基于動態(tài)三維模型的排球運動姿態(tài)標準化研究

張東兵

摘要：針對排球運動員普遍存在打球動作姿勢不標準問題，提出基于動態(tài)三維模型的排球運動姿態(tài)標準化研究。采用Ki-nect技術(shù)獲取排球運動三維深度動態(tài)圖像數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為四元數(shù)格式，并將數(shù)據(jù)文件以VBH格式進行儲存，通過OGRE技術(shù)將數(shù)據(jù)塑造成動態(tài)三維模型，然后運用歐氏距離對比方法判斷排球運動姿勢是否標準。經(jīng)過某排球隊對模型應(yīng)用，證明了動態(tài)三維模型能有效促使排球運動姿勢標準化。

關(guān)鍵詞：動態(tài)三維模型;排球運動姿態(tài);標準化;Kinect技術(shù);OCRE技術(shù)

中圖分類號：G852 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）03-0218-03

在排球比賽中，排球運動員姿勢是否標準不光決定著排球運動能力穩(wěn)定的發(fā)揮，同時也決定著排球運動員出現(xiàn)受傷概率。傳統(tǒng)的排球運動姿勢只能依靠教練肉眼觀看對其進行糾正，但是大部分情況下都是一個教練面對一幫排球隊員，使隊員排球運動錯誤姿勢不能得到及時糾正，使大部分排球運動員普遍存在運動姿勢不標準。所以提出將動態(tài)三維模型與排球教學(xué)相結(jié)合，減輕教練教學(xué)壓力，同時促進排球運動姿勢標準化。

1 構(gòu)建排球運動標準化姿勢動態(tài)三維模型

1.1 三維動態(tài)數(shù)據(jù)采集

三維動態(tài)信號采集是建立排球運動標準化姿勢動態(tài)三維模型至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，三維動態(tài)信號采集是否完整以及好壞將直接影響到后面排球三維運動姿勢重建的效果，所以此次利用Kinect中編碼技術(shù)（Light Coding）與骨骼追蹤技術(shù)，獲取排球運動員人體的深度信息，運用隨機決策算法來標記排球運動員人體的各個部位，最后從標記的人體部位中獲取人體的骨骼信息，從而完成三維動態(tài)信號采集任務(wù)實現(xiàn)三維動態(tài)信號采集任務(wù)。

Kinect是一種具有動態(tài)捕捉、人體識別、語音識別、動作識別等多種功能的主機外設(shè)，通過紅外深度攝像頭獲取圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)傳感器對數(shù)據(jù)信息進行處理然后傳送給芯片系統(tǒng)，形成深度數(shù)據(jù)圖像[1]。Kinect在對采集到的數(shù)據(jù)進行識別時，骨骼追蹤會顯示出可推斷、未追蹤到、以追蹤到三種狀態(tài)，其中顯示未追蹤的數(shù)據(jù)為完全不可用數(shù)據(jù)，其與兩種狀態(tài)的三維動態(tài)數(shù)據(jù)對建立模型是有價值數(shù)據(jù)[2]。

由于此模型是用于排球運動姿勢標準化規(guī)劃，要適用于不用身高、體型的運動員，所以采用渲染管線方法來進行排球運動人體骨骼追蹤，將Kinect紅外攝像頭采集的人體骨骼原始數(shù)據(jù)與訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)進行對比，實現(xiàn)排球運動姿勢標準化。

渲染管線方法：（l）Kinect技術(shù)對三維動態(tài)信號采集初始階段，通過識別人體的原始深度數(shù)據(jù)流，在沒有任何其他編碼的條件下，系統(tǒng)芯片獲取到的只是深度數(shù)據(jù)表征的二維人體表征[3]。（2）為了獲取排球運動員更深入的姿勢數(shù)據(jù)，Kinect系統(tǒng)芯片要將每一個二維人體表征動態(tài)圖像與標準的排球運動數(shù)據(jù)進行匹配，將二者符合的數(shù)據(jù)標記在二位人體表征上。（3）通過不斷的數(shù)據(jù)匹配累積直到人體所有骨骼和關(guān)節(jié)都得到相應(yīng)的標記，形成三維動態(tài)圖像。下圖為Kinect技術(shù)三維動態(tài)信號采集流程。

為了獲取到精準且有價值的三維動態(tài)數(shù)據(jù)，需要對Kinect參數(shù)進行合理設(shè)置，其中包括姿勢修正值、動作抖動半徑、抖動范圍、預(yù)測幀、骨骼平滑值等。

1.2 骨骼表征動作數(shù)據(jù)儲存

通過Kinect技術(shù)獲取到排球運動員的三維動作姿態(tài)數(shù)據(jù)后，就可以將這些數(shù)據(jù)有效的儲存起來，用來驅(qū)動動態(tài)三維模型運動。首先動作數(shù)據(jù)的儲存格式非常重要，常用的動態(tài)三維模型數(shù)據(jù)儲存格式有旋轉(zhuǎn)矩陣、歐拉角和四元數(shù)，三種數(shù)據(jù)格式比較如表1所示。

