基于光學(xué)動(dòng)作捕捉的滑雪運(yùn)動(dòng)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

叢曉丹,劉曉曦,馬艷超

(1.黑龍江省科學(xué)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(wěn)固冰雪運(yùn)動(dòng)人口基數(shù),需進(jìn)一步進(jìn)行冰雪運(yùn)動(dòng)推廣實(shí)踐,保障滑雪教學(xué)安全[1]。運(yùn)動(dòng)科學(xué)研究是提升滑雪教學(xué)手段的關(guān)鍵,滑雪姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析通過(guò)研究運(yùn)動(dòng)員與運(yùn)動(dòng)器械位置姿態(tài)隨時(shí)間變化的規(guī)律及軌跡,揭示滑雪運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的內(nèi)在機(jī)制,建立正確的動(dòng)作技術(shù)模型,為滑雪教學(xué)動(dòng)作診斷及體術(shù)提升提供數(shù)據(jù)支持[2]。但由于滑雪運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地條件苛刻、技術(shù)動(dòng)作復(fù)雜,體育科學(xué)和工程研究對(duì)滑雪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的感知及監(jiān)測(cè)研究較少,缺乏相應(yīng)的理論模型。

本研究采取室內(nèi)四季滑雪機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境,以滑雪運(yùn)動(dòng)員為研究對(duì)象,搭建三維運(yùn)動(dòng)捕捉平臺(tái),采集滑雪運(yùn)動(dòng)員初級(jí)滑雪教學(xué)中犁式直滑降、犁式制動(dòng)、犁式轉(zhuǎn)彎技術(shù)動(dòng)作姿態(tài),建立運(yùn)動(dòng)員及雪板3D運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度對(duì)技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)。結(jié)合滑雪教學(xué)標(biāo)準(zhǔn),探討多項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)對(duì)滑行技術(shù)動(dòng)作效果的影響。

1 室內(nèi)滑雪三維運(yùn)動(dòng)捕捉平臺(tái)

選取Qualisys高精度光學(xué)三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng),搭建室內(nèi)滑雪三維運(yùn)動(dòng)捕捉平臺(tái)。整套系統(tǒng)由多部近紅外線高感攝像機(jī)、高速三維數(shù)據(jù)捕捉工作站、獲取單元、校準(zhǔn)設(shè)備、標(biāo)識(shí)球(Marker)套裝及設(shè)備固定裝置組成,能夠準(zhǔn)確捕捉到高速運(yùn)動(dòng)人體上Marker的空間坐標(biāo)變化,通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)動(dòng)作重建。室內(nèi)滑雪三維運(yùn)動(dòng)捕捉過(guò)程如圖1所示,主要包括實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等步驟。

2 人體姿態(tài)建模方法

三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制的核心是骨骼結(jié)構(gòu)建模。虛擬運(yùn)動(dòng)員的人體骨骼是由身體主要部位的關(guān)節(jié)點(diǎn)組成,連接兩個(gè)相鄰的關(guān)節(jié)點(diǎn)得到相應(yīng)的骨骼。關(guān)節(jié)點(diǎn)位置由標(biāo)識(shí)球計(jì)算獲得,建模過(guò)程定義了每個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的名稱、ID及父子繼承關(guān)系,所有關(guān)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)構(gòu)成一套完整的骨骼模型。骨骼模型如圖2所示,通過(guò)各關(guān)節(jié)點(diǎn)之間協(xié)同運(yùn)動(dòng),復(fù)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)的基本特征。

圖2 三維骨骼模型Fig.2 3D skeleton model

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1.1 場(chǎng)地準(zhǔn)備

滑雪三維運(yùn)動(dòng)捕捉以室內(nèi)四季滑雪機(jī)為實(shí)驗(yàn)環(huán)境。室內(nèi)四季滑雪機(jī)雪毯區(qū)域長(zhǎng)12 m,寬5 m,坡度約25°,穩(wěn)定運(yùn)行速度設(shè)定為15 km/h。結(jié)合攝像機(jī)視角需求及場(chǎng)地空間結(jié)構(gòu)共安裝8部近紅外線高感攝像機(jī)和1部影像攝像機(jī),攝像機(jī)位置安排如圖3所示。攝像機(jī)架設(shè)好后,調(diào)整攝像頭角度、光圈、焦距,確保視角覆蓋運(yùn)動(dòng)員所有運(yùn)動(dòng)范圍,畫(huà)面亮度均勻,圖像清晰。

圖3 攝像機(jī)位置Fig.3 Camera position

3.1.2 貼標(biāo)識(shí)球

標(biāo)識(shí)球位置布置對(duì)應(yīng)人體骨骼建立,直接影響人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)精度。需采集滑雪運(yùn)動(dòng)員全身關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況,故采用圖4中全身標(biāo)識(shí)球布置方式[3]。全身共貼設(shè)45個(gè)標(biāo)識(shí)球,將人體部位簡(jiǎn)化為不同半徑的圓柱體剛體。2塊雪板前后各一個(gè)標(biāo)識(shí)球,捕捉雪板位姿變化。貼標(biāo)識(shí)球時(shí),人體應(yīng)處于自然站立狀態(tài),根據(jù)初始狀態(tài)下的標(biāo)識(shí)球相對(duì)位置對(duì)后續(xù)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

