肌电信号，进而对信号进行数据预处理、特征信息分析与提取，最后根据提取的特征模态对动作状态进行分类和识别。我们考虑到可将多个传感器节点放置在舌头的不同部位，并构成一个无线体域网（Wireless Body Sensor Networks， WBSN）。考虑到肌电信号是肌肉收缩时可采集到的一种生物电信号，其信号特征与人体相关部位的特定动作关联度较高，因此利用表面肌电信号进行舌部动作状态的特征分析是可行的。且在特征信息分析与提取部分应用概率神经网络（probabilistic neural networks， PNNs），突出的非线性逼近特性。针对舌部非线性运动时加速度信号不稳定性等问题，采用基于聚类特征选择的DHMM姿态识别方法。运用k-means聚类算法进行运动特征分类，并将其输入到隐马尔可夫（Hidden Markov Model，HMM）模型，通过模型训练和相似度计算，可匹配出不同的发音舌部动作状态。

4 基于可穿戴运动传感器的3D舌部模型

舌头是口腔中形成字音的重要发声器官，有所谓“吐字的枢纽在舌头”之说。控制舌头运动的主要是舌肌，然而每块单独肌肉的动作也都会依赖于周围肌肉复杂的协调运动。

有些人吐字不是很清晰或者很准确，主要是因为没有正确地调节舌肌。构建舌部运动模型的目的就是要探讨舌肌控制的复杂内部机理。通过对正确发音的舌部运动模型的精准构建，使得在发音教学中可以让学生尽可能模拟出正确的舌部运动，从而产生正确的吐字和发音。而舌部3D模型的建立则可以更能够全方位了解和掌握针对具体发音的正确舌部运动。

下图为人体舌部肌肉的简介图。

根据舌部肌肉的结构，结合汉语拼音各音标发音时的舌部动作，可设想将适合舌部运动设计的传感器，根据实际需要分别放置舌部的舌尖、舌中部两侧、舌根部等位置。接收并整理各音标发音时舌部的运动轨迹，建立舌肌运动模型，使用3D Studio Max等三维动画渲染和制作软件实现运动仿真，并将其运用到音标的教学上。

5 总结

基于可穿戴运动传感器的3D舌部模型的建立并将其实现运动仿真，制作成各音标发音时的动画视频，来实现对小学生音标的生动有趣，精准的教学将十分的有意义。由于人体舌头结构的特殊性，对能够放置到舌部的传感器的要求相对较高，且舌部运动轨迹的采集相对人体外界动作的采集难度也较大，因此下一步工作是要将这些问题克服，真正实现这种智能化的汉语拼音音标的教学。

参考文献：

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