三維人體運動的計算機輔助分析在體育中的應用

（咸陽師范學院體育系，陜西咸陽，712000）

三維人體運動的計算機輔助分析在體育中的應用

段師博

（咸陽師范學院體育系，陜西咸陽，712000）

近年來，計算機技術在競技體育中應用的范圍越來越廣。運動員在訓練中采用先進的科學技術可以提高其訓練的效果。本文闡述了三維人體運動的計算機輔助分析在體育中的應用，包括三維人體運動的定義，分析了基于骨骼蒙皮法構建運動員模型，最后闡述了運動數據的預處理、提取和分析。

三維建模；運動捕捉；數據分析

0 前言

為了更高、更強、更快的競技體育目標，運動員要不斷挑戰和提高自己以提升速度和力量，必須要有刻苦的訓練和科學的訓練方法手段。現在，競技運動員成績提高的方法越來越依賴科學技術，尤其是運動捕捉技術和體育系統仿真。經過大量研究表明，運動員在訓練中使用先進的科學技術，可以盡快掌握技術要領，提高訓練效率，減少他們受傷的可能，促進我國競技體育事業的健康發展。本文闡述了三維人體建模及數據分析在體育中的應用，為其在體育運動中的應用奠定理論基礎，提高運動員的競技水平。

1 三維人體運動

三維人體運動應用計算機的仿真技術構建三維人體模型，通過運動捕捉技術等先進的技術獲得人體運動的數據，將這些數據應用在人體模型上，對運動員的動作進行分析，對比以及模擬，從而提高他們的動作水平，這對提高運動員的訓練效果意義重大。

2 三維人體運動分析

2.1基于運動捕捉數據采集

運動捕捉技術獲取梯人體運動信息的方式是在人體的關鍵部位安裝傳感器。通常情況下，三維運動捕捉以運動員的特定動作為對象，在運動員的關節貼上具有傳感功能的標記點，通過分析軟件，把標記點的位置和方向轉化成一組運動數據。運動捕捉系統的結構圖如下圖1所示。

圖1 運動捕捉系統結構圖

2.2三維人體運動員建模

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、標題欄、命令面板、繪圖區域、菜單欄、動畫控制區、視圖控制區特。這個軟件的主要特點是：基于PC系統的低配置要求、安裝插件可擴展3D Studio Max軟件的功能以及增強原本的功能 、強大的角色動畫制作能力、可堆疊的建模步驟，使制作模型有非常大的彈性。

人體建模技術構建特定姿態的人體模型，皮膚變形技術所解決的問題就是運動中的皮膚變形，二者相互聯系、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。體數據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構。考慮肌肉層、骨骼層、脂肪層和皮膚層四層結構，是層次式模型的建模方法，分別對它們進行建模，從而實現皮膚的變形過程。在這三種人體建模的方法中，最廣泛的應用方法為基于面模型的骨骼蒙皮法。

本文應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，它的本質是一種插值算法，

在公式（1）中，Vd代表皮膚變形前的頂點目標，Di代表第i段骨骼在坐標中的矩陣轉換，Di-1Vd代表第i段骨骼皮膚頂點的局部坐標值，Mi代表在當前幀中第i段骨骼局部到全局的坐標矩陣轉換，Wi代表第i段骨骼的當前權值點，V代表皮膚變形后的頂點坐標。骨骼蒙皮法的基本指導思想是關節附近的多段骨骼影響其關節附近的皮膚定點，Wi決定其影響權值的大小。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建，以及皮膚層和骨骼層的綁定。

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

（2）骨骼層的構建。骨骼層的構建主要依據兩個重要的人體骨骼結構的國際標準VRML以及MPEG-4，這兩個國際標準都支持虛擬人的表示。虛擬人表示以人體的重心、關節、骨骼分別為根節點、子節點和連線的樹形，并將每個肢體的幾何模型與相應的骨骼依附，從而組成一個完整的模型。虛擬運動員的骨骼用簡單的三維剛體表示，用關節把這些骨骼連接起來，父節點和子節點不會發生相對移動，只發生旋轉，這樣骨骼層就構建好了。

（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，即皮膚層上的點受哪幾段骨骼的影響，并且每段骨骼對這個點都會有一個影響因子，這個點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，運動員模型就構建好了，如圖2所示。

圖2 構建的運動員模型

2.3三維人體運動數據計算

2.3.1 運動數據預處理

運動捕捉系統按照一定的頻率收集和計算運動員的信息，并將這些信息按照特定的格式存儲成數據文件，但是數據文件的格式由于捕獲設備的不同難以統一標準。在一般情況下，采集的運動信息會有很多噪音，不利于數據的分析處理。數據的預處理主要包括野點的剔除和平滑去燥，野點的剔除就是將一些嚴重偏離趨勢的數據去掉。平滑去噪主要是采用適當的濾波器將噪聲去除。

2.3.2 運動數據特征提取

數據進行完預處理后，可進行數據的特征提取和識別。運動數據的特征提取包括加窗處理、時域特征提取、頻域特征提取、主成分分析四個步驟。加窗處理就是指把采集到的整段數據分成不同的敞口，窗口之間必須要有一定程度的疊加，單位提取特征以單個窗口為準。時域特征主要包括標準差、方差、均值、相關系數、斜率、均方根、時域積分、平均絕對偏差等8種，均采用概率統計的方法，相對簡單。原始信號經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的頻率特性。常見的頻域特征有：系數、FFT、頻域熵、能量、能譜密度等。主成分分析就是對數據進行降維處理，提高識別的效率。

2.3.3 運動數據分析

在三維運動空間中，獲得的運動數據具有旋轉角。數據常用的表示旋轉的方法有四元數、歐拉角和旋轉矩陣。四元數的旋轉采用的四個參數表示，是一種應用最廣泛的旋轉數據分析方式，不能直接使用歐式空間的向量插值方法。歐拉角就是將旋轉相對于主軸的三個順序旋轉分量表示，可以形成三個自由度，任意的旋轉轉動用相對于坐標軸的角度描述。歐拉角方法具有無法插值和奇異性問題等嚴重缺點，因此在應用中通常將歐拉角轉換為四元數表示旋轉。旋轉矩陣的表述需要較多的變量和約束，會占用較大內存，不容易計算，并且旋轉矩陣不能直接用于插值。

3 結束語

本文對三維人體運動的計算機輔助分析在體育中的應用進行了分析，主要包括運動員的模型構建和運動數據的采集和處理方面。通過先進的科學技術手段，可以為運動員的日常訓練提供科學指導，快速提高其競技水平。但是如何將先進的科學技術更好的應用于體育訓練中，這是一個值得研究的課題，我們將繼續研究，爭取在關鍵技術的研究上取得更大的進步，更好地為體育事業服務。

[1] 黃新.個性化人體模型與肢體協同運動研究[D].東華大學,2012.

[2] 侯鵬高.數字人體建模進展[J].齊齊哈爾醫學院學報,2013,21:3221-3223.

[3] 胡文淵.三維人體運動分類識別技術研究[D].浙江大學,2012.

段師博，1981年生，男，陜西臨潼人，咸陽師范學院體育系講師，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