光学运动捕捉技术在幼儿动作研究中的应用

张义宾　秦金亮

【摘要】光学运动捕捉技术是现代运动生物力学研究的主要手段之一，这一技术具有运动受限较小、采样速率较高、系统扩充成本低、采集数据类型丰富等优势。本文主要介绍这一技术的原理、特点、流程、数据分析方法及其在幼儿伸够抓握、工具使用、投掷以及步态分析等动作研究领域的应用，并分析了应用这一技术进行幼儿动作研究时需注意的若干问题。

【关键词】光学运动捕捉技术；幼儿；动作

【中图分类号】G610 【文献标识码】A 【文章编号】1004-4604（2015）05-0043-04

运动捕捉技术是指在一定空间范围内，通过对特殊标记点的跟踪来捕捉记录物体或人体的运动信息，然后将其转换为可运用数学方式进行表达的运动的过程。〔1〕这是现代运动生物力学研究的主要手段之一。该技术源自20世纪七八十年代生物力学领域中的摄影测量分析技术，现已拓展至军事、娱乐、体育、医学以及计算机视觉、机器人学等多个领域。〔2〕根据不同的工作原理，运动捕捉技术可以分为光学式、机械式、电磁式、声学式及基于视频序列的捕捉式等5种类型，其中光学运动捕捉技术应用最为普遍。光学运动捕捉技术作为生物力学实验室常用的研究手段，受到国内外研究者的青睐，例如明尼苏达大学（University of Minnesota）、杜兰大学（Tulane University）、上海体育学院、北京体育大学等都已经运用这一技术开展了相关研究。本文主要介绍光学运动捕捉技术的原理、特点、流程、数据分析方法及其在幼儿运动领域的应用。

一、光学运动捕捉技术的原理及特点

1.光学运动捕捉技术的原理

光学运动捕捉技术通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉任务。目前常见的光学式运动捕捉大多基于计算机视觉原理。从理论上说，对于空间中的一个点，只要它能同时为两部摄像机所见，即可根据同一时刻两部摄像机所拍摄的图像和相机参数，确定这一时刻该点在空间中的位置。当摄像机以足够高的速度连续拍摄时，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。

典型的光学运动捕捉系统通常使用6～8台摄像机环绕拍摄场地排列，这些摄像机的视野重叠区域就是被试运动时的动作范围。在进行光学运动捕捉时，研究者需要在被试身体的关键部位，如关节、髋部、肘、腕、手指等位置贴上一些特制的标记（marker），摄像系统将识别和处理这些标记。全部摄像机都连接到同步帧缓冲器（synchronized frame buffer）上，最终由计算机确定发光点坐标定位。这些数据往往通过反向运动学系统（inverse kinematics system）被模拟成骨骼模型。为了得到准确的运动轨迹，摄像机通常有较高的拍摄速度，一般要达到每秒60帧以上。

一个典型的光学运动捕捉系统一般包括：（1）传感器。这是固定在运动物体特定部位的跟踪装置，它将向信号捕捉设备提供物体运动的位置信息。（2）信号捕捉设备。这是负责捕捉位置信号的设备，通常是高分辨率红外摄像机。（3）数据传输设备。这是负责将大量运动数据从信号捕捉设备迅速、准确地传输到计算机系统的设备。（4）数据处理设备。这是对信号捕捉设备捕捉到的数据进行修正、处理，然后与三维模型结合，从而完成数据处理的设备。这需要数据处理硬件和软件设备一起来完成。〔3〕

2.光学运动捕捉技术的特点

第一，光学运动捕捉技术具有“无电缆”“不受机械装置限制”等特点，可以为被试提供较大的动作自由度，使用也更方便。第二，与其他类型的运动捕捉技术相比，光学运动捕捉技术采样速率较高，可以满足多数高速运动测量的需要。〔4〕第三，光学运动捕捉技术中使用的标记成本较低，并便于系统扩充。第四，采集数据类型丰富，可以捕捉运动位置、速度、加速度、反应时、距离、力、力矩、爆发力、屈曲-伸展、内收-外展、旋转等信息，数据更加真实、丰富。第五，光学运动捕捉技术的软件具有可拓展性，可以兼容或集成其他软件，实现多指标、多角度同步测量。

二、光学运动捕捉的流程及数据分析

光学运动捕捉技术的流程相对固定。第一步，标定系统，包括安装系统、将镜头调试到合适位置、调试面板等。目前大多数的光学运动捕捉技术是采用由2～3个彼此垂直的平面组成的标定体进行标定的。第二步，给被试贴好标记。这需要研究者对人体骨骼有足够的了解，能根据各个关节的自由度来调整标记的个数。最后，进行运动轨迹的捕捉，并进行数据的采集和分析。一般情况下，为了保证数据的连续性，需要被试多次连续不间断地完成某项实验任务，由研究者截取其中的连续片段进行分析。这样做，可以在较大程度上减少被试由于紧张可能造成的开始阶段数据误差较大的情况，从而有效提高生态效度。

