張藝佳，姚小蘭，韓勇強(qiáng)，李佩璋，張 浩，曹洪卿，方勖洋

(北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100081)

0 引言

滑雪時(shí)，身體姿態(tài)的控制能力是一種特殊的專(zhuān)項(xiàng)能力，這種能力對(duì)于滑雪成績(jī)有著重要的影響。一套適用于滑雪訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)捕捉與重構(gòu)系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)捕捉滑雪者的身體姿態(tài)，還可以搭配數(shù)字化評(píng)估方法幫助滑雪訓(xùn)練者找到自身與高水平運(yùn)動(dòng)員的差距，發(fā)現(xiàn)自身動(dòng)作不足，糾正發(fā)力錯(cuò)誤，在普及滑雪運(yùn)動(dòng)的同時(shí)提高大眾對(duì)滑雪運(yùn)動(dòng)的熱情。另外，一套可靠的運(yùn)動(dòng)捕捉及評(píng)分系統(tǒng)為滑雪訓(xùn)練者的科學(xué)訓(xùn)練提供了強(qiáng)有力的工具。

動(dòng)作捕捉技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，主要分為兩大類(lèi)別：基于視頻設(shè)備的動(dòng)作捕捉和基于傳感器的動(dòng)作捕捉?；谝曨l設(shè)備的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)成本高、便攜性低、易受干擾[1]，隨著慣性傳感器的成本越來(lái)越低，基于傳感器的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)逐步得到發(fā)展。目前，國(guó)外市場(chǎng)上一些公司推出了較為成熟的動(dòng)作捕捉產(chǎn)品：如荷蘭Xsens公司推出的MVN產(chǎn)品[2]、美國(guó)Innalabs公司推出的3DSuit產(chǎn)品[3]和英國(guó)Vicon公司推出的Vicon Motion Syetem。國(guó)內(nèi)關(guān)于動(dòng)作捕捉也有一定的發(fā)展，如北京諾亦騰公司推出的戴若犁團(tuán)隊(duì)研發(fā)設(shè)計(jì)的Noitom[4]和中國(guó)科學(xué)院傳感網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用聯(lián)合研究中心吳健康教授研發(fā)的MMocap[5-8]。

目前，動(dòng)作捕捉系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于體育訓(xùn)練領(lǐng)域。H.Ghasemzadeh等將可穿戴姿態(tài)檢測(cè)設(shè)備應(yīng)用于高爾夫訓(xùn)練中，采集高爾夫揮桿動(dòng)作過(guò)程中手腕的旋轉(zhuǎn)角度[9]。M.Sharma等將可穿戴姿態(tài)檢測(cè)設(shè)備應(yīng)用于網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中，分析每個(gè)階段的動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)性[10]。R.Samir等將可穿戴檢測(cè)設(shè)備裝在運(yùn)動(dòng)員手臂上，識(shí)別運(yùn)動(dòng)員是棒球運(yùn)動(dòng)中的投擲動(dòng)作還是排球運(yùn)動(dòng)中的擊打動(dòng)作[11]。J.Chan等將可穿戴姿態(tài)檢測(cè)設(shè)備應(yīng)用于舞蹈訓(xùn)練中，方便老師指導(dǎo)學(xué)生提升技能[12]。但是目前適用于滑雪運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)捕捉與重構(gòu)系統(tǒng)較少，且缺少滑雪運(yùn)動(dòng)的量化分析，而運(yùn)動(dòng)量化分析是科學(xué)化滑雪訓(xùn)練的重要發(fā)展方向，人體滑雪過(guò)程中運(yùn)動(dòng)模式的數(shù)字化表達(dá)是科學(xué)量化分析的關(guān)鍵步驟。

