運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)中運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)和體育系統(tǒng)仿真的應(yīng)用分析

王文軍

(陜西郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,咸陽,712000)

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)中運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)和體育系統(tǒng)仿真的應(yīng)用分析

王文軍

(陜西郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,咸陽,712000)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)和體育系統(tǒng)仿真在體育訓(xùn)練中思維應(yīng)用范圍越來越廣。本文分析了運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)以及運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備的組成和MEMS傳感器的工作原理，介紹了運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)和體育系統(tǒng)仿真的應(yīng)用。

運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)；MEMES；體育系統(tǒng)仿真

運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)和體育系統(tǒng)仿真都是交叉滲透性的科學(xué)技術(shù)，它們都運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的發(fā)展完善都有著非常重要的作用，由于這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，豐富了運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的測試手段，擴(kuò)大了運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究領(lǐng)域，增加了運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的科研任務(wù)，為運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的發(fā)展提供了更加廣闊的空間。本文詳細(xì)的介紹了這兩種技術(shù)，旨在為這兩項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)

1.1 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)簡介

運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)就是在運(yùn)動(dòng)生物體的關(guān)節(jié)部位比如說肘關(guān)節(jié)，設(shè)置安裝一個(gè)追蹤的芯片，這樣生物體的運(yùn)動(dòng)信號就會被采集傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上面，然后計(jì)算機(jī)再對這些信號進(jìn)行高效處理，轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)數(shù)據(jù)，得出生物體的三維運(yùn)動(dòng)圖的一項(xiàng)技術(shù)。運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)主要有機(jī)械電動(dòng)式、光學(xué)式、聲學(xué)式和電磁式四種。①機(jī)械電動(dòng)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的主要構(gòu)成部件就是機(jī)械傳感器。②光學(xué)式捕捉系統(tǒng)主要包括包括光源、攝像機(jī)以及反光點(diǎn)3部分。③聲學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的主要構(gòu)成部件是接收器、發(fā)送器和處理器。④電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)由接收器、發(fā)射器和數(shù)據(jù)處理單元三部分組成，接收器的主要作用就是檢測磁場，放置在生物體上的是發(fā)射器和數(shù)據(jù)處理單元，它們兩個(gè)之間使用電纜連接。隨著科學(xué)日新月異的發(fā)展產(chǎn)生了MEMS微傳感器，這種傳感器的成本低廉，靈敏度高，誤差小，將它放置在生物體的待測部位，比如肘關(guān)節(jié)，然后再應(yīng)用無線傳輸技術(shù)將得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上面，操作簡單，安全可靠。

1.2 運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)設(shè)備

1.2.1 傳感器

傳感器就是固定在運(yùn)動(dòng)生物體上的一些特定部位的裝置，它將向運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)提供生物體運(yùn)動(dòng)部位的信息。

1.2.2 信號捕捉設(shè)備

信號捕捉設(shè)備的作用使捕捉和識別傳感器的信號，然后將這些數(shù)據(jù)快速而準(zhǔn)確的傳到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，信號捕捉設(shè)備根據(jù)不同系統(tǒng)而配置，對于機(jī)械捕捉系統(tǒng)來說是一塊線路板，而對于光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)來說則是高分辨率的紅外攝像機(jī)。

1.2.3 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備

數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備就是將大量數(shù)據(jù)從信號捕捉設(shè)備準(zhǔn)確迅速的傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理設(shè)備

經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備將這些數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，計(jì)算機(jī)就會將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和處理，通過與三維模型的結(jié)合，完成計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作，并對這些動(dòng)畫進(jìn)行分析，完成數(shù)據(jù)的運(yùn)算。

1.3 MEMS傳感器工作原理

由于MEMS傳感器在現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)中應(yīng)用極廣，本文詳

細(xì)介紹了MEMS傳感器。

1.3.1 MEMS慣性傳感器

對于人體來說，每個(gè)關(guān)節(jié)都有其獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)方式，角速度和加速度是關(guān)節(jié)在空間中的主要運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，這些運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的信息主要是通過MEMS慣性傳感器來測量獲取的。慣性傳感器有加速度傳感器和陀螺儀兩個(gè)主要部件。MEMS慣性傳感器和外部對象典型的作用圖，如圖1所示，由圖1可知，各種光、電、力、聲學(xué)的信號先經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過模擬信號處理，最后這些信號信息到達(dá)執(zhí)行器進(jìn)行相關(guān)的操作。

圖1 MEMS傳感器和外部對象相互作用圖

1.3.2 加速度傳感器的作用原理

加速度傳感器的作用原理是牛頓的慣性定律，加速度傳感器主要用來測量振動(dòng)、加速度和機(jī)械沖擊三種。加速度傳感器的組成主要包括質(zhì)塊和彈性元件2部分。質(zhì)塊和彈性元件相互掛接在一起，彈性元件懸在支架上面，當(dāng)物體發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)榧铀俣鹊脑?，質(zhì)塊就會發(fā)生移動(dòng)，測量物體移動(dòng)的距離，移動(dòng)的距離和加速度成正比。加速度傳感器的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，由圖2可知，加速度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有質(zhì)量塊、彈簧和阻尼器3部分，其中K代表彈簧系數(shù)，D代表阻尼因數(shù)，據(jù)牛頓慣性定律：

公式（1）中F代表質(zhì)塊上面的作用力，P代表動(dòng)量，a代表加速度。如果質(zhì)塊受到外力的作用，質(zhì)塊就會發(fā)生移動(dòng)，彈簧就會變形。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性方程如公式（2）所示：

