基于運(yùn)動(dòng)捕捉的高爾夫揮桿分析與輔助訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州，450052）

基于運(yùn)動(dòng)捕捉的高爾夫揮桿分析與輔助訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王娟娟

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州，450052）

高爾夫運(yùn)動(dòng)作為新型的高端運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，正在被越來越多的人接受。而運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在體育訓(xùn)練中的廣泛應(yīng)用，對(duì)提高運(yùn)動(dòng)員的高爾夫運(yùn)動(dòng)水平，具有重要的作用.本文通過運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)高爾夫運(yùn)動(dòng)員揮桿動(dòng)作進(jìn)行捕捉，并建立數(shù)據(jù)庫，與訓(xùn)練者進(jìn)行比對(duì)，同時(shí)通過比對(duì)可得出相應(yīng)的參數(shù)，以此給予教練更好的訓(xùn)練方法。

GolfSense；Kinect；運(yùn)動(dòng)捕捉；數(shù)據(jù)采集；輔助訓(xùn)練系統(tǒng)

隨著人們生活水平的提高，人們開始越來越多的追逐比較高端的體育運(yùn)動(dòng)。同時(shí)現(xiàn)行的高爾夫體育運(yùn)動(dòng)在很大程度上都是依靠教練對(duì)運(yùn)動(dòng)員實(shí)行一對(duì)一的教學(xué)，而造成了教練資源的浪費(fèi)。此外，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)字特此技術(shù)、運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)運(yùn)動(dòng)的捕捉等已經(jīng)包含了機(jī)械式、光學(xué)式等多種不同原理。本文則對(duì)不同原理技術(shù)的高爾夫揮桿動(dòng)作捕捉技術(shù)原理進(jìn)行介紹，并設(shè)計(jì)出可用于輔助高爾夫教學(xué)的系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

1 基于不同原理的高爾夫揮桿捕捉原理分析

1.1影像法

基于影像法的高爾夫輔助系統(tǒng)是由北京的盈智恒信科技與深圳的體育用品公司所共同引進(jìn)開發(fā)的一種視頻分析技術(shù)。通過該視頻技術(shù)，可對(duì)高爾夫運(yùn)動(dòng)員的揮桿動(dòng)作進(jìn)行慢放、定格、放大并可進(jìn)行標(biāo)注等簡單的一些技術(shù)處理，同時(shí)給予高爾夫運(yùn)動(dòng)員比較直觀的視覺的效果，從而促進(jìn)運(yùn)動(dòng)員的相關(guān)訓(xùn)練。該技術(shù)主要是通過數(shù)碼原理，對(duì)相關(guān)對(duì)視頻進(jìn)行慢放等，從而形成良好的輔助訓(xùn)練方法。

1.2便攜式傳感器法

該方法是通過GolfSense軟件而實(shí)現(xiàn)對(duì)高爾夫運(yùn)動(dòng)的捕捉，并實(shí)現(xiàn)對(duì)其輔助訓(xùn)練。該平臺(tái)是由硬件和軟件、云計(jì)算平臺(tái)共同構(gòu)成，通過其手套（如圖1）上的運(yùn)動(dòng)捕捉，可精確的實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)不同角度的數(shù)據(jù)的額采集，并對(duì)每桿成敗得失關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此給予運(yùn)動(dòng)員更好的輔導(dǎo)。通過該系統(tǒng)可以讓運(yùn)動(dòng)員從而個(gè)不同的角度對(duì)自己的揮桿動(dòng)作進(jìn)行分析，從而使得自己的動(dòng)作得到不斷的優(yōu)化，以此提高運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練的成績。

圖1 GolfSense運(yùn)動(dòng)捕捉的手套

1.3圖析法

圖析法輔助系統(tǒng)是通過我們比較常見的方法來進(jìn)行設(shè)計(jì)，其基本的原理是通過在身上進(jìn)行手工的標(biāo)注，并通過光學(xué)傳感器得出不同關(guān)節(jié)所運(yùn)動(dòng)的物理參數(shù)，如速度、角速度、加速度等，然后通過這種捕捉到的參數(shù)，將其和標(biāo)注的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，從而獲取標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際之間所形成的差距，以便教練給予運(yùn)動(dòng)員更好的訓(xùn)練方案。

