光學運動捕捉技術在幼兒動作研究中的應用

張義賓　秦金亮

【摘要】光學運動捕捉技術是現代運動生物力學研究的主要手段之一，這一技術具有運動受限較小、采樣速率較高、系統擴充成本低、采集數據類型豐富等優勢。本文主要介紹這一技術的原理、特點、流程、數據分析方法及其在幼兒伸夠抓握、工具使用、投擲以及步態分析等動作研究領域的應用，并分析了應用這一技術進行幼兒動作研究時需注意的若干問題。

【關鍵詞】光學運動捕捉技術；幼兒；動作

【中圖分類號】G610 【文獻標識碼】A 【文章編號】1004-4604（2015）05-0043-04

運動捕捉技術是指在一定空間范圍內，通過對特殊標記點的跟蹤來捕捉記錄物體或人體的運動信息，然后將其轉換為可運用數學方式進行表達的運動的過程。〔1〕這是現代運動生物力學研究的主要手段之一。該技術源自20世紀七八十年代生物力學領域中的攝影測量分析技術，現已拓展至軍事、娛樂、體育、醫學以及計算機視覺、機器人學等多個領域。〔2〕根據不同的工作原理，運動捕捉技術可以分為光學式、機械式、電磁式、聲學式及基于視頻序列的捕捉式等5種類型，其中光學運動捕捉技術應用最為普遍。光學運動捕捉技術作為生物力學實驗室常用的研究手段，受到國內外研究者的青睞，例如明尼蘇達大學（University of Minnesota）、杜蘭大學（Tulane University）、上海體育學院、北京體育大學等都已經運用這一技術開展了相關研究。本文主要介紹光學運動捕捉技術的原理、特點、流程、數據分析方法及其在幼兒運動領域的應用。

一、光學運動捕捉技術的原理及特點

1.光學運動捕捉技術的原理

光學運動捕捉技術通過對目標上特定光點的監視和跟蹤來完成運動捕捉任務。目前常見的光學式運動捕捉大多基于計算機視覺原理。從理論上說，對于空間中的一個點，只要它能同時為兩部攝像機所見，即可根據同一時刻兩部攝像機所拍攝的圖像和相機參數，確定這一時刻該點在空間中的位置。當攝像機以足夠高的速度連續拍攝時，從圖像序列中就可以得到該點的運動軌跡。

典型的光學運動捕捉系統通常使用6～8臺攝像機環繞拍攝場地排列，這些攝像機的視野重疊區域就是被試運動時的動作范圍。在進行光學運動捕捉時，研究者需要在被試身體的關鍵部位，如關節、髖部、肘、腕、手指等位置貼上一些特制的標記（marker），攝像系統將識別和處理這些標記。全部攝像機都連接到同步幀緩沖器（synchronized frame buffer）上，最終由計算機確定發光點坐標定位。這些數據往往通過反向運動學系統（inverse kinematics system）被模擬成骨骼模型。為了得到準確的運動軌跡，攝像機通常有較高的拍攝速度，一般要達到每秒60幀以上。

一個典型的光學運動捕捉系統一般包括：（1）傳感器。這是固定在運動物體特定部位的跟蹤裝置，它將向信號捕捉設備提供物體運動的位置信息。（2）信號捕捉設備。這是負責捕捉位置信號的設備，通常是高分辨率紅外攝像機。（3）數據傳輸設備。這是負責將大量運動數據從信號捕捉設備迅速、準確地傳輸到計算機系統的設備。（4）數據處理設備。這是對信號捕捉設備捕捉到的數據進行修正、處理，然后與三維模型結合，從而完成數據處理的設備。這需要數據處理硬件和軟件設備一起來完成。〔3〕

2.光學運動捕捉技術的特點

第一，光學運動捕捉技術具有“無電纜”“不受機械裝置限制”等特點，可以為被試提供較大的動作自由度，使用也更方便。第二，與其他類型的運動捕捉技術相比，光學運動捕捉技術采樣速率較高，可以滿足多數高速運動測量的需要。〔4〕第三，光學運動捕捉技術中使用的標記成本較低，并便于系統擴充。第四，采集數據類型豐富，可以捕捉運動位置、速度、加速度、反應時、距離、力、力矩、爆發力、屈曲-伸展、內收-外展、旋轉等信息，數據更加真實、豐富。第五，光學運動捕捉技術的軟件具有可拓展性，可以兼容或集成其他軟件，實現多指標、多角度同步測量。

