一種適用于人體運動學(xué)數(shù)據(jù)處理的平滑技術(shù)探索①

馬占武　吳志麗（滄州師范學(xué)院　河北張家口　075000）

一種適用于人體運動學(xué)數(shù)據(jù)處理的平滑技術(shù)探索①

馬占武吳志麗
（滄州師范學(xué)院河北張家口075000）

摘 要：目的 探索一種在MATLAB基礎(chǔ)上的人體運動學(xué)數(shù)據(jù)處理方法。方法 通過MATLAB來讀取經(jīng)過由運動捕捉系統(tǒng)所測量的人體運動行為的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，去掉誤差點，重新構(gòu)建在人體上黏貼的剛體相鄰的連接基，然后，運用剛體運動學(xué)的原理計算出剛體姿態(tài)和剛體的方向余弦陣，從而得到剛體各個關(guān)節(jié)部位的屈伸、內(nèi)外展、內(nèi)外旋角位移、剛體運動的加速度和角速度。結(jié)果 該文通過深蹲和上樓梯為例，應(yīng)用海量人體運動學(xué)數(shù)據(jù)處理方法對下肢關(guān)節(jié)運動進(jìn)行運動學(xué)分析，對該方法的有效性和準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證。結(jié)論 MATLAB的海量人體運動學(xué)數(shù)據(jù)處理方法能夠滿足對人體運動學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的處理，作為一種工具被用于人體測量和人機工程學(xué)。

關(guān)鍵詞：人體運動學(xué)人體測量數(shù)據(jù)處理平滑技術(shù)

吳志麗（1982，9—），女，回族，河北張家口人，碩士，講師，研究方向：體育教育訓(xùn)練學(xué)。

在人工關(guān)節(jié)的產(chǎn)品開發(fā)中，根據(jù)亞洲人的典型運動行為習(xí)慣，通過運動捕捉系統(tǒng)通過監(jiān)視跟蹤粘附于各個人體部位的標(biāo)記點來測量人體的下肢運動，進(jìn)而得到人體上相關(guān)標(biāo)記點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。但是對傳統(tǒng)的大量相關(guān)行為標(biāo)記點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析會浪費大量的時間，同時也是對人力、財力和物力的消耗，因此，探索出一種對大量人體運動學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確高效的批量處理的處理方法非常關(guān)鍵。該文在MATLAB基礎(chǔ)上，探索出了一種可以通過對運動捕捉系統(tǒng)所測量的人體相關(guān)部位的運動坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行成批讀取的方法。為人體測量學(xué)、人機工程學(xué)等提供了分析工具。

1　資料與方法

1.1一般資料

選取了50名測試志愿者，其中男性30人，女性20人，年齡22～27歲，身高150～185cm，平均身高167 cm，體重40～90 kg，平均體重65 kg。

1.2儀器

采用運動捕捉系統(tǒng)對人體相關(guān)的下肢運動進(jìn)行捕捉。

1.3測量過程

讀下肢與運動相關(guān)的7個部位：骨盆、左右大腿和小腿、左右腳，分別制作針對4個部位帶有四個標(biāo)記的剛體，對緊鄰的標(biāo)記點進(jìn)行互相垂直連線，并進(jìn)行7個部位的定義。因為，人體在運動過程中，下肢的某些部位如大腿和小腿在下蹲時肌肉會擠壓和收縮而發(fā)生變形，所以，剛體黏貼在粘貼時要應(yīng)該貼在運動變形較小的部位，避免貼在關(guān)節(jié)變形和肌肉收縮膨脹的地方，不會影響運動，有利于減小測量誤差。對于攝像頭無法采集或者標(biāo)記點不方便黏貼的部位可以運用專業(yè)的虛擬標(biāo)記點工具在剛體上設(shè)定特點的虛擬標(biāo)記點。首先要確定虛擬標(biāo)記點在人體的相關(guān)位置，然后系統(tǒng)就會根據(jù)剛體坐標(biāo)對改點相對于剛體的空間進(jìn)行自動計算，從而保持該點會隨著剛體的運動而不會產(chǎn)生坐標(biāo)改變，提前對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，要求剛體與虛擬標(biāo)記點的位置固定不會發(fā)生其他變化，因此要設(shè)置12個虛擬標(biāo)記點，他們分別是左右踝關(guān)節(jié)內(nèi)外髁、左右膝關(guān)節(jié)內(nèi)外髁、左右股骨大轉(zhuǎn)子和骨盆兩側(cè)髂前上棘。然后根據(jù)各個標(biāo)記點的位置定義它們的名稱，使得MATLAB讀寫更方便[2]。

