基于動態三維模型的排球運動姿態標準化研究

張東兵

摘要：針對排球運動員普遍存在打球動作姿勢不標準問題，提出基于動態三維模型的排球運動姿態標準化研究。采用Ki-nect技術獲取排球運動三維深度動態圖像數據，將數據轉化為四元數格式，并將數據文件以VBH格式進行儲存，通過OGRE技術將數據塑造成動態三維模型，然后運用歐氏距離對比方法判斷排球運動姿勢是否標準。經過某排球隊對模型應用，證明了動態三維模型能有效促使排球運動姿勢標準化。

關鍵詞：動態三維模型;排球運動姿態;標準化;Kinect技術;OCRE技術

中圖分類號：G852 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）03-0218-03

在排球比賽中，排球運動員姿勢是否標準不光決定著排球運動能力穩定的發揮，同時也決定著排球運動員出現受傷概率。傳統的排球運動姿勢只能依靠教練肉眼觀看對其進行糾正，但是大部分情況下都是一個教練面對一幫排球隊員，使隊員排球運動錯誤姿勢不能得到及時糾正，使大部分排球運動員普遍存在運動姿勢不標準。所以提出將動態三維模型與排球教學相結合，減輕教練教學壓力，同時促進排球運動姿勢標準化。

1 構建排球運動標準化姿勢動態三維模型

1.1 三維動態數據采集

三維動態信號采集是建立排球運動標準化姿勢動態三維模型至關重要的一個環節，三維動態信號采集是否完整以及好壞將直接影響到后面排球三維運動姿勢重建的效果，所以此次利用Kinect中編碼技術（Light Coding）與骨骼追蹤技術，獲取排球運動員人體的深度信息，運用隨機決策算法來標記排球運動員人體的各個部位，最后從標記的人體部位中獲取人體的骨骼信息，從而完成三維動態信號采集任務實現三維動態信號采集任務。

Kinect是一種具有動態捕捉、人體識別、語音識別、動作識別等多種功能的主機外設，通過紅外深度攝像頭獲取圖像數據，經傳感器對數據信息進行處理然后傳送給芯片系統，形成深度數據圖像[1]。Kinect在對采集到的數據進行識別時，骨骼追蹤會顯示出可推斷、未追蹤到、以追蹤到三種狀態，其中顯示未追蹤的數據為完全不可用數據，其與兩種狀態的三維動態數據對建立模型是有價值數據[2]。

由于此模型是用于排球運動姿勢標準化規劃，要適用于不用身高、體型的運動員，所以采用渲染管線方法來進行排球運動人體骨骼追蹤，將Kinect紅外攝像頭采集的人體骨骼原始數據與訓練樣本數據進行對比，實現排球運動姿勢標準化。

渲染管線方法：（l）Kinect技術對三維動態信號采集初始階段，通過識別人體的原始深度數據流，在沒有任何其他編碼的條件下，系統芯片獲取到的只是深度數據表征的二維人體表征[3]。（2）為了獲取排球運動員更深入的姿勢數據，Kinect系統芯片要將每一個二維人體表征動態圖像與標準的排球運動數據進行匹配，將二者符合的數據標記在二位人體表征上。（3）通過不斷的數據匹配累積直到人體所有骨骼和關節都得到相應的標記，形成三維動態圖像。下圖為Kinect技術三維動態信號采集流程。

為了獲取到精準且有價值的三維動態數據，需要對Kinect參數進行合理設置，其中包括姿勢修正值、動作抖動半徑、抖動范圍、預測幀、骨骼平滑值等。

1.2 骨骼表征動作數據儲存

通過Kinect技術獲取到排球運動員的三維動作姿態數據后，就可以將這些數據有效的儲存起來，用來驅動動態三維模型運動。首先動作數據的儲存格式非常重要，常用的動態三維模型數據儲存格式有旋轉矩陣、歐拉角和四元數，三種數據格式比較如表1所示。

根據表1三種數據儲存格式應用比較，四元數相對其他兩種儲存格式優勢更大一些，所以對Kinect采集到的三維動態數據采用四元數格式進行轉換。將數據轉換完后選用BVH格式對文件進行儲存。BVH是一種常用的動作數據文件格式，它具有導入導出功能，并且編輯和更改較為簡單方便，便于后續模型開發。以BVH格式保存動態三維數據的文件共由18個人體關節點組成，并且分成描述骨骼層次和初始姿勢兩部分，下圖展示了BVH格式文件關節點的分布及名稱。

