三維人體運(yùn)動的計算機(jī)輔助分析在體育中的應(yīng)用

（咸陽師范學(xué)院體育系，陜西咸陽，712000）

三維人體運(yùn)動的計算機(jī)輔助分析在體育中的應(yīng)用

段師博

（咸陽師范學(xué)院體育系，陜西咸陽，712000）

近年來，計算機(jī)技術(shù)在競技體育中應(yīng)用的范圍越來越廣。運(yùn)動員在訓(xùn)練中采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)可以提高其訓(xùn)練的效果。本文闡述了三維人體運(yùn)動的計算機(jī)輔助分析在體育中的應(yīng)用，包括三維人體運(yùn)動的定義，分析了基于骨骼蒙皮法構(gòu)建運(yùn)動員模型，最后闡述了運(yùn)動數(shù)據(jù)的預(yù)處理、提取和分析。

三維建模；運(yùn)動捕捉；數(shù)據(jù)分析

0 前言

為了更高、更強(qiáng)、更快的競技體育目標(biāo)，運(yùn)動員要不斷挑戰(zhàn)和提高自己以提升速度和力量，必須要有刻苦的訓(xùn)練和科學(xué)的訓(xùn)練方法手段。現(xiàn)在，競技運(yùn)動員成績提高的方法越來越依賴科學(xué)技術(shù)，尤其是運(yùn)動捕捉技術(shù)和體育系統(tǒng)仿真。經(jīng)過大量研究表明，運(yùn)動員在訓(xùn)練中使用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，可以盡快掌握技術(shù)要領(lǐng)，提高訓(xùn)練效率，減少他們受傷的可能，促進(jìn)我國競技體育事業(yè)的健康發(fā)展。本文闡述了三維人體建模及數(shù)據(jù)分析在體育中的應(yīng)用，為其在體育運(yùn)動中的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)，提高運(yùn)動員的競技水平。

1 三維人體運(yùn)動

三維人體運(yùn)動應(yīng)用計算機(jī)的仿真技術(shù)構(gòu)建三維人體模型，通過運(yùn)動捕捉技術(shù)等先進(jìn)的技術(shù)獲得人體運(yùn)動的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用在人體模型上，對運(yùn)動員的動作進(jìn)行分析，對比以及模擬，從而提高他們的動作水平，這對提高運(yùn)動員的訓(xùn)練效果意義重大。

2 三維人體運(yùn)動分析

2.1基于運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)采集

運(yùn)動捕捉技術(shù)獲取梯人體運(yùn)動信息的方式是在人體的關(guān)鍵部位安裝傳感器。通常情況下，三維運(yùn)動捕捉以運(yùn)動員的特定動作為對象，在運(yùn)動員的關(guān)節(jié)貼上具有傳感功能的標(biāo)記點，通過分析軟件，把標(biāo)記點的位置和方向轉(zhuǎn)化成一組運(yùn)動數(shù)據(jù)。運(yùn)動捕捉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

圖1 運(yùn)動捕捉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2三維人體運(yùn)動員建模

三維人體建模采用3D Studio MAX建模軟件，其最新版本是3Ds max 2014。3ds max界面組成有以下7部分組成：工具欄、標(biāo)題欄、命令面板、繪圖區(qū)域、菜單欄、動畫控制區(qū)、視圖控制區(qū)特。這個軟件的主要特點是：基于PC系統(tǒng)的低配置要求、安裝插件可擴(kuò)展3D Studio Max軟件的功能以及增強(qiáng)原本的功能 、強(qiáng)大的角色動畫制作能力、可堆疊的建模步驟，使制作模型有非常大的彈性。

人體建模技術(shù)構(gòu)建特定姿態(tài)的人體模型，皮膚變形技術(shù)所解決的問題就是運(yùn)動中的皮膚變形，二者相互聯(lián)系、影響。人體皮膚變形和建模方法分為基于體模型、基于面模型和基于層次式模型的三類方法。體數(shù)據(jù)法和隱式曲面法是基于體模型建模的兩種方法。皮膚層和骨骼層是基于面模型建模只考慮的兩層結(jié)構(gòu)。考慮肌肉層、骨骼層、脂肪層和皮膚層四層結(jié)構(gòu)，是層次式模型的建模方法，分別對它們進(jìn)行建模，從而實現(xiàn)皮膚的變形過程。在這三種人體建模的方法中，最廣泛的應(yīng)用方法為基于面模型的骨骼蒙皮法。

