曹中旺 黃春香 余容平

（1福建船政交通職業(yè)學院 福建福州 350007；2武夷學院 福建南平 354300；3福建商學院 福建福州 350012）

視覺仿真技術是一種基于計算信息的沉浸式交互環(huán)境的技術。它采用計算機圖形技術，根據(jù)仿真的目的，構建仿真對象的3D模型并再現(xiàn)真實環(huán)境，達到逼真的仿真結果［1-2］。仿真技術有助于縮短測試和開發(fā)周期，提高測試和研究的質量，節(jié)省實驗和研究資金，并已在許多領域得到廣泛應用［3-4］。競技體育領域，如跳水、體操、蹦床、舉重、籃球、滑雪、高爾夫等，特別是在跳水項目中，蹦床項目取得了巨大的成功，具有非常明顯的經(jīng)濟效益，成為重要的高科技運動手段實地培訓［5］。運動生物力學是生物力學的一個分支，它利用力學原理和方法來研究人體的機械運動理論，它與測量技術，數(shù)學建模技術和計算機技術一起發(fā)展，因此，運動生物力學將在生物力學中起到很大的作用［6］。隨著人體鏈接參數(shù)測量技術和生物力學計算機仿真技術的改進，對生物力學的研究提高了運動生物力學的水平［7-8］。該學科還通過體育實踐中的人事實踐，促進了體育教練、運動員、體育教師和體育科研人員的發(fā)展，可以為體育事業(yè)的發(fā)展提供更好的前景［9-10］。視覺技術在運動員模擬訓練中的應用，可以對動作進行分析和評價，并進行創(chuàng)新，提高運動訓練的技術含量，使運動員迅速掌握動作技術，保持良好的競技狀態(tài)。

文章依托運動生物力學捕捉技術，通過使用數(shù)學軟件對模型數(shù)據(jù)進行仿真，然后建立多元線性模型，探討各種因素對性能的影響程度，并驗證動態(tài)模型的合理性，為理論提供支撐。

1 視覺模擬系統(tǒng)概述

視覺仿真系統(tǒng)主要用于完成機器，電路板及其相關信息的顯示，卡仿真電路以及板載部件的工作顯示等。為方便用戶操作軟件和觀察仿真場景，系統(tǒng)應提供友好的圖形用戶界面。另外，在虛擬無線電臺仿真系統(tǒng)中，電路仿真系統(tǒng)是為視覺仿真系統(tǒng)服務的，它是視覺仿真系統(tǒng)的基礎，而視覺仿真系統(tǒng)是其應用和顯示。故障庫和可視化仿真系統(tǒng)是整個車站仿真系統(tǒng)的兩個并行子系統(tǒng)，通過它們之間的程序接口交互作用，可以完成后期工作中的系統(tǒng)故障診斷。從功能結構上看，視覺仿真系統(tǒng)由管理模塊，初始化模塊，實體渲染模塊，數(shù)據(jù)接口模塊，特效處理模塊和視聽顯示模塊組成。

1.1 管理模塊

作為視覺仿真系統(tǒng)中最重要的模塊，其基本功能是實現(xiàn)對過程控制的仿真，通過接收系統(tǒng)接收消息，用戶輸入的交互根據(jù)預定的規(guī)則與策略之間的協(xié)調(diào)進行。各種功能操作模塊。

1.2 初始化模塊

它是可視化仿真系統(tǒng)的主要功能初始化模塊，可以根據(jù)用戶的配置對仿真數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)進行初始化過程和配置文件。

1.3 數(shù)據(jù)接口模塊

它主要用于讀取和后續(xù)處理仿真數(shù)據(jù)文件，然后基于這些數(shù)據(jù)進行視覺系統(tǒng)的運行過程，該模塊在管理模塊的控制下，同時將數(shù)據(jù)提供給系統(tǒng)的實體渲染模塊以及特效處理模塊

1.4 實體渲染模塊

它主要負責各種實體的3D繪圖，用于可視化顯示工作，是具有用戶界面的可視化仿真系統(tǒng)，用于可通過可視化方式顯示系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)。該模塊的接收管理模塊工作，同時從數(shù)據(jù)接口模塊實時渲染實體需要的各種數(shù)據(jù)。該模塊的實現(xiàn)由各種繪圖算法組成。

