三維人體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)輔助分析在體育中的應(yīng)用

（咸陽師范學(xué)院體育系，陜西咸陽，712000）

三維人體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)輔助分析在體育中的應(yīng)用

段師博

（咸陽師范學(xué)院體育系，陜西咸陽，712000）

近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)在競(jìng)技體育中應(yīng)用的范圍越來越廣。運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練中采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)可以提高其訓(xùn)練的效果。本文闡述了三維人體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)輔助分析在體育中的應(yīng)用，包括三維人體運(yùn)動(dòng)的定義，分析了基于骨骼蒙皮法構(gòu)建運(yùn)動(dòng)員模型，最后闡述了運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的預(yù)處理、提取和分析。

三維建模；運(yùn)動(dòng)捕捉；數(shù)據(jù)分析

0 前言

為了更高、更強(qiáng)、更快的競(jìng)技體育目標(biāo)，運(yùn)動(dòng)員要不斷挑戰(zhàn)和提高自己以提升速度和力量，必須要有刻苦的訓(xùn)練和科學(xué)的訓(xùn)練方法手段?，F(xiàn)在，競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員成績(jī)提高的方法越來越依賴科學(xué)技術(shù)，尤其是運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)和體育系統(tǒng)仿真。經(jīng)過大量研究表明，運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練中使用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，可以盡快掌握技術(shù)要領(lǐng)，提高訓(xùn)練效率，減少他們受傷的可能，促進(jìn)我國競(jìng)技體育事業(yè)的健康發(fā)展。本文闡述了三維人體建模及數(shù)據(jù)分析在體育中的應(yīng)用，為其在體育運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)，提高運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技水平。

1 三維人體運(yùn)動(dòng)

三維人體運(yùn)動(dòng)應(yīng)用計(jì)算機(jī)的仿真技術(shù)構(gòu)建三維人體模型，通過運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)等先進(jìn)的技術(shù)獲得人體運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用在人體模型上，對(duì)運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作進(jìn)行分析，對(duì)比以及模擬，從而提高他們的動(dòng)作水平，這對(duì)提高運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練效果意義重大。

2 三維人體運(yùn)動(dòng)分析

2.1基于運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)采集

運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)獲取梯人體運(yùn)動(dòng)信息的方式是在人體的關(guān)鍵部位安裝傳感器。通常情況下，三維運(yùn)動(dòng)捕捉以運(yùn)動(dòng)員的特定動(dòng)作為對(duì)象，在運(yùn)動(dòng)員的關(guān)節(jié)貼上具有傳感功能的標(biāo)記點(diǎn)，通過分析軟件，把標(biāo)記點(diǎn)的位置和方向轉(zhuǎn)化成一組運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

圖1 運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2三維人體運(yùn)動(dòng)員建模

三維人體建模采用3D Studio MAX建模軟件，其最新版本是3Ds max 2014。3ds max界面組成有以下7部分組成：工具欄、標(biāo)題欄、命令面板、繪圖區(qū)域、菜單欄、動(dòng)畫控制區(qū)、視圖控制區(qū)特。這個(gè)軟件的主要特點(diǎn)是：基于PC系統(tǒng)的低配置要求、安裝插件可擴(kuò)展3D Studio Max軟件的功能以及增強(qiáng)原本的功能 、強(qiáng)大的角色動(dòng)畫制作能力、可堆疊的建模步驟，使制作模型有非常大的彈性。

人體建模技術(shù)構(gòu)建特定姿態(tài)的人體模型，皮膚變形技術(shù)所解決的問題就是運(yùn)動(dòng)中的皮膚變形，二者相互聯(lián)系、影響。人體皮膚變形和建模方法分為基于體模型、基于面模型和基于層次式模型的三類方法。體數(shù)據(jù)法和隱式曲面法是基于體模型建模的兩種方法。皮膚層和骨骼層是基于面模型建模只考慮的兩層結(jié)構(gòu)?？紤]肌肉層、骨骼層、脂肪層和皮膚層四層結(jié)構(gòu)，是層次式模型的建模方法，分別對(duì)它們進(jìn)行建模，從而實(shí)現(xiàn)皮膚的變形過程。在這三種人體建模的方法中，最廣泛的應(yīng)用方法為基于面模型的骨骼蒙皮法。

