（运动人体科学专业论文）关于arie1系统的多媒体教学软件的研制.pdf

i 摘 要 目前在国内已经有许多家科研机构和单位购买了美国 ariel 三维解析系统，但由于 系统英文界面影响了人们对其操作的深入了解，因而限制了其功能的发挥。有些单位虽 然运用了 powerpoint 制作了关于三维解析介绍的电子幻灯，但由于交互性较差，也影 响了教学的效果。而基于 authorware 开发制作的多媒体 cai 教学演示系统，以其图文 并茂、声像俱佳、动静皆宜的表现形式以及虚拟现实等技术推出一种全新的教学模式， 运用于产品介绍与课堂教学更有助于学习者对于产品的了解和知识的理解，能极大的提 高教学的效果。 同时， 还提供了良好的基本程序框图， 可以为他人迅速制作出精美的 cai 课件奠定了重要基础。 人体运动图像三维解析多媒体演示系统的研制，为开展三维解析系统应用的教学提 供了一个重要工具， vr （模拟实验室） 技术的运用， 为我们营造一个 “虚拟物理实验室” ， 可以让学习者方便从事各种虚拟实验。在人体运动三维解析多媒体演示系统中，在利用 cai 讲解人体运动三维解析系统的操作外，还在每一个页面（或每一步操作）中添加了 演示程序，这样学习者可以一边学习、一边操作，十分有利于学习者迅速掌握三维解析 的操作。并且可以使更多人去学习和掌握三维解析系统的操作，从而三维解析系统对动 作技术分析的范围，对体育运动实践中体育科研的普及与水平的产生极大的促进作用。 关键词关键词：三维解析系统；authorware；cai；vr；多媒体演示系统 ii abstract at present， there are many companies in the domestic research institutions and units already buy ariel three-dimensional analysis system of the united states， but because the system using english interface， chinese people cant in-depth understanding its operation， thus limiting its application. although some units have been using a powerpoint produced the electronic slide about three-dimensional analysis， but its poor interaction also affects the teaching effect. the multi-media cai teaching demonstration system was developed based on authorware， its has a lot of words、illustrations、audios and videos， virtual reality technologies such as the introduction of a new teaching model，the products used in classroom teaching will help learners understand the product and learn the knowledge， its also can greatly improve the teaching effect. at the same time， it also provides a good diagram of the basic procedures， you can quickly fabricate beautifully cai courseware for others. the development of three-dimensional analysis of human motion images multimedia presentation systems provides three-dimensional analysis teaching an important tool， and vr （simulation laboratory）technology for us create a virtual physics laboratory that allows learners easily engaged in a variety of virtual reality experiment. in the system，besides the use of cai to explain three-dimensional human motion analysis system，also added demonstration program in every