本文應(yīng)用骨骼蒙皮法闡述人體的建模過程。骨骼蒙皮法的基本原理可以用公式（1）表示，它的本質(zhì)是一種插值算法，

在公式（1）中，Vd代表皮膚變形前的頂點目標(biāo)，Di代表第i段骨骼在坐標(biāo)中的矩陣轉(zhuǎn)換，Di-1Vd代表第i段骨骼皮膚頂點的局部坐標(biāo)值，Mi代表在當(dāng)前幀中第i段骨骼局部到全局的坐標(biāo)矩陣轉(zhuǎn)換，Wi代表第i段骨骼的當(dāng)前權(quán)值點，V代表皮膚變形后的頂點坐標(biāo)。骨骼蒙皮法的基本指導(dǎo)思想是關(guān)節(jié)附近的多段骨骼影響其關(guān)節(jié)附近的皮膚定點，Wi決定其影響權(quán)值的大小。基于骨骼蒙皮法的皮膚建模過程包括皮膚層和骨骼層的構(gòu)建，以及皮膚層和骨骼層的綁定。

（1）皮膚層的構(gòu)建。運(yùn)動員模型的皮膚層是一個完整的網(wǎng)格，起網(wǎng)格的組成采用三角形和四邊形，在構(gòu)建模型的皮膚變形時，面數(shù)不能太多，否則會變緩慢，所以面數(shù)最好控制在1000以內(nèi)。在建模時采用多邊形細(xì)分建模，可以邊做邊修改，容易控制網(wǎng)格密度，多邊形細(xì)分建模分為可編輯多邊形和可編輯網(wǎng)格，先創(chuàng)建一個幾何體，然后把這個幾何體塌陷成可編輯多邊形或者是可編輯網(wǎng)格，并對其不斷進(jìn)行修改和細(xì)分，得到最后想要的運(yùn)動員模型。運(yùn)動員的皮膚層構(gòu)建好之后，采用紋理映射技術(shù)，在皮膚層上貼上皮膚紋理，通過二者的映射關(guān)系，把紋理圖映射到模型的皮膚上，從而合成真實感的皮膚模型，皮膚層就構(gòu)建好了。

（2）骨骼層的構(gòu)建。骨骼層的構(gòu)建主要依據(jù)兩個重要的人體骨骼結(jié)構(gòu)的國際標(biāo)準(zhǔn)VRML以及MPEG-4，這兩個國際標(biāo)準(zhǔn)都支持虛擬人的表示。虛擬人表示以人體的重心、關(guān)節(jié)、骨骼分別為根節(jié)點、子節(jié)點和連線的樹形，并將每個肢體的幾何模型與相應(yīng)的骨骼依附，從而組成一個完整的模型。虛擬運(yùn)動員的骨骼用簡單的三維剛體表示，用關(guān)節(jié)把這些骨骼連接起來，父節(jié)點和子節(jié)點不會發(fā)生相對移動，只發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這樣骨骼層就構(gòu)建好了。

（3）骨骼層和皮膚層的綁定。骨骼層和皮膚層的綁定就是確定皮膚層和骨骼的間的影響，即皮膚層上的點受哪幾段骨骼的影響，并且每段骨骼對這個點都會有一個影響因子，這個點受此段骨骼影響的大小代表著影響因子的大小。骨骼層和皮膚層綁定之后，運(yùn)動員模型就構(gòu)建好了，如圖2所示。

圖2 構(gòu)建的運(yùn)動員模型

2.3三維人體運(yùn)動數(shù)據(jù)計算

2.3.1 運(yùn)動數(shù)據(jù)預(yù)處理

運(yùn)動捕捉系統(tǒng)按照一定的頻率收集和計算運(yùn)動員的信息，并將這些信息按照特定的格式存儲成數(shù)據(jù)文件，但是數(shù)據(jù)文件的格式由于捕獲設(shè)備的不同難以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在一般情況下，采集的運(yùn)動信息會有很多噪音，不利于數(shù)據(jù)的分析處理。數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括野點的剔除和平滑去燥，野點的剔除就是將一些嚴(yán)重偏離趨勢的數(shù)據(jù)去掉。平滑去噪主要是采用適當(dāng)?shù)臑V波器將噪聲去除。