本文針對(duì)高山滑雪運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)了一套基于慣性傳感器的可穿戴式運(yùn)動(dòng)捕捉與重構(gòu)系統(tǒng)，對(duì)人體11個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉與重構(gòu)。該設(shè)備既可以應(yīng)用于戶(hù)外，也可以應(yīng)用于室內(nèi)。同時(shí)，結(jié)合人體多剛體運(yùn)動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)了滑雪過(guò)程的人體重構(gòu)。最后，針對(duì)目前缺少滑雪運(yùn)動(dòng)的量化分析和評(píng)估研究的現(xiàn)狀，提出了一種適用于高山滑雪運(yùn)動(dòng)中回轉(zhuǎn)動(dòng)作的數(shù)字化評(píng)估方法，用于滑雪訓(xùn)練者滑行特點(diǎn)分析及輔助訓(xùn)練。

1 可穿戴人體姿態(tài)檢測(cè)設(shè)備

本運(yùn)動(dòng)捕捉與重構(gòu)系統(tǒng)為自主研發(fā)系統(tǒng)，其工作流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖Fig.1 System flow chart

本運(yùn)動(dòng)捕捉與重構(gòu)系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。

表1 動(dòng)作捕捉設(shè)備參數(shù)

11個(gè)姿態(tài)采集模塊分別穿戴在人體11個(gè)主要節(jié)點(diǎn)上，穿戴位置如圖2所示。髖部還穿戴一個(gè)中心控制器，負(fù)責(zé)接收11個(gè)節(jié)點(diǎn)的姿態(tài)數(shù)據(jù)并發(fā)往服務(wù)器端。

圖2 姿態(tài)檢測(cè)模塊佩戴位置Fig.2 Posture detection module wearing position

2 人體建模與姿態(tài)復(fù)現(xiàn)

基于慣性傳感器的人體運(yùn)動(dòng)建模分為骨骼模型建立和人體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立。由于人體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此對(duì)人體模型作如下建模假設(shè)：

1)忽略皮膚變形給人體運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的影響;

2)將人體骨骼抽象為剛體，各個(gè)關(guān)節(jié)定義關(guān)節(jié)軸;

3)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系與傳感器坐標(biāo)系和骨骼坐標(biāo)系視為同一個(gè)坐標(biāo)系。

建立包含11個(gè)節(jié)點(diǎn)和5條父子繼承關(guān)系線的骨骼模型，5條父子關(guān)系線分別為：

1)骨盆—胸腔—頭部；

2)骨盆—胸腔—左大臂—左小臂；

3)骨盆—胸腔—右大臂—右小臂；

4)骨盆—左大腿—左小腿；

5)骨盆—右大腿—右小腿。

骨骼模型如圖3所示。

定義2個(gè)坐標(biāo)系，分別是世界坐標(biāo)系和傳感器坐標(biāo)系。世界坐標(biāo)系以X軸為水平方向，Y軸為垂直方向，Z軸垂直于XY平面向上；傳感器坐標(biāo)系以上一關(guān)節(jié)與本關(guān)節(jié)的連線為X軸，關(guān)節(jié)的軸線方向?yàn)閆軸，另外一個(gè)為Y軸，逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)。

在人體初始姿態(tài)標(biāo)定之后，姿態(tài)的求解主要由旋轉(zhuǎn)矩陣及位置矩陣構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)矩陣表示為

圖3 骨骼模型圖Fig.3 Skeletal model diagram

(1)

(2)

(3)

其中，α、β、γ分別為三維向量繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)的角度；Rx、Ry、Rz分別為三維向量繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)得到的旋轉(zhuǎn)矩陣，總旋轉(zhuǎn)矩陣表示為

R=RxRyRz

(4)

由式(1)～式(4)得到總旋轉(zhuǎn)矩陣

(5)

當(dāng)姿態(tài)發(fā)生平移變換時(shí)，位置矩陣P表示為

(6)

其中，Px、Py、Pz分別為三維向量在X、Y、Z軸的平移量。

(7)

通過(guò)上述分析可得，關(guān)節(jié)系j在關(guān)節(jié)系i的齊次變換陣為

(8)

根據(jù)式(8)完成在規(guī)定坐標(biāo)系下姿態(tài)的表示與轉(zhuǎn)換。

在人體運(yùn)動(dòng)3D顯示的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，選擇Unity 3D作為開(kāi)發(fā)工具，基于慣性數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)重構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 基于慣性數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)重構(gòu)圖Fig.4 Motion reconstruction images based on inertial data