page （or every step of the operation） ， so that while learners learning ， they can operate it too.it is very beneficial to learners to grasp the three-dimensional analytical operations.and its convenience can allow more people to learn and master the operation of three-dimensional analysis system， which make much acceleration for technical analysis of the movement scope and popularize of sports science. key words： three-dimensional analysis system； authorware； cai； vr； multimedia presentation systems 武汉体育学院武汉体育学院学位论文原创性声明和使用授权说明学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明学位论文使用授权说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以允许采用影 印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可 以公开学位论文的部分或全部内容。 （保密论文在解密后遵守此规定） 作者签名： 日期： 指导教师签名： 日期： 第一章 前言 1 第一章 前言 1.1 三维解析系统对于体育实践的指导作用 对人体运动技术的摄影、摄像以及对人体运动的解析是目前运动生物力学最常用、 最重要的一种研究方法，由于它是一种非接触性拍摄，可在不影响运动员技术动作的条 件下真实地记录运动员运动的整个过程， 并以运动方程、 图形、 图像和数据表格的形式， 生动、 形象地反映运动员的动作技术解析结果， 为运动员深入了解自己的技术动作特征、 分析技术动作的优劣提供了极为重要的理论依据，因而深受广大的运动员、教练员的青 睐。 各国运动生物力学的研究人员非常注重对三维解析系统的研发，目前国内外三维解 析系统主要有：美国的 peak 系统、ariel 系统、kodak 系统，德国的 simi 系统，日本 的 nec 系统，意大利的 elite 系统，中国的 eimg（爱捷）系统等。 在过去的研究中，三维影像解析在许多运动项目的动作技术的分析中得到了广泛运 用，对于各个运动项目技术的改进提供了重要的理论依据。 三维影像解析系统在奥运会科技服务中也发挥了十分重要的作用。运动实践表明： 世界优秀运动员之间的运动成绩相差是极其微小的，尤其是各运动项目参加决赛的前几 名运动员之间实力非常接近，例如短道速滑、自行车、100m、跨栏等运动项目，冠、亚 军运动员的成绩往往仅在千分之几秒，哪怕一个细小的环节造成对运动成绩的影响便会 造成比赛名次的改变，当然动作技术是影响运动成绩众多因素中的一个十分重要的因 素。优秀运动员动作技术的微小改善都会带来运动员成绩一定程度的提高，比赛名次也 因此会发生改变。因此，努力缩小与世界优秀选手动作技术上的差距，优化其动作技术 规格，正是三维影像解析系统价值的重要体现。 1.2 三维解析系统操作的复杂性 我国著名的生物力学专家刘志成指出，使用经济、轻便和快速的录象进行运动现场 训练或比赛中运动员的动作技术三维分析是十分适用的。但由于人体运动图像的三维解 析系统功能庞大，操作较为复杂，一般很难被人掌握，这在一定的程度上会影响到功能 武汉体育学院硕士学位论文 2 的开发和系统的运用。 三维解析系统结构复杂，拍摄、解析等操作要求比较严格，否则解析结果将产生较 大误差。国外三维解析的软件系统一般为英文界面，对于绝大多数中国人来说，使用不 太习惯， 更增添了使用的难度。 其软件系统操作的复杂性主要体现在以下几个方面： 一、 运动图像拍摄的复杂性；二、运动图像采集与编辑的复杂性；三、参数设置的复杂性； 四、框架节点数据及人体关节点数据采集的复杂性；五、解析结果显示的复杂性。 为此，寻找一种较为合理的方式对该系统的操作进行详细介绍以便于更多人掌握三 维影像解析的运用是一项具有较大价值的研究工作。从目前的教学模式来看，cai 是教 学效果达到优化教学的重要手段之一。 1.3 运用多媒体教学（cai）学习三维解析系统操作的优势 多媒体技术以其图文并茂、声像俱佳、动静皆宜的表现形式以及虚拟现实等技术， 推出一种全新的教学模式，运用于产品介绍与课堂教学更有助于学习者对于产品的了解 和知识的理解，能极大地提高教学的效果。与单纯的图文教程相比，生动活泼的视频多 媒体教程更容易吸引学习者的注意，让学习过程更加轻松有趣。