Vicon三维运动捕捉系统在人体运动分析中的应用.doc

2012-07-19#2012-07-19#2#012-07-19#Vicon 三维运动捕捉系统在人体运动分析中的应用罗逸苇（浙江工贸职业技术学院，浙江温州325003）摘要：应用 Vicon 系统的高速高精度运动捕捉功能对贴在人体上的反光球进行运动捕捉，利用牛顿运动定律对捕捉到的这些反光球的三维坐标进行分析，并利用生物力学分析软件 Bodybuilder 建立人体动作分析的一 般模型，输出人体各部位运动动作分析结果。不同项目的运动员根据自己的分析结果在教练员指导下提出科学 的动作改进方案，以达到避免运动损伤提高运动成绩的目的。这种动作分析的方法不但可以广泛应用于体育活 动中的人体动作分析，同样也适用于动物或机器的动作分析。关键词：Vicon； 运动捕捉； 动作分析中图分类号：TP391文献标识码：B文章编号：1672-0105（2001）004004Application of Vicon Sports-captured System in Body SportsLuo Yiwei（Zhejiang Industry & Trade PolytechnicWenzhouZhejiang325003）Abstract: The analyzing results of body sports are outputted by Bodybuilder model through the way of sportscapture under the Vicon system and Niu Duns Sports Law. Under the instruction of coaches, different athletes could propose different plans for their training by his analyzing result so as to avoid injury. This kind of analyzing method could be applied into not only physical activities but also the sports of animals or machines.Key words: Vicon; Sports-captured; Sports-analyzing1 研究目的几乎所有的体育运动都由身体动作组成。奥运会中的许多项目成绩的好坏也受肢体动作质量的影响。以跑步为例，符合运动员自身身体特点以及运动要求的肢体动作（摆臂、步频、步幅等），不仅能提高短 跑运动员的运动成绩，也能使参加中长距离运动的运动员降低运动过程中的能量消耗，从而有更多的能量用于最后的冲刺。虽然足球和篮球等运动项目对跑步动作的规范没有严格要求，但同样需要降低跑步过程中由于不协调不合理动作带来的能量消耗，避免运动损伤，从而保证其它技术动作的正确使用，发 挥出运动员应有的运动水平。由于相关设备技术水平的限制，传统描述跑步运动特征最常用的两个参量是步频和步长，对于运动过程中每个步态周期中的抬腿高度、腿的摆动特点以及脚部运动特点（内翻或外翻幅度、蹬地和触地特 点等）则缺乏系统科学的研究1，2。虽然文献3对短跑技术分析包括了关节运动角度范围等参数，但并没收稿日期：20070302作者简介：罗逸苇（1977 ），男，硕士，讲师。研究方向：运动生物力学。2012-07-4019#2012-07-19#2#012-07-19#罗逸苇：Vicon 三维运动捕捉系统在人体运动分析中的应用有指出实际测量方法和怎样根据运动员特点来确定具体参数。其它的一些文献46对跑步动作进行了分析，但与国外步态研究79 的方法相比较还存在一定的差距。 古人云：牵一发而动全身。人体是一个有机的智能整体，从大脑发出的动作指令，都需要神经、肌肉和骨骼的相互配合协调来完成。为了提高运动训练的质量，达到提高运动成绩和减少潜在的运动创伤 的目的，有必要从系统的角度对人体动作的协调性进行研究。本文采用 Vicon 系统对人体全身动作分析的一般方法进行了研究。2 研究方法2.1 试验设备及分析软件简介Vicon MX13 运动捕捉红外线影像记录器是 OMG（Oxford Metrics Group）股份有限公司用于运动捕捉 的专业产品。该系统根据同一采样时刻不同摄像机对在扫描空间内运动的反光球的像进行运算，得出反光球该时刻在空间的三维坐标，根据这些坐标进行运动学和动力学分析，可以得到研究对象的位移、速度、加速度以及动量和动能等物理量的变化规律。在最高分辨率 12801024（130 万像素）时的采样频 率可达 482fps（帧/秒），最高采样频率可达 10000fps。用与 Vicon 相配套的运动运动捕捉软件 Workstation 完成反光球的运动捕捉后，利用生物力学建模软件 BodyBuilder 根据研究目的进行建模分析，最后在多媒体整合软件 Polygon 中输出包括图表、三维图像、 视频等信息的多媒体报告。2.2 研究方法根据人体的生理特点，并按照研究目的的不同，将人体分为不同的研究对象，将这些对象看作刚体 来进行运动分析，这些刚体通过踝关节、膝关节等关节联系起来。运用 Vicon MX13 运动捕捉红外线影像记录器，对贴于运动员肢体上的反光球运动轨迹进行捕捉。利用 BodyBuilder 建立运动分析模型，得出每一个反光球的运动学参数。Vicon公司的生物力学分析软 件图 1 人体全身动作分析的一种反光球贴法41浙江工贸职业技术学院学报人体全身动作分析反光球的贴法可以采用图 1 所示的方法。