基于輔助蹦床運動科學訓練的仿真軟件系統的設計與實現

梁 園

（寶雞職業技術學院，寶雞，721013）

基于輔助蹦床運動科學訓練的仿真軟件系統的設計與實現

梁 園

（寶雞職業技術學院，寶雞，721013）

文章基于虛擬現實技術，設計了用于輔助蹦床運動科學訓練仿真軟件，其主要的原理是根據人體運動力學數據和運動捕捉的人體數據進行建模，并將其運動的數據與標準動作數據進行可視化分析比對，從而使得運動員蹦床運動訓練動更加直觀的體現。

運動捕捉；歐拉定理；仿真系統

0 引言

蹦床項目作為奧運比賽的新項目，享有“空中芭蕾”的美稱。在該項目中，運動員需要在彈性的網上連續做10個不同的翻轉動作。裁判會根據運動員在空中所做出的翻轉動作和周數等標準進行分數的評比。因此，設計輔助蹦床運動科學訓練仿真系統的建立具有很大的現實意義。通過該輔助訓練軟件，運動員、教練等可通過逼真的三維圖像，對蹦床動作進行模擬，對技術動作進行設計和分析，并將模擬的動作和標準動作進行視頻同步比對分析，從而使得對運動員的訓練更具有針對性。教練員也可更好的為運動員提供動作指導、技術分析等，具有很大的實用性和社會經濟效益。

1 系統整體架構

基于輔助蹦床運動科學訓練的仿真系統是一個非常復雜的軟件，其中涉及人力生物力學、運動力學、計算機仿真技術等多項技術。本系統的設計以上述為基礎，通過建立三維人體運動模型，利用力學數據建立仿真模型，并對模型進行修改和完善，并將模擬的動作與實際動作進行視頻同步比對，從而更好的為運動員和教練提供分析。其整體的架構如圖1所示。

圖1 系統整體架構

運動捕捉系統主要為三維立體模型建立提供相關的力學數據，從而為仿真系統建模提供基礎；動作的編輯/設計主要是通過建立模型后對模型的正確與否進行驗證，同時與實際的進行比對，并對模型進行適當的修改；在建立完三維動作“標準數據庫”之后，通過攝像機系統對運動員訓練的動作進行比對，并進行同步的視頻播放和對比，從而通過上述的步驟為運動員和教練提供更具有指導性的訓練。

2 三維人體運動模型構建

對三維人體運動模型的構建其根據不同的標準，有著不同的構建方法。而基于運動生物力學的角度，通常采用層次化的方式對人體運動模型構建。因此，將其分成兩個不同的部分，第一部分為幾何形體，該部分包含皮膚、肌肉等；另外一部分為骨架，該部分則主要對人體的各個關節數據結構和相對運動關系進行描述。其中幾何體收到骨架運動的影響和變化。

在計算機圖形學中，人體幾何模型又可以分為體模型邊界的模式，邊界模式通常將其中的元素用0-、1-和2-維來進行表示，體模式則通常采用體素模型和CSG 模型，主要通過橢圓、隱等函數來進行構建。骨架運動模型則通常采用兩層來進行表示，第一層通常表示比較簡單的運動模型，第二層往往為比較精確的運用模型。而關節參數結構設置主要包括質量、轉動慣量和質心。

同時，在對三維人體運動模型進行構建的同時，還必須有生物力學分析，也叫做運動捕捉。所謂的運動捕捉技術是指借助捕捉系統對運動員動作和戰術配合等進行采集的和數學解析的高科技技術。其基本的原理是通過計算機圖形學，對利用排布在采集空間內的多個視頻捕捉設備，對運動員實行跟蹤，并以圖像的方式進行記錄。同時通過計算機的處理，得到運動員的某部位的空間三維坐標XYZ.而一般的捕捉系統通常包含傳感器、信號捕捉設備、數據處理和數據傳輸，而隨著現代科技的發展，可通過無線、有線等方式進行。

圖2 動作捕捉系統

本文采用Featherstone R等提出的歐拉遞歸方程，以生物力學數據為基礎，進行建模。

其中╳的定義則為：

其中Vi則表示第i剛體的自身的速度；qi則表示人體中第i個關節的角速度； Xi-1’表示第i個剛體到父剛體的旋轉矩陣； s′i表示第i個剛體的轉動軸；ai表示第i個剛體的加速度,qi表示第i個關節的角加速度,I′i表示第i個剛體的轉動慣量矩陣；fi表示第i個剛體上受到的力。同時將上述的模型可模擬出比較逼真的人體骨骼運動，并通過中科院VHSDK5.0進行渲染，從而得出比較逼真的三維人體運動模型。

3 對動作的修改

在系統形成標準的數據后，要對模型與實際的物理運動規律進行對比和分析，從而驗證模型的正確性。因此，在這里需要對其運動的轉角等進行修改。而由歐拉定理公式進行變化，從而可以得出以下的方程式：

在得到新的姿態之后，通過偏移映射技術來獲得未來三維人體運動的趨勢，即未來的新動作。其構造的過程是首先求解運動員在ti時間段的偏移量，然后再計算其他時刻的偏移量。從而獲得與motion(t)相對應的運動偏移d(t)，并將d(t)疊加到motion(t)即獲得新的動作。其與三維運動力學參數設置有很大的關系。

4 動作的編排

對動作的編排，就是講原來單個設計的動作進行拼接，從而使其更加具有連貫性。而在一般的拼接過程中采用層次疊加的方法進行，但是該方法會產生肢體的漂移或者是抖動，因此需要通過軟件對其進行一定的平滑處理。

5 虛實對比

對運動員的動作進行虛實對比，對指導運動員運動具有很重要的意義。而所謂的虛實對比，就是根據訓練的視頻來確定出虛擬場景的位置，因此，其本質就是對三維場景位置的確定。而解決這一問題我們通常在訓練視頻中選取蹦床三個不同的點，通過像機正交投影模型，在視頻中取不同的三個點，并將其映射到三維坐標中，再得出三個不同的P(x,y,z)。運用向量的原理對其進行比對，當其向量為零時，說明其在同一個位置。

6 仿真系統實現

通過對系統在WINDOWS/ Visual Studio 9.0/PC環境下運行，該軟件實現了對常見的蹦床動作，并可通過視頻對其進行比對分析。其仿真比對如圖3所示。

Design and implementation of simulation software system based onscientific training of trampoline

Liang Yuan
(Baoji Vocational Technology College,Baoji，721013)

In this paper,based on the virtual reality technology,is used to assist in trampoline sports scientific training simulation software design,the main principle is to model according to the data of human body mechanics of human motion data and motion capture,and the data with standard movement data the movement of thevisual analysis and comparison,so that the athletes of trampoline training to reflect more intuitive movement the.

motion capture;Euler theorem;simulation system