由于 cai 的特点：自由 选择性强、交互功能强，可以让学习者自由选择学习的内容，对比较复杂，难于掌握的 内容可以反复学习，尤其是对于三为解析系统操作的学习，对于每一步的操作可反复学 习与练习。 随着多媒体技术和仿真技术的发展，vr 技术在教学中的应用有非常令人鼓舞的前 景，为我们营造一个“虚拟物理实验室” ，可以让学习者方便从事各种虚拟实验。 在人体运动三维解析多媒体演示系统中，在利用 cai 讲解人体运动三维解析系统的 操作外，还在其中添加了演示程序，这样学习者可以一边学习、一边操作，十分有利于 学习者迅速掌握三维解析的操作。 第二章 三维解析简介 3 第二章 三维解析简介 2.1 三维解析系统的发展概况 2.1.1 影像解析理论的建立 17 世纪意大利的医生鲍列里找到了一种用尸体解剖材料测定人体重心的方法，19 世纪德国的布拉温费舍尔、俄国的扎其奥尔斯基和日本的松井秀治，相继建立了人体 模型， 1877 年美国的摄影师麦布里奇创建了高速摄影机， 这样由图片确定人体重心坐标 的方法基本确立，并奠定了影像解析理论的基础，又通过引入牛顿的运动学计算公式即 可求出人体运动的运动学参数，进一步完善了影像解析的理论。 2.1.2 摄影摄像技术的发展 20 世纪 60 年代初期，由于计算机的出现，影像解析技术很快与计算机技术结合起 来，充分利用了计算机计算速度快、准确性高的特点计算人体重心坐标和人体运动的运 动学参数，这一时期由于科技发展水平的制约和计算机技术的落后，影像解析技术基本 上还停留在二维解析的基础上，同时图像的采集与处理的技术水平也非常低。 20 世纪 80 年代，随着测量学理论的发展和计算机技术的提高，世界各国运动生物 力学研究人员竞相开发三维解析系统，与此同时运动图像的采集与处理技术也得到大幅 度的提高，到 80 年代末期，美国、德国、意大利等国已成功开发出了三维解析系统， 图像解析技术迈上了一个新的台阶。 总体上来说，摄影摄像技术经历了从摄影到摄像、从低速到高速、从二维到三维的 发展过程。 传统摄影-解析技术基本模式为： 图图 2 2- -1 1 传统摄影传统摄影- -解析技术基本模式解析技术基本模式 摄影解析技术的优点在于：由于摄影成像是通过底片感光，提高拍摄频率相对来说 比较容易，因此摄影拍摄的频率现在可以提高到每秒 10000 张以上。缺点在于：一、耗 人体运动的摄影 冲洗 放映机 数字化 计算机 武汉体育学院硕士学位论文 4 材大、费用高；二、处理周期长；三、底片上的图像无法直接送入计算机，数据的采集 必须借助于数字化板；四、解析技术更新的难度大。 传统录像-解析技术的基本模式： 图图 2 2- -2 2 传统录像传统录像- -解析技术基本模式解析技术基本模式 现代录像-解析技术的基本模式： 图图 2 2- -3 3 现代录像现代录像- -解析技术基本模式解析技术基本模式 2.2 三维解析系统的基本理论 2.2.1 图像采集的基本理论 所谓图像采集就是将记录在录像带上的模拟信号的图像转化为数字图像，并将图像 数据文件保存在计算机的硬盘上。在对图像数字化处理上国内外原有三种方式： a、停帧采集，配以编辑机，以美国的 ariel 为代表； b、小容量图像板，以美国的 peak 系统为代表； c、大容量动态图像采集器，美国的 motion 系统、德国的 simi 系统及中国的爱捷 系统均属此类型。 2.2.2 数据采集的基本理论 人体运动图像三维解析需要采集的是框架各节点的图像平面坐标（a、b 机框架图 像） 、人体运动图像各关节点坐标（a、b 机人体运动图像） 。采集框架各节点的图像平面 坐标的目的是为了实现数据的转化，即通过图像采集到的 2d 坐标转化为 3d 坐标，其转 化的基本理论见下面第三部分中“数据合成的基本理论”的论述；采集人体运动图像各 关节点坐标的目的是为了获得人体各时刻身体各环节所在的空间位置，因为每两个关节 点可以确定一个环节，并可以通过计算得到环节的重心坐标，进一步得到人体总重心坐 标。在得到人体各特征点（关节点、环节的重心点、人体总重心点）的空间位置坐标后， 人体运动的摄像 编辑机 模拟投影仪 数字化 计算机 人体运动的摄像 采集卡 显示器 api 像素识别 计算机 第二章 三维解析简介 5 可根据运动学的有关计算公式计算出人体运动的各项运动学参数。 数据采集是通过调用windows操作系统的图像程序读取显示在图像板上各点的像素 坐标，这在各三维解析系统的软件编程时都已经调用了 windowsapi 函数，采集的数据 直接填充在 excel 中（软件编程时也调用了 excel 表格） 。在进行图片解析时，解析操 作人员只需移动鼠标到相应的图像点位置发出指令 （确定） ， 该点坐标值直接写入 excel 文件夹中。 例如，peak 框架，一般有 25 个节点，采集框架节点坐标时应按照一定的顺序点取 框架节点，顺序如图 2-4 所示。 人体关节点点取的原则为：操作人员按照（先上后下、先左后右、先远端后近端） 将移动鼠标分别移动到左上肢、右上肢、左下肢、右下肢、躯干及头顶各环节关节点上， 双击鼠标加以确定。 