但反光球的贴法应根据研究目的的不同而不同，只贴在要研究的部位。3 结果与分析讨论3.1 单个反光球运动学方程的建立由于人体运动的速度和加速度有限，在运动捕捉系统采样频率 f 较高时，反光球在任意两帧之间的222运动轨迹可以看成是直线，其距离 st 可以用任意两点之间的直线距离公式 s =x + y + z 求得，即，222st =( xt +1 xt ) + ( yt +1 yt ) + ( zt +1 zt )(t 0)在前述相同条件下，相邻两帧之间反光球的平均速度vt 的大小就可以用两帧之间的直线距离 st 除以这相邻两帧之间的时间得到，并将这相邻两帧之间的速度变化看成是匀变速的。这样任意相邻的两帧之间的运动速度 vt 和加速度 t 就可以得到。这里进行了两个简化，即反光球在相邻两帧之间的运动是直线 运动和匀变速运动，这样可以得到该时刻该点的运动速度和加速度：stvt = t(t = 1 f ) = vt +1 vttt3.2刚体运动分析在运动学中，描述刚体平动至少要知道刚体上在刚体运动平面上投影不重合的任意两点的运动状态， 而作空间运动的刚体则要知道三个点的运动状态。由于运动捕捉过程中各种原因（主要是遮挡）可能存 在某个反光球的运动轨迹不连续，为了减少这种不连续造成的误差或使捕捉数据报废，在 Vicon 的生物力学分析软件 Bodybuilder 中，对于在运动中包含易被遮挡的反光球的刚体一般用 4 个反光球来定义。图2 是贴于人体上的反光球按照 Bodybuilder 软件中的人体动作分析模型规定连线后从前后左右不同方向观 察的结果。在应用该软件进行人体动作分析时，这些连线长度在运动过程中都是相对不变的，但通过某些部位点的连线可以绕该点转动。右侧观前面观左侧观后面观图 2 一种人体动作分析模型42罗逸苇：Vicon 三维运动捕捉系统在人体运动分析中的应用组成肢体的各刚体运动包括平动和绕关节的转动，由于前面已经求出了组成刚体的各点的瞬时运动学参数，将它们按照研究目的不同求出刚体平动的速度 vt 和加速度t 或（和）转动的角速度 和角加速 度 。根据运动学的相关知识可以求得，这里不再列出。3.3 肢体运动动作分析的主要参数 由于不同的运动有不同的技术要求，肢体运动动作分析的主要参数应根据具体研究的运动项目确定。例如，跑步过程中抬腿高度和脚离地面的最大高度会影响运动员的体力消耗，过高会使运动员提前产生 疲劳，不利于高质量地完成全程或全场比赛；脚的内翻或外翻角度过大，会增加踝关节的受伤概率，膝 关节和髋关节的摆动角度或者角加速度不合理，不仅会影响运动成绩，还可能造成相应部位的运动创伤。总之，肢体运动动作分析参数的确定需要根据具体运动项目、运动员特点以及教练的经验确定，但 应用 Vicon 系统进行分析时，只要相应反光球的数量相等、反光球粘贴方法（相等位置）相同就可以运 用相同的分析模型在 Bodybuilder 软件中进行分析，得出描述肢体运动动作的各运动参数。3.4 在 Polygon 中输出的多媒体报告 虽然文字和图表能够表达很多的含义，但却无法精确地描述动作的过程。Vicon 公司的 Polygon 软件不仅能编辑文字和图表，还能报告中变速（加快或减慢放映速度）输出三维和视频资料，这为教练员进 行标准动作的演示和运动员改正不规范动作提供了便利。4 研究结论通过对人体运动动作的分析，可以清楚运动员肢体运动动作特点，以及在相关运动过程中的动作变化趋势。用 Vicon 系统得到的运动参数对于改进运动员动作、节省体力、降低运动损伤、提高运动成绩 等都具有重要的参考作用。本文的动作分析方法不仅适用于人体运动分析，同样也适用于动物和机器的 动作分析检验。参考文献：1 张保罗体育运动入门丛书田径M北京：人民体育出版社，1998.12602 张英波现代田径运动训练方法M北京：北京体育大学出版社，2006 3 王保成，袁承平短跑M北京：人民体育出版社，1996.12604 骆建短跑途中跑着地缓冲技术的生物学特点及作用J成都体育学院学报, 2000，（2）：5962 .5 张庆文，王保成，曹之刚优秀男子百米运动员途中跑支撑腿缓冲动作分析J上海体育学院学报，2000，（2）：4952.6 刘平我国优秀女子标枪运动员最后用力重心及下肢动作分析J沈阳体育学院学报，2003，（1）： 72747 White SC, Yack HJ, Tucker CA, etc. Comparison of vertical ground reaction forces during. overground and treadmill walking. MedSci Sports. Exerc 1998;30(10): 1537-15428 Martin PE, Marsh AP. Step length and frequency effects on. ground reaction forces during walking. J Biomech 1992,25:1237-12399 Lelas JL, Merriman GJ, Riley PO, Kerrigan DC. Predicting peak kinematic and kinetic parameters for gait speed. Gait Posture.April 2003,17(2):106-12（责任编辑：王积建）43Your request could not be processed because of a configur