侯亞麗，王向東

(1.上海體育學(xué)院　運動科學(xué)學(xué)院，上海　200000；2國家體育總局體育科學(xué)研究所，北京　100061)

三維運動解析系統(tǒng)在生物力學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

侯亞麗1*，王向東2

(1.上海體育學(xué)院運動科學(xué)學(xué)院，上海200000；2國家體育總局體育科學(xué)研究所，北京100061)

摘要：研究方法和研究設(shè)備一直以來都是制約生物力學(xué)研究發(fā)展的重要因素。為了了解三維解析系統(tǒng)在生物力學(xué)中的應(yīng)用及發(fā)展，通過查閱文獻資料等方法，探討目前國內(nèi)外生物力學(xué)研究中常用的幾種三維運動解析系統(tǒng)的性能與優(yōu)點，以及三維解析系統(tǒng)在生物力學(xué)研究中的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：運動解析系統(tǒng)；生物力學(xué)；發(fā)展趨勢

近年來，三維運動解析系統(tǒng)在生物力學(xué)中的應(yīng)用越來越廣，人體的三維數(shù)據(jù)呈現(xiàn)及處理手段也越來越高端，已成為生物力學(xué)研究中的重要部分。本文通過探討國內(nèi)外運動解析系統(tǒng)在生物力學(xué)中的出現(xiàn)、應(yīng)用與發(fā)展，比較目前國內(nèi)常用的3種運動解析系統(tǒng)的功能，對比了國內(nèi)外各運動解析系統(tǒng)的性能，為未來的改進提供參考。

1三維運動解析系統(tǒng)在生物力學(xué)中的研究現(xiàn)狀

1967年，生物力學(xué)才從生物學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科中獨立出來。隨著生物力學(xué)對人體運動研究的不斷深入，對研究方法和設(shè)備的要求越來越高，直接測量運動的需求也越來越大。由于體育活動中人體運動大多是三維運動，所以為了深入揭示人體運動規(guī)律，從20世紀(jì)60年代后期起，多維分析法被引進運動生物力學(xué)的研究中。伴隨著電子計算機的興起和光電技術(shù)在運動檢測分析中的應(yīng)用，三維攝影測量被用于人體形態(tài)和運動技術(shù)研究[1]。20世紀(jì)70年代就有國家開始了對運動生物力學(xué)解析軟件的研究。在七八十年代出現(xiàn)了瑞典的SELSPOT系統(tǒng)、美國力學(xué)高技術(shù)的COD系統(tǒng)、英國VI-CON，并不斷完善。由于這些設(shè)備比較昂貴，所以國內(nèi)學(xué)者在80年代使用全息攝影方法來分析動作的運動學(xué)及動力學(xué)數(shù)據(jù)[2]。

國內(nèi)在20世紀(jì)80年代中后期才開始引進一些國外的設(shè)備和軟件，并開發(fā)研制相應(yīng)的軟件。90年代出現(xiàn)了利用運動錄像解析的三維運動解析系統(tǒng)，到90年代后期就普遍采用錄像解析的方法進行運動分析[3]，并可以使用計算機對圖像直接進行定量和定性分析，具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)越性。21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紅外光學(xué)捕捉系統(tǒng)和高速高清攝像機不斷發(fā)展和應(yīng)用。在2008年舉辦奧運會時，我國就引進和研制了一些設(shè)備，如高速同步攝像系統(tǒng)(KODAK、JVC)、錄像影片解析系統(tǒng)(Ensine、Peak)和一次測量元件應(yīng)變片、加速度傳感器和角度傳感器等，同時運動技術(shù)實現(xiàn)了可視化，大屏幕上可以在很短時間里顯示出具有結(jié)果意義的圖像幀等等。這些科技產(chǎn)品大大提高了比賽結(jié)果的公正性，也促進了生物力學(xué)研究的發(fā)展。

2常用的三維解析系統(tǒng)

在生物力學(xué)中，對人體和物體運動的完整分析主要包括:運動學(xué)分析、動力學(xué)分析、人體肌電分析等方面。因此某些系統(tǒng)就集合了這三大系統(tǒng)，應(yīng)用越來越先進的可同步的高速高清攝像機，使運動影像解析系統(tǒng)的功能、質(zhì)量、測試速度和測試精度等都有了很大程度的提高,越來越完善地服務(wù)于生物力學(xué)的研究。目前國內(nèi)外出現(xiàn)的運動解析系統(tǒng)有：德國的SIMI-motion系統(tǒng)，美國的PEAK系統(tǒng)、ARIEL運動圖像分析系統(tǒng)、Noraxon生物力學(xué)綜合采集分析系統(tǒng)，英國的Vicon采集和分析系統(tǒng)，瑞典的Qualisys三維運動采集與分析系統(tǒng)，日本的NAC系統(tǒng)，韓國的Kwon3D XP三維運動分析系統(tǒng)、意大利的ELITE系統(tǒng)和我國的愛捷解析系統(tǒng)、MAX3D三維錄像解析系統(tǒng)等[4]。這些系統(tǒng)通過不斷完善，基本能滿足簡單的運動學(xué)動力學(xué)分析，但是一些復(fù)雜的研究分析還是必須借助更高端的設(shè)備。