图图 2 2- -4 4 框架节点点取的示意图框架节点点取的示意图 2.2.3 数据合成的基本理论 人体运动图像三维解析系统在由平面图像的平面坐标向空间坐标转化时运用的是 直接线性变换（dlt）理论。 dlt 基本方程式： 武汉体育学院硕士学位论文 6 1234 91011 5678 91011 * 0 *1 * 0 *1 xyz x xyz xyz y xyz llll lll llll lll 具体的变换过程为：先对摄影框架的节点进行标定，确立每一个节点的三维空间坐 标，再利用两台高速录像机拍摄摄影框架和人体运动技术动作，两台录像机分别定义为 a 机、b 机，这样按照直接线性变换理论（dlt 公式） ，要得到空间任意一点的三维坐标 必须分两步完成： 第一步，利用框架各节点的图像平面坐标数据和标定的三维空间坐标数据带入公式 中，计算出 11 个 l 系数；由于我们拍摄时是利用两台录像机，因此，对于 a 机、b 机的 l 系数都要求出来，解算如下： 对于 a 机：在框架图像中，利用计算机屏幕像素识别得到六个基本点的平面像素坐 标（xai，yai）及标定得到的六个点的三维空间坐标（xi，yi，zi）带入公式，每一个点均 可得到两个方程式，六个点就可以得到十二个方程式，解算 11 个 l 系数就可以得到 11 个 l 系数的解，分别记为 la1、la2、la3、la4、la5、la6、la7、la8、la9、la10、la11 。 对于 b 机：利用 b 机六个点的像素坐标（xbi，ybi）和三维空间坐标（xi，yi，zi） ， 同理可得 b 机的 11 个 l 系数，记为 lb1、lb2、lb3、lb4、lb5、lb6、lb7、lb8、lb9、lb10、lb11 。 第二步，对于人体运动图像任意一点来说，a 机图像该点的像素坐标为（xa ， ，ya ， ） ， b 机图像的像素坐标为（xb ， ，yb ， ）带入 dlt 公式联立得公式： , 1234 91011 , 5678 91011 , 1234 91011 , 5678 91011 * 0 *1 * 0 *1 * 0 *1 * 0 *1 aaaa a aaa aaaa a aaa bbbb b bbb bbbb a bbb xyz xyz xyz xyz xyz xyz xyz xyz llll x lll llll y lll llll x lll llll y lll 其中，公式中 xa ， 、ya ， 、xb ， 、yb ， 、la1、la2、la3、la4、la5、la6、la7、la8、la9、la10、la11、 lb1、lb2、lb3、lb4、lb5、lb6、lb7、lb8、lb9、lb10、lb11均为已知数，唯 x、y、z 为未知数， 这里有四个方程解三个未知数，能够得到方程的解。 第二章 三维解析简介 7 2.2.4 运动学参数计算的基本理论 人体总重心坐标的计算 图像解析求图像人体总重心的三维坐标是建立在人体关节点三维坐标（dlt 方程计 算得到的）的基础上，通过定比分点公式由人体环节关节点的三维坐标和各环节的重心 半径系数求出人体各环节的重心的三维坐标， 再通过合力矩定理由人体环节的重心三维 坐标和环节的相对重量求出人体总重心的三维坐标。下面分三个部分进行说明： （1）各 关节点图像平面坐标的拾取与三维坐标转化； （2）比分点公式在人体环节的重心的三维 坐标计算中的运用； （3）合力矩定理在人体总重心三维坐标计算中的运用。 设环节两个关节点坐标分别为（ j x1， j y1， j z1）和（ j x2， j y2， j z2） ，重心半径系数 为 r，其重心坐标为（ i x ， i y ， i z ）则由比分点公式求得。 比分点公式为： 其中，=（1-r）/r 在求得人体各环节的重心坐标之后，查得到人体各环节相对重量的表并找出各环节 的相对重量值，代入公式： cii xpx cii ypy cii zpz 其中， i p 为人体各环节的相对重量， （ i x ， i y ， i z ）为人体各环节的重心坐标； 通过计算，求出的（ c x ， c y ， c z ）即为人体总重心在运动空间的三维坐标值。 对于动作技术分析一般选用的运动学技术诊断指标为：如图 2-5 所示 图图 2 2- -5 5 动作技术诊断指标动作技术诊断指标 1 21 jj i xx x 1 21 jj i yy y 1 21 jj i zz z 位移类 平 均 速 度 动作技术分析的运动学指标 角度类 时间 运 动 距 离 运 动 轨 迹 位 置 坐 标 专 业 角 线 加 速 度 转 动 速 度 瞬 时 速 度 角 加 速 度 速度 加速度 关 节 角 转 动 角 总 时 间 阶 段 时 间 时 间 比 例 武汉体育学院硕士学位论文 8 2.2.5 数据平滑的基本理论 噪音产生的原因分析 由于人体运动的三维解析是一项实验操作，不可避免地会出现各种误差。