2 高爾夫揮桿動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)捕捉

2.1硬件的選擇

在該設(shè)計(jì)中，我們參考北京郵電大學(xué)鄧小園在對(duì)高爾夫運(yùn)動(dòng)中的設(shè)計(jì)，采用微軟公司的Kinect硬件對(duì)高爾夫揮桿動(dòng)作進(jìn)行捕捉，這主要是因?yàn)樵撥浖哂袕?qiáng)大的人機(jī)交互的能力，通過對(duì)運(yùn)動(dòng)的捕捉，可實(shí)時(shí)的獲得運(yùn)動(dòng)員的相關(guān)的動(dòng)作，并在PC電腦上生成動(dòng)畫。同時(shí)該深度攝像頭支持對(duì)運(yùn)動(dòng)員手勢(shì)和全身骨骼的捕捉，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

2.23D骨賂引擎構(gòu)建

在對(duì)高爾夫運(yùn)動(dòng)進(jìn)行揮桿動(dòng)作的捕捉的時(shí)候，首先必須建立人體和球桿的三維立體模型。而對(duì)三維立體模型的構(gòu)建，通常采用兩種方式：第一是通過數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)行構(gòu)建；另外一種方式是通過運(yùn)動(dòng)3D軟件進(jìn)行構(gòu)建。而通過3D軟件對(duì)模型的構(gòu)建中，通常則采用吳永棟提出的數(shù)字人構(gòu)建。而吳永棟的思路是將人體模型分成骨架和其他不同部位分成總共53塊，每個(gè)不同的部位又圍繞著各自相應(yīng)的關(guān)節(jié)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。同時(shí)也可利用專門的Cal3D軟件，通過設(shè)定相應(yīng)的骨骼號(hào)，并利用setRotation函數(shù)對(duì)人體動(dòng)作進(jìn)行坐標(biāo)設(shè)定和空間旋轉(zhuǎn)，并計(jì)算出其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置，在利用刷新幀，即可實(shí)現(xiàn)揮桿動(dòng)作的同步。

2.3高爾夫運(yùn)動(dòng)中的單平面

高爾夫運(yùn)動(dòng)其主要的動(dòng)作步驟可分為七步，而在訓(xùn)練中對(duì)單平面的訓(xùn)練是最重要的步驟。因此，在實(shí)際的操作中，往往通過計(jì)算連個(gè)平面軌跡之間的夾角來檢測(cè)其是否處于同一個(gè)平面。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高爾夫揮桿動(dòng)作的分析。

3 輔助訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1設(shè)計(jì)思路

本文利用Kinect完成對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并將捕捉到的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)員的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，并得出相應(yīng)的參數(shù)結(jié)果分析，以此為教練提供更加具體的訓(xùn)練方案。

圖2 輔助訓(xùn)練系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2系統(tǒng)整體架構(gòu)與功能模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包括硬件和軟件系統(tǒng)構(gòu)成，其中硬件系統(tǒng)則采用PC電腦和一臺(tái)微軟的XBOX360 Kinect。兩者之間通過USB實(shí)現(xiàn)連接；軟件方面則主要包括對(duì)連接設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和對(duì)動(dòng)作的處理；其次是對(duì)動(dòng)作的分析軟件。而對(duì)動(dòng)作的捕捉則主要是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)和訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的獲取，以此為后面的比對(duì)奠定數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)；對(duì)動(dòng)作的修復(fù)和對(duì)相關(guān)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的修復(fù)，運(yùn)動(dòng)的重定向是對(duì)相關(guān)的采集數(shù)據(jù)的處理，以此更好的對(duì)其角度等各方面進(jìn)行修正；對(duì)運(yùn)動(dòng)的分析則主要是將訓(xùn)練者的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)作的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括角度、力度等，并通過單平面對(duì)其進(jìn)行判斷，從而得出相關(guān)的對(duì)比參數(shù)。而該軟件的實(shí)現(xiàn)則通過運(yùn)用Visual Studio 2010的環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行搭建，并利用OSG+CAL+CEGU軟件進(jìn)行開發(fā)。