做完準(zhǔn)備活動之后，通過運動捕捉系統(tǒng)對志愿者的行為動作以及虛擬標(biāo)記點的三維空間坐標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，方便后期處理[3]。

1.4批量讀取文件

通過MATLAB與Excel的宏關(guān)聯(lián)插件，使用數(shù)據(jù)讀取函數(shù)，對下肢行為運動的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，MATLAB與Excel通過宏關(guān)聯(lián)實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取與處理的無縫連接，從而使數(shù)據(jù)處理變得更快、更方便、更高效[4]。

1.5數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理要分成兩步進(jìn)行，在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，主要是對運動捕捉系統(tǒng)中，在測量過程中由于遮擋或者其它原因造成的部分標(biāo)記點坐標(biāo)數(shù)據(jù)的缺失而造成的曲線斷開現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)據(jù)插值修補，從而保證數(shù)據(jù)的完整。要注意插值獲得的曲線要二階連續(xù)可導(dǎo)，保證通過這種計算得到的角速度、角位移和加速度隨時間的變化曲線能夠準(zhǔn)確連續(xù)。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，就要根據(jù)虛擬點坐標(biāo)來計算下肢骨骼解剖學(xué)參數(shù)[5]。

在計算關(guān)節(jié)運動學(xué)時，可以將這種算法等同于相對剛體之間的空間運動學(xué)來進(jìn)行計算。比如，右小腿剛體相對于右大腿的運動學(xué)計算可以等效為右膝關(guān)節(jié)運動學(xué)計算，右踝關(guān)節(jié)運動學(xué)計算可以等效為右小腿剛體相對于右足剛體的運動學(xué)計算。右大腿剛體相對于骨盆剛體的運動學(xué)計算可以等效于右髖關(guān)節(jié)運動學(xué)計算。在人體運動過程中，粘附于人體上的剛體也會隨著人體運動，也就是剛體的空間一般運動，這種方法適用于對人體各個關(guān)節(jié)的運動學(xué)計算。以剛體的位形坐標(biāo)陣來表示對剛體姿態(tài)的描述，根據(jù)空間幾何學(xué)知識和歐拉角定義可以對，髖關(guān)節(jié)在運動中的關(guān)節(jié)角度，關(guān)節(jié)內(nèi)外展角度，關(guān)節(jié)內(nèi)外旋角以及關(guān)節(jié)屈伸角進(jìn)行一階求導(dǎo)和二階求導(dǎo)，進(jìn)入計算出，髖關(guān)節(jié)的屈/伸、內(nèi)外旋角速度、內(nèi)外展和角加速度[6]。

2　結(jié)果

通過以上的方法，可以對運動捕捉系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行幾次函數(shù)插值處理之后，可以構(gòu)建出黏貼于骨盆和右大腿的相鄰的剛體連接基，并將它作為關(guān)節(jié)運動學(xué)計算的連體基和參考基；在剛體運動學(xué)基礎(chǔ)上，通過對剛體姿態(tài)的基本描述，計算出人體行為運動下，人體各個關(guān)節(jié)的屈伸，內(nèi)外展，內(nèi)外旋角度，角速度以及角加速度。另外，通過應(yīng)用MATLAB對大量人群人體運動學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理的方法，對人體日常生活中下肢關(guān)節(jié)運動進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析計算，運用這個方法對50名志愿者在蹲坐時的關(guān)節(jié)曲展極限角度的平均值進(jìn)行計算。