严波涛对 影像解析系统误差源进行了概括，主要有： （1）电机转动时振动引入误差； （2）抓片机 构拉力不均匀引入误差； （3）冲洗拷贝胶片时的处理误差； （4）影像解析人员对关节中 心点的判断误差； （5）摄像头光学畸变引入的呈像误差； （6）量化字长引入误差； （7） 电源等其他不稳定因素误差，并提出了误差处理的方法；中国台湾学者李茂园从摄影测 量的内方位元素、外方位元素的角度详尽地分析了三维影像解析系统中 dlt 计算带来的 误差，并提出了平差的具体措施；郑秀瑗等则主要分析了摄影拍摄造成的误差：地面不 平；摄像机架设、摄像机操作的不正确等；还有图像采集丢帧带来的误差等。 2.3 ariel（apas-2000）三维图像解析系统 系统特点： 1、具有 2-d、3-d 运动技术分析软件； 2、具有 amti 三维测力台（a/d 接口、采集卡、放大器）的专用采集与分析软件； 3、具有 8、16、32 导肌电的专用采集与分析软件； 系统功能： 1、可对人体过程的运动学、动力学、肌电技术三大系统同步采集与分析，各系统 又可单独使用。 2、大范围扫描摄像，立体分析； 3、系统流程设计，各功能快切换自如； 4、数据采集与计算精度高、误差小。 系统主要界面如图所示： 第二章 三维解析简介 9 图图 2 2- -6 6 apas system apas system 各功能模块各功能模块 图图 2 2- -7 7 图像编辑图像编辑 图图 2 2- -8 8 关节点的拾取关节点的拾取 武汉体育学院硕士学位论文 10 图图 2 2- -9 9 3d 3d 数据的合成数据的合成 图图 2 2- -1010 数据的平滑数据的平滑 图图 2 2- -1111 计算结果的显示计算结果的显示 第二章 三维解析简介 11 2.4 ariel 三维解析系统的基本结构 美国 ariel 三维解析系统结构复杂、功能强大、性能稳定，下面我们以框图的形式 介绍该系统的几大功能模块（图 2-12 所示） ： 图图 2 2- -1212 美国美国 a arielriel 三维解析系统功能模块三维解析系统功能模块 capdv 图像采集 trimmer 剪辑图像 digitlze 数字化 transform 三维合成 filter 平滑 display数据显示 apasview 结果分析 analog 模拟信号分析 vectors 测力台相量 delta 举重专用模块 kinetics 动力学分析 ariel 三维解析系统 第三章 基于 authorware 多媒体 cal 软件的开发 13 第三章 基于authorware多媒体cai软件的开发 3.1 authorware 简介 authorware是一个优秀的交互式多媒体编程工具。它广泛地应用于多媒体教学和商 业领域，目前大多数多媒体教学光盘都是用authorware开发的。而商业领域的新产品介 绍、模拟产品的实际操作工程、设备演示等，也大多采用authorware来开发，以求取得 良好的企业形象和市场宣传效果。用authorware制作多媒体的思路非常简单，它直接采 用面向对象的流程线设计，通过流程线的箭头指向就能了解程序的具体流向。 authorware能够使不具备高级语言编程经验的用户迅速掌握，并创作出高水平的多媒体 作品，因而成为多媒体创作首选的工具软件之一。用authorware进行多媒体创作，易学 易用，创作出来的作品效果好，而且图、文、声、像俱全，最适合于多媒体创作的初学 者选择使用。authorware主要具有以下特点： 3.1.1 简单的面向对象的流程线设计 用authorware制作多媒体应用程序，只需在窗口式界面中按一定的顺序组合图标， 不需要冗长的程序行，程序的结构紧凑，逻辑性强，便于组织管理。组成authorware多 媒体应用程序的基本单元是图标，图标内容直接面向最终用户。每个图标代表一个基本 演示内容，如文本、动画、图片、声音、视频等。要载入外部图、文、声、像、动画， 只需在相应图标中载入，完成对话框设置即可。 3.1.2 图形化程序结构清晰 应用程序由图形化的流程线和图标组成。构成应用程序时只需将图标用鼠标拖放到 流程线上，在主流程线上还可以进行分支，形成支流线，程序流向均由箭头指明，程序 结构、流向一目了然。 3.1.3 交互能力强 authorware预留有按钮、热区、热键等10种交互作用响应。程序设计只需选定交互 作用方式，完成对话框设置即可。程序运行时，可通过响应对程序的流程进行控制。 武汉体育学院硕士学位论文 14 3.1.4 程序调试和修改直观 程序运行时可逐步跟踪程序运行和程序的流向。程序调试运行中若想修改某个对 象，只需双击该对象，系统立即暂停程序运行，自动打开编辑窗口并给出该对象的设置 和编辑工具，修改完毕后关闭编辑窗口可继续运行。 3.1.5 编译输出应用广泛 调试完毕后，即可将程序打包成exe文件，可脱离authorware在windows98/me和 windows2000、xp等环境中运行。 3.2 多媒体（cai）的制作 多媒体教学软件的开发、制作并不完全等同于一般多媒体计算机应用软件的开发。 