基于三維圖像的運動合理性判斷方法研究與仿真

秦國輝

摘 要： 傳統(tǒng)的運動合理性判斷方法判斷效率和判斷準確度不高，為此，提出基于三維圖像的運動合理性判斷方法。利用三維圖像人體運動模型采集人體運動數(shù)據(jù)，并以人體的新陳代謝速度和肌肉中乳酸含量為分類依據(jù)，對隱含運動損傷數(shù)據(jù)和人體合理運動數(shù)據(jù)進行分類。分類結果經(jīng)由人體狀態(tài)特征解析函數(shù)，解析出分類結果中的人體狀態(tài)是否合法。將解析出的合法數(shù)據(jù)輸入到運動合理性判斷仿真模型中，利用正逆向動力學確定人體結構參數(shù)、給出運動合理性判斷結果。實驗結果證明，所提方法的運動仿真誤差較低、判斷效率和判斷準確度較高。

關鍵詞： 三維圖像； 運動合理性判斷； 運動數(shù)據(jù)采集； 仿真模型

中圖分類號： TN911.73?34； TP242 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0022?03

Study and simulation of motion rationality judgment method based on 3D image

QIN Guohui

（Baoshan University， Baoshan 678000， China）

Abstract： As the judgment efficiency and the accuracy of movement rationality of the traditional judgment method are not high， a motion rationality judgment method based on 3 d image is put forward. A 3D image human motion model is used to acquire human motion data. Taking the body's metabolism speed and lactic acid content in his muscle as the classification basis， the implicit sport injury data and reasonable human motion data are classified. The human body state characteristic analytic function is used to analyze whether the human body state in the classification results is legal. The acquired legal data is input into the simulation model of movement rationality judgment. By means of direct and inverse dynamics， the human body structural parameters are determined and the motion rationality judgment result is given. The experimental results show that the proposed method has low motion simulation error， and high judgment efficiency and accuracy.

Keywords： 3D image； motion rationality judgment； motion data acquisition； simulation model

運動合理性判斷是電子科技領域極具創(chuàng)造性的研究項目，同時也是醫(yī)療領域中疾病預防與診治的重要手段。近年來，運動合理性判斷方法的研究與仿真已逐漸成為學術界共同探討的前沿課題[1?3]。在學術界以往提出的方法中，均是根據(jù)人體的結構和運動規(guī)律對運動合理性進行判斷的，這些二維的判斷方法使用起來較為抽象，導致方法的運動仿真誤差偏高，并無法取得較高的判斷效率和判斷準確度。為此，提出基于三維圖像的運動合理性判斷方法[4?6]。

1 運動合理性判斷方法研究與仿真

1.1 三維圖像人體運動模型

在日常生活中，由于受到體質和運動規(guī)律的影響，人體的反應能力和防御能力忽高忽低，導致運動損傷情況時有發(fā)生，為此，三維圖像人體運動模型所需進行重點提供的數(shù)據(jù)應是隱含運動損傷數(shù)據(jù)和人體合理運動數(shù)據(jù)。根據(jù)上述情況構建三維圖像人體運動模型，如圖1所示。

由圖1可知，三維圖像人體運動模型先對人體運動三維圖像的隱含運動損傷數(shù)據(jù)和正常運動數(shù)據(jù)（“人體運動數(shù)據(jù)”）進行采集，并將其輸入到人體運動數(shù)據(jù)庫中進行運動數(shù)據(jù)類型的分類。

由于人體在運動中的新陳代謝較為迅速，并且肌肉中將會匯聚大量乳酸，以上兩點均是重要的運動合理性數(shù)據(jù)。因此，基于三維圖像的運動合理性判斷方法對運動損傷數(shù)據(jù)庫的分類工作，將以人體的新陳代謝速度和肌肉中乳酸含量為分類依據(jù)，對隱含運動損傷數(shù)據(jù)和人體合理運動數(shù)據(jù)進行分類，組成人體運動數(shù)據(jù)分類結果，該分類結果將會使用函數(shù)進行進一步解析。

1.2 基于三維圖像的人體狀態(tài)特征解析函數(shù)

三維圖像的運動合理性判斷方法利用基于三維圖像的人體狀態(tài)特征解析函數(shù)，判斷人體運動數(shù)據(jù)中的人體狀態(tài)是否合法，這一解析過程是運動合理性判斷仿真模型數(shù)據(jù)準確度的保障，對提高所提方法的判斷準確度和判斷效率具有重要作用，如圖2所示。

由圖2可知，三維圖像人體運動模型給出的隱含運動損傷數(shù)據(jù)和人體合理運動數(shù)據(jù)中均含有人體狀態(tài)特征，包括骨骼運動特征和肌肉運動特征。這些人體狀態(tài)特征就是基于三維圖像的運動合理性解析函數(shù)的重點解析內容。用集合表示人體運動數(shù)據(jù)的骨骼運動特征集合， 表示肌肉運動特征集合，，分別表示人體內骨骼和肌肉的數(shù)量，那么，人體綜合狀態(tài)特征的函數(shù)表達式為：