二、光學運動捕捉的流程及數據分析

光學運動捕捉技術的流程相對固定。第一步，標定系統，包括安裝系統、將鏡頭調試到合適位置、調試面板等。目前大多數的光學運動捕捉技術是采用由2～3個彼此垂直的平面組成的標定體進行標定的。第二步，給被試貼好標記。這需要研究者對人體骨骼有足夠的了解，能根據各個關節的自由度來調整標記的個數。最后，進行運動軌跡的捕捉，并進行數據的采集和分析。一般情況下，為了保證數據的連續性，需要被試多次連續不間斷地完成某項實驗任務，由研究者截取其中的連續片段進行分析。這樣做，可以在較大程度上減少被試由于緊張可能造成的開始階段數據誤差較大的情況，從而有效提高生態效度。

光學運動捕捉技術可以捕捉人體（也包括訓練器械）運動的數據，這些數據可以以Excel或TXT文檔的形式輸出，以便導入到SPSS或Matlab軟件進行后期處理與分析。研究者可以對不同的數據之間的差異性和相關性進行檢驗。一般分析步驟為：第一步，對個體的運動學數據根據分析的起始點進行分段，每段數據包括前半段（啟動階段）和后半段（完成階段），當然也可以對完整動作進行分析。第二步，對運動過程中出現的噪聲，以二次曲線適配（y=a+bx+c^2）方式加以去除。〔5〕第三步，對數據進行相關分析或差異性檢驗。

為有效解決動作協調控制問題，可對所獲數據進行主成分分析。具體來說，利用主成分分析縮減量的特性，經由對肢段變量在成分間的轉移或是成分矩陣內容的改變的分析，找出不同落點之間動作的差異所在。當然這種對差異的篩選只是對動作整體的“面”的分析，要獲取“點”的分析，還需要對數據進行相對相位分析。〔6〕研究者還可以利用自己建立的發展模型，測查動作發展數據之間的關系。

三、光學運動捕捉技術在幼兒動作研究中的應用

1.伸夠抓握研究

伸夠抓握物體的動作包括三個步驟：先將手臂從起始位置移動到靠近物體的位置，然后調整手的姿勢以便于抓握物體，最后實施對物體的抓握操作。Gesell〔7〕和Halverson〔8〕最早開始對年幼兒童的伸夠抓握發展進行實驗研究，但受限于當時的技術水平，Gesell等研究者只能通過相機來記錄兒童的動作，然后運用發生學原理來解釋動作的發展情況。光學運動捕捉技術的出現和發展大大提高了幼兒動作研究的可信度。

Foroud和Whishaw運用光學運動捕捉技術，探索了幼兒在視覺引導的伸夠中是如何使用并整合肘部、近端肢段、遠端肢段等部位作用的問題。〔9〕他們通過對4名7～40周嬰兒的縱向追蹤，發現嬰兒最初的前伸夠階段與口、肢體和手的運動激活相關。隨著嬰兒的成長，其伸夠動作表現出對頭、軀干和張嘴動作的控制。最后，嬰兒肘關節的運動逐漸讓位于上肢動作的調整。

Sacrey、Karl和Whishaw則對8名6～12個月大的嬰兒和8名成人夠取熟悉物體或者食物時的動作進行了運動學分析。〔10〕研究發現，伸夠動作的成熟分三個階段。第一階段，未伸夠到物體時，已經將手張開或收縮，以做好動作準備。第二階段，為了將手收回，直接的收回動作會逐漸成熟為與反掌姿勢有關。第三階段，與旋轉動作的成熟相關，錯誤的或者隨機的手部移動和收回動作會發展成為對手-物體和物體-嘴部動作的準確定位。嬰兒的動作發展存在雙手伸夠削減和右手單手伸夠增加的現象。研究者認為，伸夠動作的成熟過程包含了手的旋轉和提前張開的發展過程，這得益于對優勢手的視覺、身體感覺的引導。

2.工具使用研究

早期兒童的自發動作（反射動作與刻板動作）是近年來動作研究關注的一個焦點。反射動作與刻板動作變異性大的特點是對幼兒動作研究者的一項大挑戰，而光學運動捕捉技術以“采樣速率高”“無電纜約束”等特點解決了這一問題。目前，Kahrs等人對嬰兒敲擊木塊或帶柄木制品時的動作進行了捕捉與分析，發現手部敲擊動作在嬰兒出生后半歲到1歲的時間里發生了很大變化：敲擊動作更加符合使用敲擊式工具的特征，而手部的動作也伴隨嬰兒年齡的增加逐漸變得穩定。此外，研究還發現，嬰兒在敲擊物體時手運動峰值速度的變異性在逐漸縮小，這使得嬰兒能夠準確、可信地預測自己動作行為的結果，從而增強了對動作的控制力度。此外，嬰兒敲擊時的垂直軌跡也隨著年齡的增長變得更加直接。嬰兒通過不斷上下移動自己的手（刻板動作），改進了使用工具進行敲擊的動作，而更加平滑的垂直軌跡使得嬰兒在敲擊物體時減少了側敲（比如沒有敲中物體）情況的發生。〔11〕這些研究為早期兒童自發動作，如刻板動作對后期動作發展的重要性，提供了事實依據。