本文應(yīng)用骨骼蒙皮法闡述人體的建模過程。骨骼蒙皮法的基本原理可以用公式（1）表示，它的本質(zhì)是一種插值算法，

在公式（1）中，Vd代表皮膚變形前的頂點(diǎn)目標(biāo)，Di代表第i段骨骼在坐標(biāo)中的矩陣轉(zhuǎn)換，Di-1Vd代表第i段骨骼皮膚頂點(diǎn)的局部坐標(biāo)值，Mi代表在當(dāng)前幀中第i段骨骼局部到全局的坐標(biāo)矩陣轉(zhuǎn)換，Wi代表第i段骨骼的當(dāng)前權(quán)值點(diǎn)，V代表皮膚變形后的頂點(diǎn)坐標(biāo)。骨骼蒙皮法的基本指導(dǎo)思想是關(guān)節(jié)附近的多段骨骼影響其關(guān)節(jié)附近的皮膚定點(diǎn)，Wi決定其影響權(quán)值的大小。基于骨骼蒙皮法的皮膚建模過程包括皮膚層和骨骼層的構(gòu)建，以及皮膚層和骨骼層的綁定。

（1）皮膚層的構(gòu)建。運(yùn)動(dòng)員模型的皮膚層是一個(gè)完整的網(wǎng)格，起網(wǎng)格的組成采用三角形和四邊形，在構(gòu)建模型的皮膚變形時(shí)，面數(shù)不能太多，否則會(huì)變緩慢，所以面數(shù)最好控制在1000以內(nèi)。在建模時(shí)采用多邊形細(xì)分建模，可以邊做邊修改，容易控制網(wǎng)格密度，多邊形細(xì)分建模分為可編輯多邊形和可編輯網(wǎng)格，先創(chuàng)建一個(gè)幾何體，然后把這個(gè)幾何體塌陷成可編輯多邊形或者是可編輯網(wǎng)格，并對(duì)其不斷進(jìn)行修改和細(xì)分，得到最后想要的運(yùn)動(dòng)員模型。運(yùn)動(dòng)員的皮膚層構(gòu)建好之后，采用紋理映射技術(shù)，在皮膚層上貼上皮膚紋理，通過二者的映射關(guān)系，把紋理圖映射到模型的皮膚上，從而合成真實(shí)感的皮膚模型，皮膚層就構(gòu)建好了。

（2）骨骼層的構(gòu)建。骨骼層的構(gòu)建主要依據(jù)兩個(gè)重要的人體骨骼結(jié)構(gòu)的國際標(biāo)準(zhǔn)VRML以及MPEG-4，這兩個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)都支持虛擬人的表示。虛擬人表示以人體的重心、關(guān)節(jié)、骨骼分別為根節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)和連線的樹形，并將每個(gè)肢體的幾何模型與相應(yīng)的骨骼依附，從而組成一個(gè)完整的模型。虛擬運(yùn)動(dòng)員的骨骼用簡(jiǎn)單的三維剛體表示，用關(guān)節(jié)把這些骨骼連接起來，父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)不會(huì)發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，只發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這樣骨骼層就構(gòu)建好了。

（3）骨骼層和皮膚層的綁定。骨骼層和皮膚層的綁定就是確定皮膚層和骨骼的間的影響，即皮膚層上的點(diǎn)受哪幾段骨骼的影響，并且每段骨骼對(duì)這個(gè)點(diǎn)都會(huì)有一個(gè)影響因子，這個(gè)點(diǎn)受此段骨骼影響的大小代表著影響因子的大小。骨骼層和皮膚層綁定之后，運(yùn)動(dòng)員模型就構(gòu)建好了，如圖2所示。

圖2 構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)員模型

2.3三維人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算

2.3.1 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理

運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)按照一定的頻率收集和計(jì)算運(yùn)動(dòng)員的信息，并將這些信息按照特定的格式存儲(chǔ)成數(shù)據(jù)文件，但是數(shù)據(jù)文件的格式由于捕獲設(shè)備的不同難以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在一般情況下，采集的運(yùn)動(dòng)信息會(huì)有很多噪音，不利于數(shù)據(jù)的分析處理。數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括野點(diǎn)的剔除和平滑去燥，野點(diǎn)的剔除就是將一些嚴(yán)重偏離趨勢(shì)的數(shù)據(jù)去掉。平滑去噪主要是采用適當(dāng)?shù)臑V波器將噪聲去除。