2.1國內(nèi)常用的三維運動解析系統(tǒng)的對比

目前國內(nèi)常用的有德國的SIMI-motion系統(tǒng)、美國的PEAK Motus系統(tǒng)和ARIEL運動圖像分析系統(tǒng)。這三大系統(tǒng)主要都是由3個大模塊組成：圖像采集部分、數(shù)據(jù)處理部分和外接設(shè)備同步顯示部分，性能和特點大致相同，但是各有優(yōu)勢，如表1所示。

表1　常用的三維解析系統(tǒng)的性能對比

三維解析系統(tǒng)廣泛用于比賽或其他環(huán)境的錄像視頻分析，對生物力學(xué)中人體運動技能的研究分析有很大的意義。這些系統(tǒng)分析比賽錄像或高水平運動員的動作，常常是利用攝像機采集的錄像和標(biāo)定框架在二維圖像中做三維重構(gòu)，然后根據(jù)空間比例的標(biāo)定重構(gòu)數(shù)據(jù)進行運動學(xué)及動力學(xué)方面的分析[5]。在環(huán)境條件允許的情況下，也可以實現(xiàn)一機操作，多設(shè)備運行同步采集數(shù)據(jù)?？梢詫⒁粋€運動動作的運動學(xué)、動力學(xué)數(shù)據(jù)以及肌電信號完全同步采集分析。解析系統(tǒng)的計算功能非常強大，如SIMI-motion系統(tǒng)有50多種數(shù)據(jù)的處理方法，可以計算微分積分、頻譜分析、傅立葉處理和樣條函數(shù)以及自動或交互式確定偏移等[6]；Ariel系統(tǒng)使用逆動力學(xué)解決人體下肢的三維運動學(xué)和動力學(xué)計算[7]；Peak系統(tǒng)有布特沃斯數(shù)字濾波器，F(xiàn)FT和5次樣條，中央差速算法，數(shù)據(jù)平均等[8]。

設(shè)備的直接測量給生物力學(xué)帶來了很大的方便，但是由于測量技術(shù)或選用的設(shè)施不夠精準(zhǔn)，會導(dǎo)致出現(xiàn)誤差，最后的分析也會變得不可靠[9]。因此，這些三維運動解析系統(tǒng)的應(yīng)用，在一定程度上也促進了生物力學(xué)研究方法中設(shè)備應(yīng)用技術(shù)的提高。如選用控制點較多或控制點少但分布均勻的標(biāo)定框架，拍攝時2臺攝像機主光軸的夾角在80°～100°范圍內(nèi)，對DLT 法影像解析結(jié)果的誤差將會減少[10]。可見，多臺攝像機采集錄像時，位置和標(biāo)定框架的選用很重要。外部接連設(shè)備在選用時要考慮軟件和硬件的配置與要求,軟件與硬件的兼容性等因素。SIMI-motion系統(tǒng)的兼容性較強，是目前世界上唯一能夠同時兼容足底壓力分布數(shù)據(jù)、測力平臺數(shù)據(jù)、肌電數(shù)據(jù)、模擬和數(shù)字錄像的系統(tǒng)，并且支持多種型號的攝像機、DV，自動校正光學(xué)變形(尤其是廣角攝像頭)捕獲高質(zhì)量的高幀速率、高分辨率的錄像以及標(biāo)準(zhǔn)錄像。并且現(xiàn)在SIMI-motion嘗試采用來自Aktisys的方法——彩色LED標(biāo)記法，將可能會帶來新的marker追蹤方法。進一步改善marker任務(wù)的研究也在進行,包括通過更好的自動模型處理可大幅減少工作量。這些人性化的設(shè)計將大大提高實用性和輸出性[6]。但是，和其他兩大系統(tǒng)一樣，操作界面都為純英文式,無中文菜單,導(dǎo)致我國研究者使用不便。因此，國外一些研發(fā)者也編定了中文版式分析軟件，如MAX3D三維錄像解析系統(tǒng)。我國也有自己研發(fā)和廣泛使用的解析系統(tǒng)，如北京的愛捷運動圖像圖形測量分析儀等。國內(nèi)一些高校、體育科研所的學(xué)者也編寫了一些程序，使數(shù)據(jù)分析更加方便、簡潔、快速。如蔡云飛[11]編寫的人體運動三維仿真與分析系統(tǒng)也是第一次采用中國人的模型來計算參數(shù)。但這些軟件的性能和實用性還有待改進，與常用的國外軟件還有較大的差距。

