基于光學動作捕捉的滑雪運動姿態運動學分析

叢曉丹,劉曉曦,馬艷超

(1.黑龍江省科學院智能制造研究所,哈爾濱 150001; 2.哈爾濱漢碩體育科技有限公司,哈爾濱 150001)

0 引言

為穩固冰雪運動人口基數,需進一步進行冰雪運動推廣實踐,保障滑雪教學安全[1]。運動科學研究是提升滑雪教學手段的關鍵,滑雪姿態運動學分析通過研究運動員與運動器械位置姿態隨時間變化的規律及軌跡,揭示滑雪運動姿態的內在機制,建立正確的動作技術模型,為滑雪教學動作診斷及體術提升提供數據支持[2]。但由于滑雪運動場地條件苛刻、技術動作復雜,體育科學和工程研究對滑雪運動狀態的感知及監測研究較少,缺乏相應的理論模型。

本研究采取室內四季滑雪機實驗環境,以滑雪運動員為研究對象,搭建三維運動捕捉平臺,采集滑雪運動員初級滑雪教學中犁式直滑降、犁式制動、犁式轉彎技術動作姿態,建立運動員及雪板3D運動學模型,從運動學角度對技術動作進行數據評價。結合滑雪教學標準,探討多項數據指標對滑行技術動作效果的影響。

1 室內滑雪三維運動捕捉平臺

選取Qualisys高精度光學三維運動捕捉系統,搭建室內滑雪三維運動捕捉平臺。整套系統由多部近紅外線高感攝像機、高速三維數據捕捉工作站、獲取單元、校準設備、標識球(Marker)套裝及設備固定裝置組成,能夠準確捕捉到高速運動人體上Marker的空間坐標變化,通過運動學分析實現人體運動動作重建。室內滑雪三維運動捕捉過程如圖1所示,主要包括實驗準備、數據采集、數據處理等步驟。

2 人體姿態建模方法

三維運動姿態控制的核心是骨骼結構建模。虛擬運動員的人體骨骼是由身體主要部位的關節點組成,連接兩個相鄰的關節點得到相應的骨骼。關節點位置由標識球計算獲得,建模過程定義了每個關節點的名稱、ID及父子繼承關系,所有關節點關聯構成一套完整的骨骼模型。骨骼模型如圖2所示,通過各關節點之間協同運動,復現人體運動的基本特征。

圖2 三維骨骼模型Fig.2 3D skeleton model

3 實驗設計

3.1 實驗準備

3.1.1 場地準備

滑雪三維運動捕捉以室內四季滑雪機為實驗環境。室內四季滑雪機雪毯區域長12 m,寬5 m,坡度約25°,穩定運行速度設定為15 km/h。結合攝像機視角需求及場地空間結構共安裝8部近紅外線高感攝像機和1部影像攝像機,攝像機位置安排如圖3所示。攝像機架設好后,調整攝像頭角度、光圈、焦距,確保視角覆蓋運動員所有運動范圍,畫面亮度均勻,圖像清晰。

圖3 攝像機位置Fig.3 Camera position

3.1.2 貼標識球

標識球位置布置對應人體骨骼建立,直接影響人體運動數據精度。需采集滑雪運動員全身關節點運動情況,故采用圖4中全身標識球布置方式[3]。全身共貼設45個標識球,將人體部位簡化為不同半徑的圓柱體剛體。2塊雪板前后各一個標識球,捕捉雪板位姿變化。貼標識球時,人體應處于自然站立狀態,根據初始狀態下的標識球相對位置對后續運動數據進行修正。

圖4 運動員標識點位置Fig.4 Athlete identification point location

3.1.3 空間標定

在進行滑雪三維運動捕捉前,需對測量空間進行系統標定,建立空間坐標系。以雪毯區域中心為空間坐標系,原點O,X軸平行于雪毯區域的短邊,以斜面下端為正前方,向左為負,向右為正。Y軸與X軸同一水平面并垂直于X軸,斜面斜面上端為負向,下端為正向。Z軸垂直于XOY平面,水平向上為正,向下為負。在完成系統標定后,滑雪運動員站在雪毯中央,采集一組靜態動作,用于建立人體骨骼模型。

3.2 數據采集

實驗準備工作完成后,啟動室內四季滑雪機逐漸加速至15 km/h保持勻速,滑雪運動員穩定滑行。啟動三維運動捕捉軟件,根據事先設定的實驗動作進行實時采集,包括犁式直滑降、犁式左轉彎、犁式右轉彎、犁式制動。每次滑行時間3 min,左右勻速往復滑行,包含所有技術動作特征,共采集3次。記錄滑行過程中標識球時空坐標軌跡,如圖5所示。

圖5 標識球時空坐標軌跡Fig.5 Trajectory of marker time-space coordination

3.3 數據處理

數據采集結束后,確認并連接標識點,結合滑雪運動員身高、體重等相關信息,建立個體骨骼模型。追蹤標識點的運動軌跡,對數據進行缺失標記、濾波處理,導出并保存完整的骨骼動作信息。根據滑雪運動學特點提出4種能夠體現滑雪技能的特征參數[4],如表1所示,計算特征參數變化。

表1 滑雪特征參數Tab.1 Skiing feature parameters

4 結果分析

滑雪特征參數結果如圖6所示。小腿迎面骨與雪板夾角大小與運動員重心位置變化顯著相關,小腿迎面骨與雪板夾角越小,重心越靠前并向該側傾斜。實驗過程中,在犁式右轉彎階段,運動員重心左移,左小腿迎面骨與雪板夾角減小,右小腿迎面骨與雪板夾角增大。在犁式直滑降階段,運動員重心回到中間,雙腿迎面骨與雪板夾角近似。在犁式左轉彎階段,運動員重心右移,右小腿迎面骨與雪板夾角減小,左小腿迎面骨與雪板夾角增大。左右小腿迎面骨與雪板夾角同周期變化,波形相反。雙雪板外刃夾角、雙膝蓋經髖關節夾角大小與滑行速度顯著相關。在犁式直滑降階段,運動員加速滑行,雙雪板外刃夾角減小,雙膝蓋經髖關節夾角減小。在犁式右轉彎和犁式左轉彎階段,運動員轉彎減速,雙雪板外刃夾角增大,雙膝蓋經髖關節夾角增大。雙雪板外刃夾角和雙膝蓋經髖關節夾角同周期變化,波形相似。上臂與軀干夾角大小與運動員身發力顯著相關,輔助身體平衡。在犁式右轉彎階段,運動員重心左移,左臂靠近身體,右上臂與軀干夾角減小。在犁式直滑降階段,運動員重心回到中間,雙上臂與軀干夾角近似。在犁式左轉彎階段,運動員重心右移,右臂靠近身體,右上臂與軀干夾角減小。左右上臂與軀干夾角同周期變化,波形相反。

圖6 特征參數Fig.6 Feature parameters

5 結論

對室內滑雪技術特征和場地特點進行探索,搭建三維運動捕捉平臺,結合人體運動模型獲取運動員姿態特征數據,在此基礎上分析運動員在每個動作周期內滑雪運動特征參數,獲得全身各部位相互協調技術規律,提高了滑雪教練員及運動員對滑雪動作結構技術的認識,可據此構建滑雪愛好者不同時期的滑行數據分析其在一定時期內的技能提升水平。

未來,可進一步廣泛采集不同水平滑雪運動員技術運動特征參數,建立關鍵技術指標三維評價診斷體系,實現滑雪運動訓練的數字化指導。