1.5 特效處理模塊

它負責表現(xiàn)整個視覺模擬系統(tǒng)的特效，視覺模擬系統(tǒng)是逼真的關鍵模塊。

1.6 視聽顯示模塊

它主要是指音響系統(tǒng)和投影顯示系統(tǒng)等硬件設備。

2 基于運動生物力學的體育虛擬訓練仿真

現(xiàn)代體育運動正變得越來越高，越來越困難，越來越精確。它借助現(xiàn)代技術使培訓更加深入。為了最大限度地挖掘人們的潛力，現(xiàn)代體育需要不斷地參與科學和技術。這將需要綜合利用與體育科學相關的學科知識，并通過使用系統(tǒng)科學的方法來研究體育的內(nèi)在規(guī)律。運動系統(tǒng)仿真是一門實驗技術科學，它是通過計算機仿真技術代表運動老師的教學經(jīng)驗，教練意圖的訓練，管理者的組織方案和運動員的訓練過程，從而實現(xiàn)對運動的解釋。實驗科學技術的系統(tǒng)，分析、預測、組織和評估。

從運動生物力學角度來看，起跳、起飛和橫桿的三個部分構成了背式跳高過程的主要動作，橫桿的初始參數(shù)由起跳和起飛提供，然后相應的車身擺動將有助于運動員越過杠鈴，其目的是通過合理的動作和合理的位置來達到最高的跳高。首先依據(jù)運動生物生物力學捕捉技術，分析了起步、起飛和橫桿，并建立了動力學模型進行數(shù)據(jù)仿真。

由于在跳起弗斯伯里式跳高過程中運動員的身體旋轉，主要集中在頭部、四肢和軀干上，因此在本節(jié)中，人體的結構被視為可以分為頭部、上肢、上軀干、下軀干、大腿、前肢、上臂和前臂，用Ix表示的額軸圓形的七個轉動慣量中的每一個，Iy是圍繞矢狀軸的轉動慣量，Iz是圍繞垂直軸的慣性矩。通過使用“平行軸定理”將重量收集到質心中并與前臂和前腿一起進行計算，可以獲得手和腳的慣性矩。根據(jù)二元回歸方程慣性矩上的身高和體重的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，可以得到各連桿的慣性矩?；貧w方程如公式（1）所示：

式（1）中，Ii為繞線軸三軸的轉動慣量，X1，X2分別為人體重量（kg）和身高（CM），δ2為回歸方程的方差。

平行軸定理：如果有平行于穿過質心的軸的任何軸，并且這兩個軸的距離為d，則I是剛體產(chǎn)生的慣性矩，如公式（2）所示：

式（2）中，I′為軸的慣性矩，它是相對于質心m穿過的軸相對于質心質量的軸。助跑階段的運動學分析和模型建立

圖1是運動員在虛擬訓練助跑過程中的身體運動狀況。

圖1 助跑過程中人體運動的簡筆畫模型

跑步的運動學特征體現(xiàn)在步長、頻率上，其運動關系如公式（3）所示。

在式（3）中，L代表步長，T代表步長，f代表頻率，v是相應步長的平均速度。如果可以通過測量步長和步長時間來計算相應步的平均速度，則因為在加速過程中運動員的速度非?？欤ㄋ矔r速度），因此，跑步中重心的水平速度 向上運動被視為一系列勻速運動。一般高水平運動員的平均步調(diào)間隔時間為0.216s，支撐時間平均約為40.7%，飛行階段的時間平均為59.3%。

助跑的第二階段目的是使運動員在起飛前獲得適合速度的力量和技術。在彎道跑步中，支撐腿支撐膝蓋彎曲，最終支撐步驟的膝蓋關節(jié)角度約為120°。運動員的曲線加速實際上是身體重心的圓周運動。當物體進行圓周運動時，它需要其他方面來提供向心力，即如公式（4）所示：

在公式（4）中，N‖+fμ代表向心力?fμ代表人體在地面上的摩擦力，當摩擦力固定時，增加的上升速度應減小ψ度，這意味著上升速度越高，身體的傾斜度越大。

2.1 起飛階段訓練仿真

起飛的最后一步中，起飛速度為最大速度：vmax，右側為起飛過程，身體重心通過支撐小腿伸展而向上運動，起飛過程中支撐腿的應力分析如圖2所示。

圖2 支撐腿的應力分析

圖2 顯示，腿承受重力，來自地面的力和腿上的物理壓力-蹲和拉伸過程中角度α(t)的變化范圍為(t)和φ(t)相對較小。由地面在腿上傳導的力可分解為垂直力Fy(t)和水平力Fx(t)，這兩個分量的作用是增加減小水平速度和增大垂直速度，可得動量公式（5）：

在式（5）中，ΔVx，ΔVy代表蹲坐和伸展過程中兩個方向的變化Δt是地面在腿上的支撐時間。根據(jù)水平和垂直方向上受力平臺的情況，可以理解地面對支撐腿的影響，如圖3所示。