2.2國外常用解析系統(tǒng)的優(yōu)點

目前國外較新的運動解析系統(tǒng)有瑞典的Qualisys三維運動采集與分析系統(tǒng)、美國Noraxon生物力學(xué)綜合采集分析系統(tǒng)[12]和韓國的Kwon3D XP系統(tǒng)。這3個系統(tǒng)都支持從單一設(shè)備到復(fù)雜的多設(shè)備，可進行多種方案的靈活配置，是可以同步采集三維運動、二維視頻、壓力分布和表面肌電等傳感器的數(shù)據(jù)并進行分析的綜合運動三維分析系統(tǒng)。其中，Qualisys三維運動采集與分析系統(tǒng)可選擇拍攝速度達10 kHz的超高速紅外攝像機，具有紅外采集和高速視頻采集雙重功能，可根據(jù)實際情況設(shè)定鏡頭功能，可以調(diào)整鏡頭光圈和焦距，且鏡頭采用無風(fēng)扇靜音設(shè)計，能精確捕捉高速運動物體的軌跡，并進行相關(guān)技術(shù)參數(shù)分析等。軟件包含QTM數(shù)據(jù)管理軟件，支持Visual 3D軟件分析功能。該系統(tǒng)將紅外捕捉系統(tǒng)和錄像解析系統(tǒng)結(jié)合在一起，并可以輸出各種形式的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了有真實的人體模型或個性化設(shè)置模型，直觀顯示動作的數(shù)據(jù)和運動過程[13]。

3三維解析系統(tǒng)在生物力學(xué)研究中的發(fā)展趨勢

目前，在生物力學(xué)研究中，三維解析系統(tǒng)在國際上已廣泛應(yīng)用，且已實現(xiàn)了與外接設(shè)備的同步數(shù)據(jù)采集和分析。我國目前仍以引進國外先進的三維解析系統(tǒng)和設(shè)備來應(yīng)用于生物力學(xué)研究為主，但由于全套設(shè)備系統(tǒng)相對較昂貴，因此只有部分體育院校和體科所有較好的配置。我國自主創(chuàng)新和研發(fā)的產(chǎn)品也有很多，但是沒有推廣到市場，形成自主化產(chǎn)品。因此，國內(nèi)今后還要加大自主創(chuàng)新，產(chǎn)品與市場接軌，促進其推廣使用[14]。

隨著科學(xué)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機的硬軟件、高分辨率的攝像機、測力臺、足底壓力感受器、肌電等外加設(shè)備的不斷開發(fā)與應(yīng)用，標(biāo)定框架、采集測量技術(shù)的不斷提高，三維解析系統(tǒng)對運動數(shù)據(jù)的處理將更加精確、快速、方便，更接近對所了解動作的真實性。未來三維解析系統(tǒng)將朝著以下方向發(fā)展：

1)更智能化：空間標(biāo)定技術(shù)的提高，DLT坐標(biāo)轉(zhuǎn)化的優(yōu)化，采集圖像的及時幀碼標(biāo)注不錯亂傳輸和保存，基于Pareto多目標(biāo)遺傳算法的關(guān)鍵幀提取方法[15]，關(guān)節(jié)中心的個性化設(shè)計，與Anybody等其他仿真軟件相結(jié)合將每一塊肌肉的力描述出來，數(shù)字濾波法的優(yōu)化等都將會使最后數(shù)據(jù)結(jié)果的精度、準(zhǔn)確性提高等。

2)更自動化：外接設(shè)備也實現(xiàn)無線化傳輸，分析系統(tǒng)采用更多的模式化操作；減少手動工作量，實現(xiàn)全自動追蹤或標(biāo)記關(guān)節(jié)中心；虛擬儀器的使用[16]使傳輸處理速度加快；增加更多形式的結(jié)果展示，如自動生成仿真模型結(jié)合數(shù)據(jù)，應(yīng)用于結(jié)果展示，使操作更加簡潔、快速等。

3)更人性化：實現(xiàn)多國人體模型參數(shù)自行導(dǎo)入或全部添加(如中國人的模型參數(shù))；實現(xiàn)不同語言的操作界面(如英文、中文、韓語等)或生成不同版本供用戶選擇；輸出的文本可以通用；能在任何電腦上隨時操作；更多的自定義，使系統(tǒng)更開放，能滿足更多人的需求等。

參考文獻：

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The Application and Development Trend of Three Dimensional Motion Analysis System in Biomechanics

HOUYali1*,WANGXiangdong2

(1.Institute of Sports Science,Shanghai University Of Sport,Shanghai 200000,China；2.China Institute of Sport Science,Beijing 100061,China)

Abstract:Research methods and equipment are always t important factors which restrict the development of the biomechanical study. In order to understand the three-dimensional analytical system application and development in the biologicalmechanics, through the review of methods such as literatures, the authors discusses the performances and advantages at several kinds of the three-dimensional motion analysis system commonly used in China and research on biomechanics in other countries, and the development trend of the three-dimensional analytical system at biomechanics study.

Key words:movement analysis system;biomechanics;development tendency

DOI:10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.02.020

收稿日期：2016-04-11

基金項目：國家科技部公益類科研院所專項基金(基本14-02)

作者簡介：侯亞麗(1993— )，女(漢族)，山西洪洞人，在讀碩士研究生，研究方向：運動生物力學(xué) 。

中圖分類號：G804.6

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-5383(2016)02-0071-04

王向東(1973— ) ，男(漢族)， 山西太原人， 博士，研究員，研究方向：運動技術(shù)診斷、運動圖像及人體信息采集，通信作者郵箱：wangxiangdong@ciss.cn。