3.投擲研究

投擲是學前兒童的一項重要動作技能。運用光學運動捕捉技術研究幼兒的投擲運動發現，當面向高目標（超過視線水平高度）鐵環投擲時，幼兒肱骨角度的分散程度較大，而面向低目標（低于視線水平高度）鐵環投擲時，肱骨角度分散程度較小。4歲幼兒投擲時傾向于把上臂抬得很高，但這種運動策略對投中目標并沒有太大幫助，這是個體投擲技能不成熟的表現。不過，4歲幼兒并不總是在面向高目標鐵環投擲時會產生多余的手臂動作，因為他們有時會對目標高度的變化及時作出反應，表現為在面向高目標投擲時，會利用工具以創造更高的拋物軌跡。〔12〕因此，從教育學角度看，針對這一技能進行的重復訓練，可能并不會產生太多的積極學習效果。

4.步態研究

光學運動捕捉技術為特殊兒童動作訓練與康復提供了支持。研究者通過遍布全身的標記，了解腦癱兒童行走時上肢與下肢的協調情況。研究發現，雙側癱瘓的腦癱兒在步態周期的啟動階段表現出“肩關節外展、肘關節內收”的特征，這些特征有利于腦癱兒童在行走時保持平衡和控制姿勢。〔13〕

除了上述研究外，光學運動捕捉技術還廣泛應用于其他研究領域，如面部表情、動畫制作研究等。由于涉及的研究對象多以成人為主，故此處不作討論。

四、需要注意的問題

光學運動捕捉技術的發展，為研究早期兒童動作發展、追蹤兒童動作的動態性提供了支持，也為闡釋動作之間的關聯、動作發生發展不同時間段的連續性等提供了支持。這不僅大大豐富了動作研究手段，而且使得研究者對幼兒日常動作行為的分析變為可能，進而可為幼兒園教育教學提供更加細致的科學支持。然而，在使用光學運動捕捉技術對幼兒的動作進行研究時還需要注意以下幾個問題。

第一，光學運動捕捉技術的數據反映的是幼兒身體關節等的運動學特征。這些運動學特征雖能提供有關幼兒身體關節等協調運動的信息，但這些信息通常具有表面性，還不足以作為對幼兒動作機制發展的根本解釋。幼兒動作的產生和發展是肌肉、骨骼、神經等協同作用的結果。研究者在對運動學數據進行解釋時，需要同時對產生該動作的肌肉、骨骼和神經等機制進行同步分析。從技術角度看，這需要將光學運動捕捉技術與肌電、腦電技術加以結合，從而多角度、多層次地闡釋幼兒動作發生與發展的機制。

第二，光學運動捕捉技術的使用和數據分析需要專業人員的支持，光學運動捕捉技術雖然可以捕捉實時運動數據，但后期處理（包括標記的識別、跟蹤、空間坐標的計算等）工作量較大，并對場地的光照、反射情況有一定要求，裝置定標也較為煩瑣。特別是研究復雜運動時，不同部位的標記可能發生混淆、遮擋等情況，這時就需要專業人員及時加以調適。〔14〕對缺少相關知識和技能的幼兒園教師來說，運用這一技術開展相關研究還是有較大難度的。

第三，光學運動捕捉技術原本大多應用于競技類運動研究，近年來才逐漸向兒童發展研究領域擴展。在使用該技術對幼兒動作進行研究時，需充分考慮被試的特殊性（幼兒活潑好動、喜好游戲、注意力集中時間短等），盡量提高該技術應用的趣味性、游戲性等。

作為新技術，光學運動捕捉系統的投入較高，但其在兒童研究特別是早期兒童動作研究中的應用前景是非常廣闊的。相信隨著該技術在兒童研究領域的普及，人們對幼兒動作的研究將會越來越細致，可以幫助解決幼兒園教育實踐中的某些問題。

參考文獻：

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【Abstract】Optical motion capture technology is becoming one of the most important research methods for sports biomechanics since this technology has the features of small limitation， high sampling rates， low system costs and more variety of sampling data. This paper introduces the principles， characteristics， data analysis methods of this technology and its application in prehension， tool use， and throwing and gait analysis. Furthermore， the paper points out the key issues of optical motion capture technology.

【Keywords】optical motion capture technology； children； movements