公式（2）中 F外力為支架上的作用力。對于公式（2）利用拉普拉斯變換得到公式（3）：

除了上述一些因素，加速度傳感器的性能還和質(zhì)塊熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，小的質(zhì)塊會產(chǎn)生一些大的運(yùn)動(dòng)幅度。由總噪聲等效加速度即TNEA可以得到如下的結(jié)論，以低速運(yùn)動(dòng)物體的測量為例，對質(zhì)塊和品質(zhì)因數(shù)的要求都較高。TNEA的計(jì)算公式見公式（4）。

圖2 加速度傳感器的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.3.3 陀螺儀

陀螺儀的作用原理主要是哥氏效應(yīng)力，運(yùn)動(dòng)物體的旋轉(zhuǎn)速度或者是旋轉(zhuǎn)角主要是利用陀螺儀來測量，陀螺儀的作用的原理如下面所述。

陀螺儀的工作原理如圖3所示，在圖3中運(yùn)動(dòng)物體沿X軸做周期性的運(yùn)動(dòng)，而載體以Z軸為中心做角速度為W的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，物體在沿Y軸方向會產(chǎn)生一個(gè)哥氏力，其大小為

公式（5）中 FC為哥氏力，m為物體的質(zhì)量，w為物體運(yùn)動(dòng)的角速度，V為物體的速度向量。

MEMS陀螺儀有分辨率、靈敏度、零角速度輸出和測量范圍等主要參數(shù)。

圖3 陀螺儀的工作原理

1.4 運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)數(shù)據(jù)算法研究

運(yùn)動(dòng)傳感器固定設(shè)置在運(yùn)動(dòng)生物體上，運(yùn)動(dòng)生物體的姿態(tài)可以通過傳感器確定，在運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)中建立傳感器和虛擬三維圖之間的映射關(guān)系，將生物體的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移到虛擬三維圖上，在研究三維圖時(shí)，通常將這些數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系中，地理坐標(biāo)

系中的主要算法有歐拉角法、方向余弦法、四元數(shù)法和等效旋轉(zhuǎn)矢量法。

歐拉角叫法還可以被稱為三參數(shù)法，坐標(biāo)系間的相對角位置的確定就是利用獨(dú)立轉(zhuǎn)角，歐拉角法計(jì)算特別繁瑣；方向余弦法還可以稱稱為九參數(shù)法，主要是利用方向余弦的概念，物體的角位置通過方向余弦值來描述；四元數(shù)法又稱為四參數(shù)法，它根據(jù)數(shù)學(xué)的方法來求解兩坐系間的關(guān)系，計(jì)算相對于其他方法來說較少，應(yīng)用最為廣泛；等效旋轉(zhuǎn)矢量法描述物體的定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)是根據(jù)用坐標(biāo)系之間的相對轉(zhuǎn)動(dòng)的等效轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)角來進(jìn)行描述。

2 體育系統(tǒng)仿真

體育系統(tǒng)仿真是在運(yùn)動(dòng)捕捉等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，應(yīng)用此系統(tǒng)，體育教師的豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、訓(xùn)練目標(biāo)以及運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練過程等主要是通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，通過這個(gè)系統(tǒng)可以對體育訓(xùn)練進(jìn)行分析解釋以及預(yù)測評價(jià)，其中運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是體育系統(tǒng)仿真的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備。體育系統(tǒng)仿真的主要有構(gòu)建虛擬的訓(xùn)練場景、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的捕獲、采集生理生化和心理數(shù)據(jù)、動(dòng)作展現(xiàn)和重演等5方面的功能。

3 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)和體育系統(tǒng)仿真的應(yīng)用

運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)和體育系統(tǒng)仿真在體育訓(xùn)練中應(yīng)用很廣泛，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)可以診斷和分析對運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練中出現(xiàn)的問題，然后以圖像和量化數(shù)據(jù)等方式，將這些數(shù)據(jù)反饋給教練員，使教練員量化訓(xùn)練的指標(biāo)，提出新的訓(xùn)練意見，科學(xué)的糾正運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作。比如在體操項(xiàng)目的訓(xùn)練中，教練先采集體操運(yùn)動(dòng)員的一些真實(shí)動(dòng)作，然后對這些動(dòng)作重新進(jìn)行編排并產(chǎn)生新動(dòng)作，最后利用虛擬的體操運(yùn)動(dòng)員來重現(xiàn)這些動(dòng)作，并通過計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行診斷和量化分析，把理想的技術(shù)動(dòng)作和體操運(yùn)動(dòng)員的真實(shí)動(dòng)作進(jìn)行分析對比，經(jīng)過研究得到一些改進(jìn)動(dòng)作的指導(dǎo)性意見，從而幫助體操運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作改進(jìn)，提高他們的水平。

[1] 王廣軍.基于運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)的交互式智能控制與虛擬仿真[D].安慶師范學(xué)院,2013.

[2] 郝衛(wèi)亞.人體運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)建模與計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)展[J].醫(yī)用生物力學(xué),2011,02:97-104.

[3] 張瑛,薛梅,王陽,成謝鋒..基于MEMS傳感器慣性測量單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2013,08:207-211.

王文軍，男，1977.05，陜西渭南人，講師，研究方向：運(yùn)動(dòng)技術(shù)生物力學(xué)分析

Application of motion capture technology and physical simulation in biomechanics

Wang Wenjun
(Shaanxi Post and Telecommunication College,Xianyang,712000)

With the development of computer technology, motion capture technology and physical simulation in the sports training thinking increasingly wide range of applications.This paper analyzes the working principle of composition and MEMS sensor motion capture and motion capture equipment,introduces the application of motion capture technology and physical simulation system.

motion capture technology;MEMES;sports system simulation