式中：表示運動時間；表示運動區(qū)域面積；表示人體狀態(tài)特征因子。

根據(jù)式（1）的計算結果將人體結構劃分成段，每段的人體狀態(tài)特征用集合表示，將集合中排序為的人體狀態(tài)特征與式（1）的計算結果進行對比，經(jīng)由式（2）計算出二者的相似度：

根據(jù)式（2）的計算結果可解析出三維圖像中的人體運動是否合法，合法的相似度計算結果應與人體運動數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)具有一定的函數(shù)對應關系。為此，將人體運動數(shù)據(jù)庫的人體狀態(tài)特征閾值設為，當時，則可確定三維圖像中的人體狀態(tài)是合法的。此時，所對應的人體運動數(shù)據(jù)會被輸入到運動合理性判斷仿真模型中。

1.3 基于三維圖像的運動合理性判斷仿真模型

基于三維圖像的運動合理性判斷仿真模型采用三維可視化方法，對用戶所需的運動合理性判斷流程和結果進行展示。其以人體運動數(shù)據(jù)為輸入，對運動中各段人體結構的參數(shù)進行確定，最終得出運動合理性的判斷結果，如圖3所示。

由圖3可知，基于三維圖像的運動合理性判斷仿真模型包括兩個計算機仿真模型，分別是骨骼、肌肉計算機仿真模型和正逆向動力學計算模型。其中，骨骼、肌肉計算機仿真模型是對1.2節(jié)中計算出的合法人體運動數(shù)據(jù)進行計算機仿真建模得到的，可以通過這一仿真模型對人體運動中的慣性因子（包括人體重心、運動慣量等）進行獲取。

正逆向動力學計算模型通過引入動力學中的正向判斷方法和逆向判斷方法，對人體運動中的慣性因子進行正向判斷，確定出運動中各段人體結構參數(shù)；對人體結構參數(shù)進行逆向判斷，可獲取最終的運動合理性判斷結果，進而得出此時的人體運動是否合理。

2 實驗結果分析

2.1 運動仿真誤差驗證

對實驗輸出數(shù)據(jù)進行處理，所獲取到的三種方法運動仿真誤差數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，本文方法對比對照組1而言，運動仿真誤差平均縮減0.142%；對比對照組2而言，運動仿真誤差平均縮減0.254%。證明三維圖像能夠有效模擬人眼視覺特點進行人體運動仿真，為本文方法帶來較低的運動仿真誤差。

2.2 判斷效率驗證

對實驗中三種方法的判斷用時進行統(tǒng)計，如表2所示。

由表2可知，兩個對照組中方法的判斷用時基本持平，而本文方法的判斷用時遠高于其他兩種方法，證明本文方法判斷效率較高。

2.3 判斷準確度驗證

對實驗輸出數(shù)據(jù)進行處理，所獲取到的三種方法判斷準確度數(shù)據(jù)如表3所示（判斷準確度的單位為1）。

由表3可知，本文方法的判斷準確度始終高于0.95，該數(shù)值高于其他兩種方法的最高判斷準確度，證明本文方法具有較高的判斷準確度。

3 結 論

三維圖像是當今社會最為高級的顯示技術之一，它根據(jù)人體雙眼視力差異和折射原理為人們展現(xiàn)出逼真的畫面。運動合理性判斷通常指對不會造成人體內臟功能損傷的運動行為的判斷。本文將兩種技術融合在一起，提出基于三維圖像的運動合理性判斷方法。這種方法利用三維圖像構建人體運動模型、提供人體運動數(shù)據(jù)并解析，在很大程度上降低了方法的運動仿真誤差。本文最終通過運動合理性判斷仿真模型給出運動合理性判斷結果。通過實驗對判斷結果進行分析，可證明本文方法具有較高的判斷效率和判斷準確度。

參考文獻

[1] 龔勇.基于三維圖像分析潛在運動損傷姿態(tài)判斷方法[J].計算機仿真，2015，32（9）：245?248.

[2] 黃秀花.三維圖像運動特征配準方法研究與仿真[J].計算機仿真，2015，32（12）：206?209.

[3] 王鑫.單幀運動圖像中人體三維重建方法研究與仿真[J].計算機仿真，2015，32（10）：267?270.

[4] 金暉.三維多媒體視覺圖像運動行為仿真研究[J].計算機仿真，2015，32（12）：404?407.

[5] 毛龍所，王學軍.基于ADAMS的軌道運輸車驅動系統(tǒng)三維建模及運動仿真[J].機電一體化，2014，20（4）：20?22.

[6] 武金藝，黃金鳳，李煒，等.基于SolidWorks和ADAMS的裝車機械手運動仿真[J].機床與液壓，2016，44（9）：52?56.