三维人体运动的计算机辅助分析在体育中的应用

（咸阳师范学院体育系，陕西咸阳，712000）

三维人体运动的计算机辅助分析在体育中的应用

段师博

（咸阳师范学院体育系，陕西咸阳，712000）

近年来，计算机技术在竞技体育中应用的范围越来越广。运动员在训练中采用先进的科学技术可以提高其训练的效果。本文阐述了三维人体运动的计算机辅助分析在体育中的应用，包括三维人体运动的定义，分析了基于骨骼蒙皮法构建运动员模型，最后阐述了运动数据的预处理、提取和分析。

三维建模；运动捕捉；数据分析

0 前言

为了更高、更强、更快的竞技体育目标，运动员要不断挑战和提高自己以提升速度和力量，必须要有刻苦的训练和科学的训练方法手段。现在，竞技运动员成绩提高的方法越来越依赖科学技术，尤其是运动捕捉技术和体育系统仿真。经过大量研究表明，运动员在训练中使用先进的科学技术，可以尽快掌握技术要领，提高训练效率，减少他们受伤的可能，促进我国竞技体育事业的健康发展。本文阐述了三维人体建模及数据分析在体育中的应用，为其在体育运动中的应用奠定理论基础，提高运动员的竞技水平。

1 三维人体运动

三维人体运动应用计算机的仿真技术构建三维人体模型，通过运动捕捉技术等先进的技术获得人体运动的数据，将这些数据应用在人体模型上，对运动员的动作进行分析，对比以及模拟，从而提高他们的动作水平，这对提高运动员的训练效果意义重大。

2 三维人体运动分析

2.1基于运动捕捉数据采集

运动捕捉技术获取梯人体运动信息的方式是在人体的关键部位安装传感器。通常情况下，三维运动捕捉以运动员的特定动作为对象，在运动员的关节贴上具有传感功能的标记点，通过分析软件，把标记点的位置和方向转化成一组运动数据。运动捕捉系统的结构图如下图1所示。

图1 运动捕捉系统结构图

2.2三维人体运动员建模

三维人体建模采用3D Studio MAX建模软件，其最新版本是3Ds max 2014。3ds max界面组成有以下7部分组成：工具栏、标题栏、命令面板、绘图区域、菜单栏、动画控制区、视图控制区特。这个软件的主要特点是：基于PC系统的低配置要求、安装插件可扩展3D Studio Max软件的功能以及增强原本的功能 、强大的角色动画制作能力、可堆叠的建模步骤，使制作模型有非常大的弹性。

人体建模技术构建特定姿态的人体模型，皮肤变形技术所解决的问题就是运动中的皮肤变形，二者相互联系、影响。人体皮肤变形和建模方法分为基于体模型、基于面模型和基于层次式模型的三类方法。体数据法和隐式曲面法是基于体模型建模的两种方法。皮肤层和骨骼层是基于面模型建模只考虑的两层结构。考虑肌肉层、骨骼层、脂肪层和皮肤层四层结构，是层次式模型的建模方法，分别对它们进行建模，从而实现皮肤的变形过程。在这三种人体建模的方法中，最广泛的应用方法为基于面模型的骨骼蒙皮法。

本文应用骨骼蒙皮法阐述人体的建模过程。骨骼蒙皮法的基本原理可以用公式（1）表示，它的本质是一种插值算法，

在公式（1）中，Vd代表皮肤变形前的顶点目标，Di代表第i段骨骼在坐标中的矩阵转换，Di-1Vd代表第i段骨骼皮肤顶点的局部坐标值，Mi代表在当前帧中第i段骨骼局部到全局的坐标矩阵转换，Wi代表第i段骨骼的当前权值点，V代表皮肤变形后的顶点坐标。骨骼蒙皮法的基本指导思想是关节附近的多段骨骼影响其关节附近的皮肤定点，Wi决定其影响权值的大小。基于骨骼蒙皮法的皮肤建模过程包括皮肤层和骨骼层的构建，以及皮肤层和骨骼层的绑定。