3.3系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.3.1 對(duì)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

該步驟主要包括兩個(gè)不同步驟，第一是建立標(biāo)準(zhǔn)的高爾夫動(dòng)作訓(xùn)練庫。高數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)則主要是邀請(qǐng)高水平的運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行動(dòng)作的模擬，并將動(dòng)作分為上桿、轉(zhuǎn)換、下桿、隨桿等不同的步驟，并按照每秒30幀的速度實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的采集；第二步是對(duì)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)的采集。該數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的步驟是通過對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，通過對(duì)數(shù)據(jù)的修正，然后將這些參數(shù)賦予構(gòu)建的3D模型，然后再通過3D模型進(jìn)行動(dòng)作的重現(xiàn)，以此得到相關(guān)的數(shù)據(jù)的比對(duì)。

3.3.2 高爾夫輔助訓(xùn)練

在數(shù)據(jù)采集之后，通過一定的處理即是對(duì)數(shù)據(jù)的比對(duì)。而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)則是通過單平面、關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度和關(guān)節(jié)所成的角度來對(duì)動(dòng)作進(jìn)行分析。在該系統(tǒng)中，我們則主要以單平面和關(guān)節(jié)自身的運(yùn)動(dòng)的軌跡來對(duì)其進(jìn)行判斷。

圖3 高爾夫輔助訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

對(duì)單平面的判定則通常是將肩關(guān)節(jié)和手關(guān)節(jié)的平面進(jìn)行整合，并查看兩者之間的角度的方式來對(duì)單平面進(jìn)行判斷。如通過計(jì)算，存在一定的角度，則訓(xùn)練動(dòng)作和標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作存在著一定的差距。

對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行判斷，主要是通過采集關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡的參數(shù)，并與標(biāo)準(zhǔn)的七個(gè)不同分解動(dòng)作的關(guān)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，從而繪制出訓(xùn)練者和比對(duì)著之間的不同參數(shù)的圖形。

4 結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為集計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)等為一體的綜合性學(xué)科，在體育當(dāng)中的應(yīng)用也越來越廣泛。本文通過運(yùn)用三維立體軟件對(duì)高爾夫揮桿動(dòng)作的構(gòu)架，并通過數(shù)據(jù)的采集和對(duì)數(shù)據(jù)的修正，實(shí)現(xiàn)將參數(shù)和人體模型進(jìn)行合并，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的動(dòng)畫重復(fù)，并通過對(duì)數(shù)據(jù)的比對(duì)和分析，實(shí)現(xiàn)教練對(duì)運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作的更加詳盡的分析，以此提供更為合適的教學(xué)方案。

[1] 鄧小園，基于Kiiiect運(yùn)動(dòng)捕捉的高爾夫揮桿分析與輔助訓(xùn)練系統(tǒng)的研制[D]，北京郵電大學(xué)，2013

[2] 賈程程,許相莉,周春光等.基于鏈碼的人體骨架建模[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版)2010,48 (4): 641-645.

[3] Livingston,M.A.Performance measurements for the Microsoft Kinect skeleton[J] .Virtual Reality Workshops(VR)?2012 IEEE.

[4] 張毅,張爍.基于Kinect深度圖像信息的手勢(shì)軌跡識(shí)別及應(yīng)用.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研 .2012

王娟娟，女，1973年2月，講師，研究方向：體育教學(xué)與訓(xùn)練。

Motion capture golf swing analysis and assistant training system design based on

Wang Juanjuan
(Zhengzhou Railway Vocational and Technical College,Zhengzhou，450052)

Golf as a high-end sports model, is being accepted by more and more people.The motion capture technology is widely used in the sport training,to improve the golf athletes,has an important role.In this paper,through the use of virtual reality technology,the golf swing is captured,and the establishment of a database,and carry on training than,and by comparing the corresponding parameters,training method to give the coach better.

GolfSense;Kinect;motion capture;data acquisition;auxiliary training system