根據(jù)表1三種數(shù)據(jù)儲存格式應(yīng)用比較，四元數(shù)相對其他兩種儲存格式優(yōu)勢更大一些，所以對Kinect采集到的三維動態(tài)數(shù)據(jù)采用四元數(shù)格式進行轉(zhuǎn)換。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完后選用BVH格式對文件進行儲存。BVH是一種常用的動作數(shù)據(jù)文件格式，它具有導(dǎo)入導(dǎo)出功能，并且編輯和更改較為簡單方便，便于后續(xù)模型開發(fā)。以BVH格式保存動態(tài)三維數(shù)據(jù)的文件共由18個人體關(guān)節(jié)點組成，并且分成描述骨骼層次和初始姿勢兩部分，下圖展示了BVH格式文件關(guān)節(jié)點的分布及名稱。

1.3 動態(tài)三維模型驅(qū)動設(shè)計

對于用于排球運動標準化姿勢的動態(tài)三維模型的場景設(shè)計采用OGRE技術(shù)，它是一個面向3D場景設(shè)計的基于C語言開發(fā)的軟件，具有三維動態(tài)影像渲染功能，并且該軟件提供了一個世界對象的動態(tài)接口，可以隱藏模型數(shù)據(jù)庫。通過OGRE開發(fā)的模型啟動應(yīng)用、場景設(shè)計，并用Kinect采集到的三維人體運動姿勢數(shù)據(jù)驅(qū)動人物模型。在模型場景設(shè)計方面OGRE具有以下特點：（1）接口：該軟件采用的是面向?qū)ο蟮慕涌谠O(shè)計形式，能夠簡單快捷的實現(xiàn)三維場景畫面渲染，并且具有獨立的API接口設(shè)計，能夠提供充足的開發(fā)資料。（2）數(shù)據(jù)處理：該軟件能夠?qū)Χ喾N不同格式的影響加載紋理，并且具有較高的三維畫面質(zhì)量。（3）組織方法：OGRE支持多種三維場景設(shè)計方法，比如開發(fā)人員自己通過插件方式開發(fā)場景，還可以使用軟件自帶的三維場景組織方法。除此之外，該技術(shù)能夠?qū)γ總€模型節(jié)點下安插一個控制，通過節(jié)點的運動帶動整個模型的運動，使動態(tài)三維模型更加逼真和靈活。（4）場景特效：該軟件支持多種場景特效，比如天空盒、天空面等。下圖為OGRE三維模型場景設(shè)計流程。

當(dāng)三維模型場景設(shè)計完成后，通過安裝Kinect相關(guān)驅(qū)動，將OGRE三維模型場景與三維動態(tài)數(shù)據(jù)融合在一起，形成一個動態(tài)三維模型。

1.4 三維人體動作對比

由于建立的是用于規(guī)范排球運動姿勢標準的動態(tài)三維模型，所以需要在模型中設(shè)計一個排球運動姿勢對比方法用于比較排球運動姿勢是否標準。此次采用歐式距離對比方法，該方法是通過排球運動姿勢與模型中標準運動姿勢中各個關(guān)節(jié)距離對比，形成一個閾值，閾值越小代表排球運動姿勢越區(qū)域標準。其計算公式如下所示：

閾值T是兩個排球運動姿勢所有的各個關(guān)節(jié)的絕對距離，當(dāng)?shù)玫降腡值越大，說明排球運動姿勢越不標準，以此來規(guī)范排球運動姿勢標準化。

2 案例分析

為了驗證此次設(shè)計的動態(tài)三維模型對排球運動姿勢標準化規(guī)范效果，在安徽省某排球?qū)?yīng)用該模型對球員進行案例分析，為了保證此次案例分析結(jié)果的有效性，對排球隊員和動態(tài)三維模型使用提出了如下要求：（1）在訓(xùn)練過程中，讓5名隊員做排球動作，動作姿勢包括伸展、彎曲等，由教練和動態(tài)三維模型同時對隊員排球動作姿勢進行評判。（2）模型在動態(tài)數(shù)據(jù)捕捉過程中光線和場景背景恒定f3）模型幀速率設(shè)置為150幀/s。f4）模型開發(fā)環(huán)境選Win5x12+VS2012。運動三維模型具體實現(xiàn)步驟如下：第一步，通過Kinect收集隊員運動數(shù)據(jù)，篩選有用的原始深度數(shù)據(jù);步驟二，將獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為四元數(shù)數(shù)據(jù)格式，并已BVH文件格式對動態(tài)數(shù)據(jù)進行儲存;第三步，應(yīng)用OGRE驅(qū)動運動三維模型，并塑造三維環(huán)境;步驟四，運用歐式距離對比方法評判隊員運動姿勢。下表為教練和模型五個排球隊員運動姿勢評判情況。

從上表可以看出，動態(tài)三維模型與排球教練評判結(jié)果一致，能準確地判斷出排球隊員運動姿勢是否標準，并且無論是伸展動作還是彎曲動作，動態(tài)三維模型都能做出準確判斷，證明了動態(tài)三維模型對規(guī)范排球運動姿勢標準具有較高的可靠性。

3 結(jié)束語

運動三維模型融合了Kinect、四元數(shù)、BVH、OGRE和歐式距離對比方法等多個技術(shù)，將其應(yīng)用到排球運動訓(xùn)練中能準確地捕捉到排球?qū)W員的動態(tài)姿勢，并且通過與標準的排球動作對比糾正學(xué)員打球動作，促使排球運動姿勢標準化，對排球教學(xué)就有良好的應(yīng)用價值。

參考文獻：

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