1.3 動態三維模型驅動設計

對于用于排球運動標準化姿勢的動態三維模型的場景設計采用OGRE技術，它是一個面向3D場景設計的基于C語言開發的軟件，具有三維動態影像渲染功能，并且該軟件提供了一個世界對象的動態接口，可以隱藏模型數據庫。通過OGRE開發的模型啟動應用、場景設計，并用Kinect采集到的三維人體運動姿勢數據驅動人物模型。在模型場景設計方面OGRE具有以下特點：（1）接口：該軟件采用的是面向對象的接口設計形式，能夠簡單快捷的實現三維場景畫面渲染，并且具有獨立的API接口設計，能夠提供充足的開發資料。（2）數據處理：該軟件能夠對多種不同格式的影響加載紋理，并且具有較高的三維畫面質量。（3）組織方法：OGRE支持多種三維場景設計方法，比如開發人員自己通過插件方式開發場景，還可以使用軟件自帶的三維場景組織方法。除此之外，該技術能夠對每個模型節點下安插一個控制，通過節點的運動帶動整個模型的運動，使動態三維模型更加逼真和靈活。（4）場景特效：該軟件支持多種場景特效，比如天空盒、天空面等。下圖為OGRE三維模型場景設計流程。

當三維模型場景設計完成后，通過安裝Kinect相關驅動，將OGRE三維模型場景與三維動態數據融合在一起，形成一個動態三維模型。

1.4 三維人體動作對比

由于建立的是用于規范排球運動姿勢標準的動態三維模型，所以需要在模型中設計一個排球運動姿勢對比方法用于比較排球運動姿勢是否標準。此次采用歐式距離對比方法，該方法是通過排球運動姿勢與模型中標準運動姿勢中各個關節距離對比，形成一個閾值，閾值越小代表排球運動姿勢越區域標準。其計算公式如下所示：

閾值T是兩個排球運動姿勢所有的各個關節的絕對距離，當得到的T值越大，說明排球運動姿勢越不標準，以此來規范排球運動姿勢標準化。

2 案例分析

為了驗證此次設計的動態三維模型對排球運動姿勢標準化規范效果，在安徽省某排球對應用該模型對球員進行案例分析，為了保證此次案例分析結果的有效性，對排球隊員和動態三維模型使用提出了如下要求：（1）在訓練過程中，讓5名隊員做排球動作，動作姿勢包括伸展、彎曲等，由教練和動態三維模型同時對隊員排球動作姿勢進行評判。（2）模型在動態數據捕捉過程中光線和場景背景恒定f3）模型幀速率設置為150幀/s。f4）模型開發環境選Win5x12+VS2012。運動三維模型具體實現步驟如下：第一步，通過Kinect收集隊員運動數據，篩選有用的原始深度數據;步驟二，將獲取的數據轉化為四元數數據格式，并已BVH文件格式對動態數據進行儲存;第三步，應用OGRE驅動運動三維模型，并塑造三維環境;步驟四，運用歐式距離對比方法評判隊員運動姿勢。下表為教練和模型五個排球隊員運動姿勢評判情況。

從上表可以看出，動態三維模型與排球教練評判結果一致，能準確地判斷出排球隊員運動姿勢是否標準，并且無論是伸展動作還是彎曲動作，動態三維模型都能做出準確判斷，證明了動態三維模型對規范排球運動姿勢標準具有較高的可靠性。

3 結束語

運動三維模型融合了Kinect、四元數、BVH、OGRE和歐式距離對比方法等多個技術，將其應用到排球運動訓練中能準確地捕捉到排球學員的動態姿勢，并且通過與標準的排球動作對比糾正學員打球動作，促使排球運動姿勢標準化，對排球教學就有良好的應用價值。

參考文獻：

[1]徐靜，董雁.基于區域分割的零件三維模型檢索方法[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2017，29（5）：929-938.

[2]周明明，趙果慶，羅亞蘭，中國存在赤字率與M2/GDP的雙重風險嗎——基于三維非線性動態系統（D3NLDS）模型的研究[J]金融經濟學研究，2017（1）：14-25.

[3]朱子君，張玉龍，崔玲玲，等.基于BIM技術的大型建筑景觀三維仿真系統設計與實現[J].現代電子技術，2017，40（4）：111-114.