圖4 運(yùn)動(dòng)員標(biāo)識(shí)點(diǎn)位置Fig.4 Athlete identification point location

3.1.3 空間標(biāo)定

在進(jìn)行滑雪三維運(yùn)動(dòng)捕捉前,需對(duì)測(cè)量空間進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定,建立空間坐標(biāo)系。以雪毯區(qū)域中心為空間坐標(biāo)系,原點(diǎn)O,X軸平行于雪毯區(qū)域的短邊,以斜面下端為正前方,向左為負(fù),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(fù)向,下端為正向。Z軸垂直于XOY平面,水平向上為正,向下為負(fù)。在完成系統(tǒng)標(biāo)定后,滑雪運(yùn)動(dòng)員站在雪毯中央,采集一組靜態(tài)動(dòng)作,用于建立人體骨骼模型。

3.2 數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作完成后,啟動(dòng)室內(nèi)四季滑雪機(jī)逐漸加速至15 km/h保持勻速,滑雪運(yùn)動(dòng)員穩(wěn)定滑行。啟動(dòng)三維運(yùn)動(dòng)捕捉軟件,根據(jù)事先設(shè)定的實(shí)驗(yàn)動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,包括犁式直滑降、犁式左轉(zhuǎn)彎、犁式右轉(zhuǎn)彎、犁式制動(dòng)。每次滑行時(shí)間3 min,左右勻速往復(fù)滑行,包含所有技術(shù)動(dòng)作特征,共采集3次。記錄滑行過(guò)程中標(biāo)識(shí)球時(shí)空坐標(biāo)軌跡,如圖5所示。

圖5 標(biāo)識(shí)球時(shí)空坐標(biāo)軌跡Fig.5 Trajectory of marker time-space coordination

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,確認(rèn)并連接標(biāo)識(shí)點(diǎn),結(jié)合滑雪運(yùn)動(dòng)員身高、體重等相關(guān)信息,建立個(gè)體骨骼模型。追蹤標(biāo)識(shí)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行缺失標(biāo)記、濾波處理,導(dǎo)出并保存完整的骨骼動(dòng)作信息。根據(jù)滑雪運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)提出4種能夠體現(xiàn)滑雪技能的特征參數(shù)[4],如表1所示,計(jì)算特征參數(shù)變化。

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

4 結(jié)果分析

滑雪特征參數(shù)結(jié)果如圖6所示。小腿迎面骨與雪板夾角大小與運(yùn)動(dòng)員重心位置變化顯著相關(guān),小腿迎面骨與雪板夾角越小,重心越靠前并向該側(cè)傾斜。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,在犁式右轉(zhuǎn)彎階段,運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)員重心回到中間,雙腿迎面骨與雪板夾角近似。在犁式左轉(zhuǎn)彎階段,運(yùn)動(dòng)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(jīng)髖關(guān)節(jié)夾角大小與滑行速度顯著相關(guān)。在犁式直滑降階段,運(yùn)動(dòng)員加速滑行,雙雪板外刃夾角減小,雙膝蓋經(jīng)髖關(guān)節(jié)夾角減小。在犁式右轉(zhuǎn)彎和犁式左轉(zhuǎn)彎階段,運(yùn)動(dòng)員轉(zhuǎn)彎減速,雙雪板外刃夾角增大,雙膝蓋經(jīng)髖關(guān)節(jié)夾角增大。雙雪板外刃夾角和雙膝蓋經(jīng)髖關(guān)節(jié)夾角同周期變化,波形相似。上臂與軀干夾角大小與運(yùn)動(dòng)員身發(fā)力顯著相關(guān),輔助身體平衡。在犁式右轉(zhuǎn)彎階段,運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)員重心回到中間,雙上臂與軀干夾角近似。在犁式左轉(zhuǎn)彎階段,運(yùn)動(dòng)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(shù)Fig.6 Feature parameters

5 結(jié)論

對(duì)室內(nèi)滑雪技術(shù)特征和場(chǎng)地特點(diǎn)進(jìn)行探索,搭建三維運(yùn)動(dòng)捕捉平臺(tái),結(jié)合人體運(yùn)動(dòng)模型獲取運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)特征數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上分析運(yùn)動(dòng)員在每個(gè)動(dòng)作周期內(nèi)滑雪運(yùn)動(dòng)特征參數(shù),獲得全身各部位相互協(xié)調(diào)技術(shù)規(guī)律,提高了滑雪教練員及運(yùn)動(dòng)員對(duì)滑雪動(dòng)作結(jié)構(gòu)技術(shù)的認(rèn)識(shí),可據(jù)此構(gòu)建滑雪愛(ài)好者不同時(shí)期的滑行數(shù)據(jù)分析其在一定時(shí)期內(nèi)的技能提升水平。

未來(lái),可進(jìn)一步廣泛采集不同水平滑雪運(yùn)動(dòng)員技術(shù)運(yùn)動(dòng)特征參數(shù),建立關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)三維評(píng)價(jià)診斷體系,實(shí)現(xiàn)滑雪運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的數(shù)字化指導(dǎo)。