（1）皮肤层的构建。运动员模型的皮肤层是一个完整的网格，起网格的组成采用三角形和四边形，在构建模型的皮肤变形时，面数不能太多，否则会变缓慢，所以面数最好控制在1000以内。在建模时采用多边形细分建模，可以边做边修改，容易控制网格密度，多边形细分建模分为可编辑多边形和可编辑网格，先创建一个几何体，然后把这个几何体塌陷成可编辑多边形或者是可编辑网格，并对其不断进行修改和细分，得到最后想要的运动员模型。运动员的皮肤层构建好之后，采用纹理映射技术，在皮肤层上贴上皮肤纹理，通过二者的映射关系，把纹理图映射到模型的皮肤上，从而合成真实感的皮肤模型，皮肤层就构建好了。

（2）骨骼层的构建。骨骼层的构建主要依据两个重要的人体骨骼结构的国际标准VRML以及MPEG-4，这两个国际标准都支持虚拟人的表示。虚拟人表示以人体的重心、关节、骨骼分别为根节点、子节点和连线的树形，并将每个肢体的几何模型与相应的骨骼依附，从而组成一个完整的模型。虚拟运动员的骨骼用简单的三维刚体表示，用关节把这些骨骼连接起来，父节点和子节点不会发生相对移动，只发生旋转，这样骨骼层就构建好了。

（3）骨骼层和皮肤层的绑定。骨骼层和皮肤层的绑定就是确定皮肤层和骨骼的间的影响，即皮肤层上的点受哪几段骨骼的影响，并且每段骨骼对这个点都会有一个影响因子，这个点受此段骨骼影响的大小代表着影响因子的大小。骨骼层和皮肤层绑定之后，运动员模型就构建好了，如图2所示。

图2 构建的运动员模型

2.3三维人体运动数据计算

2.3.1 运动数据预处理

运动捕捉系统按照一定的频率收集和计算运动员的信息，并将这些信息按照特定的格式存储成数据文件，但是数据文件的格式由于捕获设备的不同难以统一标准。在一般情况下，采集的运动信息会有很多噪音，不利于数据的分析处理。数据的预处理主要包括野点的剔除和平滑去燥，野点的剔除就是将一些严重偏离趋势的数据去掉。平滑去噪主要是采用适当的滤波器将噪声去除。

2.3.2 运动数据特征提取

数据进行完预处理后，可进行数据的特征提取和识别。运动数据的特征提取包括加窗处理、时域特征提取、频域特征提取、主成分分析四个步骤。加窗处理就是指把采集到的整段数据分成不同的敞口，窗口之间必须要有一定程度的叠加，单位提取特征以单个窗口为准。时域特征主要包括标准差、方差、均值、相关系数、斜率、均方根、时域积分、平均绝对偏差等8种，均采用概率统计的方法，相对简单。原始信号经过快速傅里叶变换即FFT ，然后提取其特征矢量，才能提取其频域特征。频域特征表述了信号的频率特性。常见的频域特征有：系数、FFT、频域熵、能量、能谱密度等。主成分分析就是对数据进行降维处理，提高识别的效率。

2.3.3 运动数据分析

在三维运动空间中，获得的运动数据具有旋转角。数据常用的表示旋转的方法有四元数、欧拉角和旋转矩阵。四元数的旋转采用的四个参数表示，是一种应用最广泛的旋转数据分析方式，不能直接使用欧式空间的向量插值方法。欧拉角就是将旋转相对于主轴的三个顺序旋转分量表示，可以形成三个自由度，任意的旋转转动用相对于坐标轴的角度描述。欧拉角方法具有无法插值和奇异性问题等严重缺点，因此在应用中通常将欧拉角转换为四元数表示旋转。旋转矩阵的表述需要较多的变量和约束，会占用较大内存，不容易计算，并且旋转矩阵不能直接用于插值。

3 结束语

本文对三维人体运动的计算机辅助分析在体育中的应用进行了分析，主要包括运动员的模型构建和运动数据的采集和处理方面。通过先进的科学技术手段，可以为运动员的日常训练提供科学指导，快速提高其竞技水平。但是如何将先进的科学技术更好的应用于体育训练中，这是一个值得研究的课题，我们将继续研究，争取在关键技术的研究上取得更大的进步，更好地为体育事业服务。

[1] 黄新.个性化人体模型与肢体协同运动研究[D].东华大学,2012.

[2] 侯鹏高.数字人体建模进展[J].齐齐哈尔医学院学报,2013,21:3221-3223.

[3] 胡文渊.三维人体运动分类识别技术研究[D].浙江大学,2012.

段师博，1981年生，男，陕西临潼人，咸阳师范学院体育系讲师，主要从事高校体育研究

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