2.3.2 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)特征提取

數(shù)據(jù)進(jìn)行完預(yù)處理后，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的特征提取和識(shí)別。運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的特征提取包括加窗處理、時(shí)域特征提取、頻域特征提取、主成分分析四個(gè)步驟。加窗處理就是指把采集到的整段數(shù)據(jù)分成不同的敞口，窗口之間必須要有一定程度的疊加，單位提取特征以單個(gè)窗口為準(zhǔn)。時(shí)域特征主要包括標(biāo)準(zhǔn)差、方差、均值、相關(guān)系數(shù)、斜率、均方根、時(shí)域積分、平均絕對(duì)偏差等8種，均采用概率統(tǒng)計(jì)的方法，相對(duì)簡(jiǎn)單。原始信號(hào)經(jīng)過快速傅里葉變換即FFT ，然后提取其特征矢量，才能提取其頻域特征。頻域特征表述了信號(hào)的頻率特性。常見的頻域特征有：系數(shù)、FFT、頻域熵、能量、能譜密度等。主成分分析就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，提高識(shí)別的效率。

2.3.3 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析

在三維運(yùn)動(dòng)空間中，獲得的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)具有旋轉(zhuǎn)角。數(shù)據(jù)常用的表示旋轉(zhuǎn)的方法有四元數(shù)、歐拉角和旋轉(zhuǎn)矩陣。四元數(shù)的旋轉(zhuǎn)采用的四個(gè)參數(shù)表示，是一種應(yīng)用最廣泛的旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)分析方式，不能直接使用歐式空間的向量插值方法。歐拉角就是將旋轉(zhuǎn)相對(duì)于主軸的三個(gè)順序旋轉(zhuǎn)分量表示，可以形成三個(gè)自由度，任意的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)用相對(duì)于坐標(biāo)軸的角度描述。歐拉角方法具有無法插值和奇異性問題等嚴(yán)重缺點(diǎn)，因此在應(yīng)用中通常將歐拉角轉(zhuǎn)換為四元數(shù)表示旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)矩陣的表述需要較多的變量和約束，會(huì)占用較大內(nèi)存，不容易計(jì)算，并且旋轉(zhuǎn)矩陣不能直接用于插值。

3 結(jié)束語

本文對(duì)三維人體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)輔助分析在體育中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，主要包括運(yùn)動(dòng)員的模型構(gòu)建和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集和處理方面。通過先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段，可以為運(yùn)動(dòng)員的日常訓(xùn)練提供科學(xué)指導(dǎo)，快速提高其競(jìng)技水平。但是如何將先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)更好的應(yīng)用于體育訓(xùn)練中，這是一個(gè)值得研究的課題，我們將繼續(xù)研究，爭(zhēng)取在關(guān)鍵技術(shù)的研究上取得更大的進(jìn)步，更好地為體育事業(yè)服務(wù)。

[1] 黃新.個(gè)性化人體模型與肢體協(xié)同運(yùn)動(dòng)研究[D].東華大學(xué),2012.

[2] 侯鵬高.數(shù)字人體建模進(jìn)展[J].齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào),2013,21:3221-3223.

[3] 胡文淵.三維人體運(yùn)動(dòng)分類識(shí)別技術(shù)研究[D].浙江大學(xué),2012.

段師博，1981年生，男，陜西臨潼人，咸陽師范學(xué)院體育系講師，主要從事高校體育研究

Computer aided 3D human motion analysis in sports

Duan Shibo
(Department of physical education,Xianyang Normal University,Shaanxi Xianyang,712000)

In recent years,the scope and application of computer technology in sports more widely. Athletes in training in the use of advanced science and technology can improve the effect of training. This paper describes the computer aided 3D human motion analysis in sports,including the definition of 3D human motion,analyzes the athletes of skinned mesh method based on the model,and finally describes the pretreatment,extraction and analysis of movement data.

3D modeling;motion capture;data analysis