多媒体教学软件的研制开发需要在现代教育思想、教育理论、学习理论、教学设计理论 等方面的指导下，做好教学设计、系统结构模型设计、教学策略设计和交互界面设计以 及程序设计等工作。因此，cai 系统的开发是一个庞大的系统工程，不仅需要比较深入 的计算机基础知识，而且需要策划、美工创意的方面的知识结构，更需要专业教师、教 学专家等的参与指导，并在教学活动中反复使用，不断修改，才能使开发的多媒体教学 软件符合教学规律，取得良好的教学效果。cai 课件应用于网络中，可以使得“最好的 教师面向最广大的学生” ，从而实现多媒体 cai 的群体教学模式。目前，发达国家都在 大力开展基于网络的多媒体 cai 的研究与应用，这是多媒体 cai 应用中一个十分明显的 发展趋势，也是当前发展最快的一个趋势。 3.2.1 制作 cai 的基本要求 cai 创作软件的介绍： （1）工作平台： cai的创作是基于windows等操作系统的工作平台之上，由于win98、winme的视频播 放器是在driect8.0以下，无法播放“*.avi”视频文件，因此，对于计算机的操作系统 是win98、winme的用户来说，必须进行以下操作：1、升级图像加速器driect；2、安装 流媒体播放软件等；3、安装解码器。 （2）创作工具软件： 第三章 基于 authorware 多媒体 cal 软件的开发 15 cai 制作涉及到大量的素材要求，每一个素材的制作都是在计算机上利用相关的软 件完成： 开发平台：authorware 文字、图形编辑软件：office、photoshop 视频编辑软件：premiere、会声会影 音频编辑软件：yamaha 动画与特技制作软件：3ds max、flash、maya 3.2.2 cai 框架结构及几项关键技术 3.2.2.1 cai 框架结构 开始、简介封面（前言、策划、脚本设计、制作及版权说明） 、主菜单界面（热区 响应， 单击各热区， 进入各章节， 并有一排纵向排列的各章节的学习内容的按键式菜单， 选择进入某一内容的学习） 、导航菜单、结束（各个页面都可直接回到“退出”即结束 学习，片尾同样采用动画） ，cai 结构框图如图 3-1 所示 图图 3 3- -1 cai1 cai 结构框图结构框图 片头的制作 首先在 3ds max 制作出动画，再在会声会影或 primere 进行编辑，在 authorware 的框架中直接调用编辑好的片头视频片段。 封面的制作 分支菜单 页面 退出 片尾 退出 退出 片头 封面 主菜单 返回 返回 上页 下页 武汉体育学院硕士学位论文 16 封面制作是在 photoshop 中完成的，在 photoshop 中先从外界获取图片素材，并设 置为 1024768，在 authorware 的框架中直接调用。 主菜单的制作 主菜单的背景图是在 photoshop 中完成，主菜单采用导航图标，在交互的每一个分 支中分别利用函数转入某一分支菜单中。 各页面的制作 文字及图表在 word 及 wps 里制作 声音用 windows 操作系统中附件里的录音机或 yamaha 图片主要是利用屏幕抓图 （printscrn） 并在 acdsee32、 画板、 word、 photoshop6 里修饰 动画是利用视频捕捉卡从外接的视频信号中捕捉，并利用会声会影、premiere 进行编辑；或直接用 3ds max、flash、maya 进行设计。 片尾的制作 片尾的动画及编辑与片头基本一致 3.2.2.2 技术的关键 1、优化的程序结构设计； 2、交互技术； 3、模块制作； 4、网上发布； 5、交互学习 6、超级链接网站 7、运用了 authorware 中的函数工具可直接调用计算机中其他可执行程序，并可随 时返回到多媒体演示软件的当前页； 3.2.2.3 模块连接 利用 authorware 连接已经制作好了的各模块。 第三章 基于 authorware 多媒体 cal 软件的开发 17 3.2.2.4 cai 打包与网上发布 为了使完成后的多媒体软件可以脱离源程序， 独立地运行于 windows 操作系统的工 作平台上，还需要进行打包处理，authorware 提供了打包的功能，在“文件”的下拉菜 单中，单击 package，即可完成打包工作，打包后的程序还可以刻入光盘独立运行。 第四章 ariel 系统的多媒体教学软件的开发 19 第四章 ariel系统的多媒体教学软件的开发 4.1 软件的使用说明 4.1.1 光盘自启动 本多媒体演示系统制作完成后，刻录成 cd 数据光盘，并采用光盘自启动，使用者 将光盘放入光驱后，演示系统自动运行安装，或者打开光盘后运行 autorun.exe 手动安 装。 4.1.2 光盘内容 光盘内容主要包括三部分内容：1、三维解析系统的基础知识，包括三维解析实际 运用综述、三维解析系统的发展、三维解析系统的基本理论、几种三维解析系统对比； 2、ariel 三维解析系统的操作，主要是文本配图加以说明；3、三维解析系统的演示， 包括模拟操作、实际操作可同时进行，在模拟操作时每一步都有文字语言提示。 