圖3 受力平臺在水平和垂直方向上的應力狀態(tài)

根據(jù)圖3可知，垂直方向的速度不斷增加，而水平方向的速度不斷減小，這反映了起飛動作的實質是使合理的水平速度損失和垂直向上的速度盡可能地增加。

2.2 交叉桿階段訓練仿真

起飛結束后，人體離開地面并開始從其背部橫過橫桿，圖4顯示的虛擬仿真幻影是人體橫越橫桿的階段。

圖4 交叉桿階段

圖4收集了8個橫桿階段狀態(tài)的力矩，運動員在空中繞垂直軸的運動符合公式（6）：

在式（6）中，M(t)是人體繞垂直軸傳遞的扭矩?該扭矩隨手臂的擺動而變化，直到人體的擺動角度γ(t)達到180°，人體的兩側為對稱時，采用均質圓盤公式來計算繞垂直軸的慣性矩。

交叉桿時運動員的手臂擺動不僅是人體的相對旋轉，還可以提高人體的機械動能，假設人體的質量占人體總質量的11.28%，當起飛結束時身體重心的向上瞬時速度為Vy0，手臂向上擺動的質心速度為時，則身體在手臂向上過程中比跳躍結束時處理更多的能量。手臂的動能增量表達式如公式（7）所示：

根據(jù)式（7），人體動能增加為111.28%，也就是說，如果手臂不擺動，如果運動員計劃通過擺動獲得更多的動能，則總能量將減少11.28%。手臂、動能和動量之間的轉換關系可以采用或分析。當人體垂直向上的動量增加時，其動能會相應增加，在人體懸吊過程中，人體僅受重力影響，整個系統(tǒng)在一定程度上通過對內(nèi)部的消化而處于動量守恒中，身體的整體動量可以得到改善，只要延長加速過程就可以使增長的動量發(fā)生變化，因此手臂揮桿的延伸可以幫助提高跳高的性能。

3.3 模型模擬

模型仿真的目的是獲得運動員在交叉桿階段的運動軌跡，重心的運動過程類似于拋物線運動，建立運動方程需要確定初始參數(shù)，以某運動員為例進行數(shù)學模擬，其數(shù)學軌跡仿真圖像如圖5所示。

圖5 人體重心運動軌跡的仿真圖

如圖5所示，該重心的軌跡圖像，與某運動員的實際坡度2.35 2.39 m相符，因此動力學模型可以通過運動生物力學分析來恢復運動。

3.4 數(shù)據(jù)分析

本節(jié)主要探討跳高結果與初始跳動速度l之間的數(shù)據(jù)關系。經(jīng)過虛擬訓練仿真模擬，統(tǒng)計出相應的調(diào)高數(shù)據(jù)結果，繪制相應的折線圖，分析跳高得分的有關因素，其結果如圖6所示。在圖6中，左上方的圖片與合成的速度和跳躍分數(shù)有關，右上方是水平速度和跳躍分數(shù)的圖像，左下方是垂直速度和分數(shù)的圖像，右下方是速度和得分的平方。從四個圖像可以看出跳躍速度和得分之間的相關性不是很緊密，公式（8）是跳躍得分和四種速度的四個四元線性回歸方程：

圖6 分數(shù)和速度的變化趨勢

在公式（8）中，H代表跳躍得分，v代表跳躍的合成速度，v‖，v⊥分別代表水平速度和垂直速度，H與合成速度v正相關，合成速度v處理最大的靈敏度，此外垂直速度還影響跳躍得分。

統(tǒng)計參數(shù)的結果主要包括：①殘差平方和＝0.0645；偏差平方和＝0.1058；②多重相關系數(shù)＝0.6252；方差＝0.1795。

根據(jù)統(tǒng)計參數(shù)，多元線性回歸的擬合優(yōu)度良好，這表明合成速度和垂直速度對跳躍得分的影響很大。

4 結論

從運動生物力學角度老說，可以將人體看作是一個多剛體模型，通過研究剛體運動情況，可以反映出人體的實際運動。在起飛過程中，軀干的完全伸展可以提高垂直速度，并在跳躍后同時增加人的沖動效果，從而增加身體越過身體軸線的慣性矩。

文章依托運動生物力學捕捉技術，通過動力學模型對某運動員進行了虛擬訓練軌跡仿真，驗證了生物運動力學對該運動進行指導的合理性。通過數(shù)據(jù)分析和線性回歸方程的建立，可以得出以下結論：跳躍速度和垂直速度對跳躍得分的影響很大，也證明了跳躍角度的重要性。