3 滑雪輔助訓(xùn)練

本文所述動(dòng)作捕捉系統(tǒng)不僅可以用于室外滑雪環(huán)境，還可用于室內(nèi)模擬滑雪訓(xùn)練臺(tái)，為滑雪者提供滑雪關(guān)鍵技術(shù)分析，同時(shí)搭配數(shù)字化評(píng)分方法，可以用于滑雪訓(xùn)練者滑行特點(diǎn)分析及輔助訓(xùn)練。

本文以室內(nèi)模擬滑雪訓(xùn)練臺(tái)為例，提供了一種基于運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)、適用于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的數(shù)字化滑雪水平評(píng)分方法。采用SkyTechSport公司的Olymp模擬滑雪訓(xùn)練臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其外觀如圖5所示。

圖5 模擬滑雪訓(xùn)練臺(tái)Fig.5 Top view of simulated ski training platform

訓(xùn)練者穿戴運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)在模擬滑雪訓(xùn)練臺(tái)上進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)作捕捉系統(tǒng)捕捉訓(xùn)練者姿態(tài)并將其實(shí)時(shí)顯示。

3.1 滑雪關(guān)鍵技術(shù)分析

本文定義滑雪者在模擬訓(xùn)練臺(tái)的中間位置至最左端至中間位置至最右端再至中間位置的過(guò)程為一次回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，定義回轉(zhuǎn)速度為

(9)

其中，Rl為滑雪者在一次回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中從模擬訓(xùn)練臺(tái)的中間位置至最左端位置的距離；Rr為滑雪者在一次回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中從模擬訓(xùn)練臺(tái)的中間位置至最右端位置的距離；t為訓(xùn)練者完成一次回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間。

人體3個(gè)基準(zhǔn)面分別為矢狀面、額狀面和水平面，如圖6所示。

圖6 人體基準(zhǔn)面Fig.6 Human datum level

實(shí)驗(yàn)分別采集滑雪教練、中等滑雪水平者和無(wú)滑雪經(jīng)驗(yàn)者三種滑雪水平的滑雪者在訓(xùn)練臺(tái)上的姿態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄訓(xùn)練者每做一次回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的平均速度。

提取五種能夠體現(xiàn)滑雪者身體素質(zhì)和滑雪能力的特征，如表2所示。

表2 滑雪特征參數(shù)表

其中，矢狀面上背部與垂直軸的夾角如圖7所示。

圖7 矢狀面上背部與垂直軸的夾角Fig.7 Angle between dorsal and vertical axis in sagittal plane

額狀面上背部與垂直軸的夾角如圖8所示。

圖8 額狀面上背部與垂直軸的夾角Fig.8 Angle between dorsal and vertical axis of coronal plane

實(shí)驗(yàn)采集的三種水平滑雪者的滑板最大傾角、矢狀面上背部與垂直軸的夾角、額狀面上背部與垂直軸的夾角如圖9所示。

圖9 不同水平滑雪者的滑行特征Fig.9 Skiing features of skiers at different levels

由數(shù)據(jù)分析可得，水平越高的滑雪者全身協(xié)調(diào)性越好、下肢爆發(fā)力越大、下肢動(dòng)作幅度越大，表現(xiàn)出左右回轉(zhuǎn)時(shí)小腿傾角大，即立刃角度大；水平越高的滑雪者上半身越穩(wěn)定，表現(xiàn)為上身前傾且重心下壓，矢狀面上背部與垂直軸的平均夾角大；水平越高的滑雪者身體核心力量越大，上肢左右晃動(dòng)幅度越大，靠上身事先傾斜帶動(dòng)下肢傾斜進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)出額狀面上背部與垂直軸的最大夾角大。

3.2 滑雪水平評(píng)分

本文提出了一種適用于高山滑雪運(yùn)動(dòng)中回轉(zhuǎn)動(dòng)作的數(shù)字化滑雪水平評(píng)分方法。

提取滑雪教練員的5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)滑行特征，按表2順序分別記為y1、y2、y3、y4、y5，提取任意滑雪者的滑行特征，按上述順序分別記為x1、x2、x3、x4、x5，采用歐式距離法對(duì)比任意滑雪者與滑雪教練員動(dòng)作接近程度，相似性度量公式如式(10)所示