4.1.3 三维解析系统的安装 由于演示系统使用了 vr 技术，实际操作是直接调 apas 程序，因此在运行三维解析 多媒体演示系统时，ariel 三维解析的部分功能模块也会安装到计算机中。 4.2 教学基本内容 4.2.1 三维解析系统的硬件设备与软件设备 三维解析系统主要包括硬件系统和软件系统。硬件系统包括：2 台高拍摄频率的摄 像机 （现在数码摄像机能达到 500 帧/秒以上的拍摄频率， 可用于一切运动项目的拍摄） 、 1 台主频 p41.7g 以上的计算机、1 块高品质的图像采集卡、1 副摄影定标框架；软件系 统一般包括：运动图像采集、图像编辑、数据采集、3d 合成、运动学参数的计算、数据 的平滑、数据的显示、图形的显示、系统拓展功能等。 武汉体育学院硕士学位论文 20 4.2.2 三维解析系统操作的基本要求 一、capdv 图像采集。 1、先采集框架图像，一定要分清楚两个摄像机，千万不能混淆。 2、采集的图像不要太长，只要包括要分析的动作即可。 3、采集到电脑里的图像 apas 系统会自动将一幅拆成两场，即常速每秒 50 幅图像。 二、trimmer 剪辑 1、找同步点很关键，一般是找特征画面。 2、保存剪辑好的文件一定要记住保存在那里了。 3、框架图像只要最清晰的一幅即可。 三、digitlze 数字化 1、首先建立一个*.cf 文件，选择单位，输入框架的点数、坐标（见框架说明书， 一定不能错） ，人体模型（通常使用系统模型） ，被试的身高、体重等资料，选择人体的 点数（根据研究的不同，比如研究局部可以少设几个点） 。 2、以后同一个框架就可以读取数据了，不用每次都输入。 3、打框架点的时候最好把安装框架的立方体放在眼前参考框架点的顺序。万一有 的点有遮挡，宁可忽略，只要有不在同一平面的 6 个点就够用了。 4、一定要熟悉人体解剖结构，而且要以透视的眼光来看待每一幅图像。 5、最好两台摄像机的图像同时来做，万一有遮挡可以互相参考 6、每一幅图像都要先打固定点。该打哪一个点左下角有提示，千万不能搞错。 四、transform 三维合成 1、先同步 2、设定为手动平滑 五、filter 平滑 1、一般使用滤波平滑 2、平滑参数的大小和打点的经验有关系，平滑到既能反映趋势又没有太多的毛刺 即可。 六、display 数据显示 1、linear 线性（x，y，z，3d 方向） ：环节点 raw position 原始坐标、displacemen 位移、velocity 速度、acceleration 加速度 第四章 ariel 系统的多媒体教学软件的开发 21 2、 seg angle 环节角： 两个点确定一个环节， 和 x 轴、 y 轴、 z 轴的夹角 raw position 原始坐标、displacemen 位移、velocity 速度、acceleration 加速度 3、joint angle 关节角：一个关节的三个点，关节的三维夹角 raw position 原始 坐标、displacemen 位移、velocity 速度、acceleration 加速度 4、length 长度：任意两点 seg linear 矢量、任意环节 raw position 原始坐标、 displacemen 位移、velocity 速度、acceleration 加速度 七、apasview 结果图形显示 图像、曲线、棍图 八、kinetics 动力学分析 4.2.3 动作技术三维解析的拍摄 人体运动图像正式拍摄前，须架设摄影标定框架、设置标志点、装配同步灯；架设 摄像机、调节快门、光圈、开启摄像机预热；先拍摄框架，拍完后移走框架，再拍摄人 体运动图像。注意：运动开始时，开启同步灯以便解析时寻找两摄像机的图像同步。其 基本过程为：摄影框架连接与架设摄像机（两台）的架设调节摄像机同步 拍摄摄影框架同步拍摄人体运动技术图像。 一、摄影框架的连接与架设 摄影框架主要是用于标定空间点的三维坐标的，它是二维坐标向三维坐标转化的重 要工具， 三维解析系统所运用的摄影框架绝大多数是呈发射状。 每一根竿件由两段组成， 中间是螺旋连接。摄影框架首先需要按照每根竿件上面的标号装配起来，并与中间大球 相连接。装配完毕后，按照框架放置示意图将框架移动到运动场地。待拍摄后再移走， 卸下装入木箱中。 二、摄像机机位的架设与调节 拍摄前应架设摄像机、固定机身，由于三维影像解析由两台摄像机同步拍摄，两台 摄像机架设的位置布置十分重要。一般来说，两台摄像机的架设有两种架设方式：第一 种，两台架设在人体运动方向的前方两侧，两台摄影机的拍摄主光轴大约呈 6090 度 （如图 4-1 所示） ；第二种，一台架设在运动方向的后方，另一台架设在运动方向的旁 侧垂直运动方向， 两台摄影机的拍摄主光轴呈 90 度 （如图 4-2 所示） 。 第二种架设方法， 解析起来相对比较方便，也可以仅仅进行二维解析，减少解析的工作量。 