2.3.2 運(yùn)動數(shù)據(jù)特征提取

數(shù)據(jù)進(jìn)行完預(yù)處理后，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的特征提取和識別。運(yùn)動數(shù)據(jù)的特征提取包括加窗處理、時域特征提取、頻域特征提取、主成分分析四個步驟。加窗處理就是指把采集到的整段數(shù)據(jù)分成不同的敞口，窗口之間必須要有一定程度的疊加，單位提取特征以單個窗口為準(zhǔn)。時域特征主要包括標(biāo)準(zhǔn)差、方差、均值、相關(guān)系數(shù)、斜率、均方根、時域積分、平均絕對偏差等8種，均采用概率統(tǒng)計的方法，相對簡單。原始信號經(jīng)過快速傅里葉變換即FFT ，然后提取其特征矢量，才能提取其頻域特征。頻域特征表述了信號的頻率特性。常見的頻域特征有：系數(shù)、FFT、頻域熵、能量、能譜密度等。主成分分析就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，提高識別的效率。

2.3.3 運(yùn)動數(shù)據(jù)分析

在三維運(yùn)動空間中，獲得的運(yùn)動數(shù)據(jù)具有旋轉(zhuǎn)角。數(shù)據(jù)常用的表示旋轉(zhuǎn)的方法有四元數(shù)、歐拉角和旋轉(zhuǎn)矩陣。四元數(shù)的旋轉(zhuǎn)采用的四個參數(shù)表示，是一種應(yīng)用最廣泛的旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)分析方式，不能直接使用歐式空間的向量插值方法。歐拉角就是將旋轉(zhuǎn)相對于主軸的三個順序旋轉(zhuǎn)分量表示，可以形成三個自由度，任意的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動用相對于坐標(biāo)軸的角度描述。歐拉角方法具有無法插值和奇異性問題等嚴(yán)重缺點，因此在應(yīng)用中通常將歐拉角轉(zhuǎn)換為四元數(shù)表示旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)矩陣的表述需要較多的變量和約束，會占用較大內(nèi)存，不容易計算，并且旋轉(zhuǎn)矩陣不能直接用于插值。

3 結(jié)束語

本文對三維人體運(yùn)動的計算機(jī)輔助分析在體育中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，主要包括運(yùn)動員的模型構(gòu)建和運(yùn)動數(shù)據(jù)的采集和處理方面。通過先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段，可以為運(yùn)動員的日常訓(xùn)練提供科學(xué)指導(dǎo)，快速提高其競技水平。但是如何將先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)更好的應(yīng)用于體育訓(xùn)練中，這是一個值得研究的課題，我們將繼續(xù)研究，爭取在關(guān)鍵技術(shù)的研究上取得更大的進(jìn)步，更好地為體育事業(yè)服務(wù)。

[1] 黃新.個性化人體模型與肢體協(xié)同運(yùn)動研究[D].東華大學(xué),2012.

[2] 侯鵬高.數(shù)字人體建模進(jìn)展[J].齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院學(xué)報,2013,21:3221-3223.

[3] 胡文淵.三維人體運(yùn)動分類識別技術(shù)研究[D].浙江大學(xué),2012.

段師博，1981年生，男，陜西臨潼人，咸陽師范學(xué)院體育系講師，主要從事高校體育研究

Computer aided 3D human motion analysis in sports

Duan Shibo
(Department of physical education,Xianyang Normal University,Shaanxi Xianyang,712000)

In recent years,the scope and application of computer technology in sports more widely. Athletes in training in the use of advanced science and technology can improve the effect of training. This paper describes the computer aided 3D human motion analysis in sports,including the definition of 3D human motion,analyzes the athletes of skinned mesh method based on the model,and finally describes the pretreatment,extraction and analysis of movement data.

3D modeling;motion capture;data analysis