(10)

針對(duì)上述相似性度量結(jié)果,對(duì)采集到的滑雪者的特征進(jìn)行線性擬合，其中，高水平教練員為100分，中等水平滑雪者為80分，無(wú)經(jīng)驗(yàn)滑雪者為40分，根據(jù)擬合結(jié)果得到最終綜合評(píng)分公式。

以本實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)為例，根據(jù)上述評(píng)估方法得出的擬合公式為

S=-1.2d+100

(11)

其中，S為綜合評(píng)分；d為相似性度量結(jié)果。

根據(jù)此評(píng)分方法，滑雪者在訓(xùn)練臺(tái)上每做一次回轉(zhuǎn)動(dòng)作，系統(tǒng)都會(huì)實(shí)時(shí)給出該次回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的評(píng)分，分值越高，動(dòng)作越接近滑雪教練員。

為驗(yàn)證該評(píng)分方法的可行性，實(shí)驗(yàn)召集9人分別在模擬訓(xùn)練臺(tái)上滑行，3人為滑雪教練員，3人為中等水平滑雪者，3人為無(wú)經(jīng)驗(yàn)滑雪者。滑行前，根據(jù)滑雪者的滑雪經(jīng)驗(yàn)及水平分別給出9人的主觀評(píng)分范圍，滑行時(shí)由評(píng)分系統(tǒng)給出客觀評(píng)分，如表3所示。

表3 滑雪者評(píng)分表

由表3可以看出，系統(tǒng)評(píng)分結(jié)果均在主觀評(píng)分范圍內(nèi)，該評(píng)分方法具有可行性。

3.3 滑雪訓(xùn)練建議

對(duì)于高山滑雪訓(xùn)練者，本文提出如下建議：

1)對(duì)于平均回轉(zhuǎn)速度較慢的滑雪者，加強(qiáng)膝關(guān)節(jié)的伸展練習(xí)和下肢爆發(fā)力的練習(xí);

2)對(duì)于滑板傾斜角度小、上身穩(wěn)定性不好的滑雪者，加強(qiáng)核心部位(腰-盆骨-髖關(guān)節(jié))的肌肉群力量訓(xùn)練，可以通過(guò)懸吊訓(xùn)練和瑞士球訓(xùn)練等提高身體穩(wěn)定性和控制能力;

3)對(duì)于回轉(zhuǎn)時(shí)上肢動(dòng)作幅度較小的滑雪者，加強(qiáng)上肢力量練習(xí)和腰腹部位的力量練習(xí)，可以通過(guò)引體向上和俯臥撐等練習(xí)增強(qiáng)上肢帶動(dòng)下肢運(yùn)動(dòng)的能力。

4 結(jié)論

本文針對(duì)高山滑雪運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)并搭建了運(yùn)動(dòng)捕捉與重構(gòu)系統(tǒng)，主要貢獻(xiàn)和意義如下：

1)設(shè)計(jì)并搭建了基于可穿戴MEMS慣性測(cè)量單元的人體運(yùn)動(dòng)捕捉與姿態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)，并結(jié)合人體多剛體運(yùn)動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)了滑雪過(guò)程的人體重構(gòu)，為高山滑雪運(yùn)動(dòng)效能的深入分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2)創(chuàng)新性地提出了一種面向高山滑雪運(yùn)動(dòng)中回轉(zhuǎn)動(dòng)作水平分析的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)量化提取算法，并提出了一種基于關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的數(shù)字化評(píng)估方法，為運(yùn)動(dòng)水平科學(xué)分析與運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練輔助指導(dǎo)提供數(shù)據(jù)支撐。未來(lái)在動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步研究數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，深化高水平選手的精細(xì)化訓(xùn)練指導(dǎo)。

3)針對(duì)滑雪訓(xùn)練者的不同特點(diǎn)，提出有針對(duì)性的訓(xùn)練建議，幫助訓(xùn)練者提高專(zhuān)項(xiàng)能力。