3　討論

對人體運動的控制，一直是計算機動畫制作領(lǐng)域中的具有挑戰(zhàn)性的研究熱點，尤其是近年來，隨著虛擬的顯示技術(shù)發(fā)展的快速推進(jìn)，人們對人體運動生成的實時性和效果的逼真性提出了更加迫切的要求?？茖W(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，推動了人體測量學(xué)和人體工程學(xué)在工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、服裝以及國防領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。這些設(shè)計的前提都要對人的行為運動和姿態(tài)進(jìn)行很好的分析。雖然，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，各種對人體運動學(xué)數(shù)據(jù)處理的軟件都被開發(fā)利用，但是它們只能一個一個的進(jìn)行手工操作處理，浪費大量人力和時間，不方便對大量數(shù)據(jù)的批量處理。因此，該文通過在MATLAB的基礎(chǔ)上，對人體運動學(xué)數(shù)據(jù)的批量處理方法的開發(fā)，這種系統(tǒng)可以

對運動捕捉系統(tǒng)讀取的標(biāo)記點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，然后通過這些數(shù)據(jù)構(gòu)建連體基用來進(jìn)行關(guān)節(jié)運動的相關(guān)計算，通過連體基和參考基來通過剛體運動學(xué)對剛體的姿態(tài)進(jìn)行描述，為計算機對髖關(guān)節(jié)內(nèi)外展、內(nèi)外角//屈伸角速度和加速度的計算。并且通過應(yīng)用MATLAB的大量人群人體運動學(xué)數(shù)據(jù)批量處理的方法，對人體日常生活中下肢關(guān)節(jié)運動進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析計算，運用這個方法對五十名志愿者在蹲坐時的關(guān)節(jié)曲展極限角度的平均值進(jìn)行計算。這種方法能夠?qū)Υ笈康娜梭w運動學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效、準(zhǔn)確的處理和分析，提高了海量人體運動學(xué)統(tǒng)計分析的效率。

在對人體運動學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，由于觀測數(shù)據(jù)在實驗測量中會存在一定的誤差，所以在計算一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)時，往往會產(chǎn)生更大的誤差。如果計算方法不當(dāng)甚至?xí)霈F(xiàn)與實際情況大相徑庭的結(jié)果。因此，在MATLAB的基礎(chǔ)上使用人體運動學(xué)數(shù)據(jù)批量處理的方法能有效提高海量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析。

參考文獻(xiàn)

[1]尚鵬，白雪嶺.基于MATLAB的海量人體運動學(xué)數(shù)據(jù)批處理方法[J].醫(yī)用生物力學(xué)，2012，22（6）：67-68.

[2]洪迪安.一種適用于人體運動學(xué)數(shù)據(jù)處理的平滑技術(shù)[J].西安體育學(xué)院學(xué)報，2013，19（4）：152-155.

[3]施寶興，魏文儀.影片數(shù)據(jù)平滑方法的研究——利用動力學(xué)數(shù)據(jù)積分平滑運動學(xué)數(shù)據(jù)的方法[J].西安體育學(xué)院學(xué)報，2011，26 （10）：903-905.

[4]王迪安，王云德，盧德明，等.對舉重生物力學(xué)分析中數(shù)據(jù)平滑方法的研究[J].湖北體育科技，2012，15（19）：335-336.

[5]施寶興.短跑途中跑支撐階段運動學(xué)與動力學(xué)特征新研究[J].廣州體育學(xué)院學(xué)報，2012，22（9）：103-105.

[6]宋偉，趙文，魏瑞晗，等.脊髓損傷恒河猴后肢步態(tài)數(shù)據(jù)處理方法的設(shè)[J].中國康復(fù)理論與實踐，2013，22（13）：222-223.

作者簡介：①馬占武（1982，5—），男，回族，河北張家口人，碩士，講師，研究方向：體育教育。

中圖分類號：G804.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-2813（2015）04（b）-0012-02