武汉体育学院硕士学位论文 22 图图 4 4- -1 1 第一种摄像机机位的架设示意图第一种摄像机机位的架设示意图 图图 4 4- -2 2 第二种摄像机机位的架设示意图第二种摄像机机位的架设示意图 摄像机的机身高度一般为 1.20m，两台摄像机到运动区域中心的间距为 15m。 三维影像解析中两台摄影机拍摄的同步识别是一个十分重要的问题，一般处理同步 问题有两种方式，一是将两台摄像机连接到一个同步信号发生器装置上，另一种是外识 别同步装置（例如在运动场中放置一个高强亮度的灯泡以灯亮作为同步标志） 。 摄像实际拍摄频率一般通过内时标计算出来，尽可能使用高拍摄频率的摄像机，暴 光时间一般设置为 1/250s， 拍摄动作为预摆开始到出手的全部过程。 为保持解析的可靠 性，一般进行多人次投掷动作的拍摄，以便于合理地取舍。 4.2.4 基于 ariel 三维解析系统的软件操作 将 ariel 三维解析系统装入计算机后，apas 系统的快捷图标出现在桌面上，点击 apas 系统，显示各系统各功能模块（如图 4-3 所示） ，执行系统各项功能操作。ariel 三维解析系统的软件操作大致分为六个步骤， 以下分别运用图表和文字相结合对每一步 的操作加以说明： 第四章 ariel 系统的多媒体教学软件的开发 23 图图 4 4- -3 apas system3 apas system 各功能模块各功能模块 第一步，capdv 图像采集 图像采集即完成将记录在磁带上的摄影框架与人体运动技术图像采集到计算机中。 采集的图像包括四部分：a、b 机的拍摄的框架图像；a、b 机拍摄的人体运动技术图像。 采集到电脑里的图像 apas 系统会自动将一幅拆成两场。 运动图像的采集需要借助于视频采集卡，视频采集卡安装于主板上，采集时先须用 信号线将摄像机的视频输出连接到采集卡的视频输入插口。 基本步骤：启动 apas 系统双击 capdv 图标打开 capdv 窗体进行摄像 机设置（setup）选择 capture 菜单依次采集左、右动作和左、右框架在 对话窗口中指定路径和文件名每建立一个点击 ok（如图 4-4 所示） 。当然也可以用 其他的软件，例如视频头的启动程序等等。 武汉体育学院硕士学位论文 24 图图 4 4- -4 4 运动图像的采集运动图像的采集 第二步，trimmer 剪辑图像 trimmer 即剪辑 a、b 机的动作图像和 a、b 机的框架图像。对于 a、b 机的框架图像 来说只需各保留一幅清晰图像即可；对于人体动作图像关键在选定同步点，应保证两台 摄像机的图像同名相对，判断的标准是根据同步信号，另外选定需要分析的图像帧数， a、b 机的图像对齐，后面多余的部分剪掉。 基本步骤：关闭 capdv 窗体双击 trimmer 图标选择“文件”的下拉菜单 “openavi”选定*.avi 文件（已采集到计算机中保存的 a、b 机人体动作视频文件、 a、b 机框架视频文件）a、b 机的框架图像各取一张（按工具菜单中的按钮） ， 保存文件找到 a、b 机的动作图像同步点后点击小太阳图标做同步标志将 a、b 机的动作图像同步前后的图像剪掉，保存文件关闭（如图 4-5 所示） 。 第四章 ariel 系统的多媒体教学软件的开发 25 图图 4 4- -5 5 图像的编辑图像的编辑 第三步，digitlze 数字化 digitlze 即采集框架节点坐标与人体关节点坐标。 首先打点输入左、 右框架点坐标， 打框架点的时候最好把安装框架的立方体放在眼前参考框架点的顺序。 基本步骤： 点击 apas 系统双击 digitlze 图标在 “文件” 下来菜单选择 “new project”即新建*.cf 文件输入文件名，选择保存路径保存，立即又出现一个参数 设置的对话窗口（如图 4-6 所示）选择单位、输入框架的点数、三维坐标值、人体 模型（通常使用系统模型） ，被试的身高、体重等资料、选择人体的点数（根据研究的 不同，比如研究局部可以少设几个点）ok自动出现 itdmodels（如图 4-7 所示） 在窗口中选定二台摄像机自动生成*.1t 及*.2t 文件，分别选择 a 机动作图像 文件、b 机动作图像文件，单击“ok” ，则分别出现两个图像框选定*.avi 文件选定 a、b 机人体动作（带 trim）图与 a、b 机框架图（如图 4-8 所示）选择菜单栏 contuol 下拉菜单“digtize”openvideo*.avi 文件对话框点击相应的框架文件 ok，出现 a 机框架图和 a 机人体动作图（如图 4-9 所示）框架图最大化，开始在 框架上打点，第一点点击标志点，从第二点开始点框架上的节点（注意先打固定点最后 打框架上的点要按顺序打，框架共 25 个点不清楚的可以错过）点完若干点后，在 选择 control 下拉菜蛋中 finish，单击，出现（如图 4-10 所示）打点人体动作图 像 22 个关节点分别为 左右足、踝、膝、髋 、左右手、腕、肘、肩、头顶、耳、7 颈椎 胸骨、肚脐、耻骨联合点完一副图片人体所有关节点后，按下翻按钮，出现下 一副图片，