光学运动捕捉技术可以捕捉人体（也包括训练器械）运动的数据，这些数据可以以Excel或TXT文档的形式输出，以便导入到SPSS或Matlab软件进行后期处理与分析。研究者可以对不同的数据之间的差异性和相关性进行检验。一般分析步骤为：第一步，对个体的运动学数据根据分析的起始点进行分段，每段数据包括前半段（启动阶段）和后半段（完成阶段），当然也可以对完整动作进行分析。第二步，对运动过程中出现的噪声，以二次曲线适配（y=a+bx+c^2）方式加以去除。〔5〕第三步，对数据进行相关分析或差异性检验。

为有效解决动作协调控制问题，可对所获数据进行主成分分析。具体来说，利用主成分分析缩减量的特性，经由对肢段变量在成分间的转移或是成分矩阵内容的改变的分析，找出不同落点之间动作的差异所在。当然这种对差异的筛选只是对动作整体的“面”的分析，要获取“点”的分析，还需要对数据进行相对相位分析。〔6〕研究者还可以利用自己建立的发展模型，测查动作发展数据之间的关系。

三、光学运动捕捉技术在幼儿动作研究中的应用

1.伸够抓握研究

伸够抓握物体的动作包括三个步骤：先将手臂从起始位置移动到靠近物体的位置，然后调整手的姿势以便于抓握物体，最后实施对物体的抓握操作。Gesell〔7〕和Halverson〔8〕最早开始对年幼儿童的伸够抓握发展进行实验研究，但受限于当时的技术水平，Gesell等研究者只能通过相机来记录儿童的动作，然后运用发生学原理来解释动作的发展情况。光学运动捕捉技术的出现和发展大大提高了幼儿动作研究的可信度。

Foroud和Whishaw运用光学运动捕捉技术，探索了幼儿在视觉引导的伸够中是如何使用并整合肘部、近端肢段、远端肢段等部位作用的问题。〔9〕他们通过对4名7～40周婴儿的纵向追踪，发现婴儿最初的前伸够阶段与口、肢体和手的运动激活相关。随着婴儿的成长，其伸够动作表现出对头、躯干和张嘴动作的控制。最后，婴儿肘关节的运动逐渐让位于上肢动作的调整。

Sacrey、Karl和Whishaw则对8名6～12个月大的婴儿和8名成人够取熟悉物体或者食物时的动作进行了运动学分析。〔10〕研究发现，伸够动作的成熟分三个阶段。第一阶段，未伸够到物体时，已经将手张开或收缩，以做好动作准备。第二阶段，为了将手收回，直接的收回动作会逐渐成熟为与反掌姿势有关。第三阶段，与旋转动作的成熟相关，错误的或者随机的手部移动和收回动作会发展成为对手-物体和物体-嘴部动作的准确定位。婴儿的动作发展存在双手伸够削减和右手单手伸够增加的现象。研究者认为，伸够动作的成熟过程包含了手的旋转和提前张开的发展过程，这得益于对优势手的视觉、身体感觉的引导。

2.工具使用研究

早期儿童的自发动作（反射动作与刻板动作）是近年来动作研究关注的一个焦点。反射动作与刻板动作变异性大的特点是对幼儿动作研究者的一项大挑战，而光学运动捕捉技术以“采样速率高”“无电缆约束”等特点解决了这一问题。目前，Kahrs等人对婴儿敲击木块或带柄木制品时的动作进行了捕捉与分析，发现手部敲击动作在婴儿出生后半岁到1岁的时间里发生了很大变化：敲击动作更加符合使用敲击式工具的特征，而手部的动作也伴随婴儿年龄的增加逐渐变得稳定。此外，研究还发现，婴儿在敲击物体时手运动峰值速度的变异性在逐渐缩小，这使得婴儿能够准确、可信地预测自己动作行为的结果，从而增强了对动作的控制力度。此外，婴儿敲击时的垂直轨迹也随着年龄的增长变得更加直接。婴儿通过不断上下移动自己的手（刻板动作），改进了使用工具进行敲击的动作，而更加平滑的垂直轨迹使得婴儿在敲击物体时减少了侧敲（比如没有敲中物体）情况的发生。〔11〕这些研究为早期儿童自发动作，如刻板动作对后期动作发展的重要性，提供了事实依据。

3.投掷研究

投掷是学前儿童的一项重要动作技能。运用光学运动捕捉技术研究幼儿的投掷运动发现，当面向高目标（超过视线水平高度）铁环投掷时，幼儿肱骨角度的分散程度较大，而面向低目标（低于视线水平高度）铁环投掷时，肱骨角度分散程度较小。4岁幼儿投掷时倾向于把上臂抬得很高，但这种运动策略对投中目标并没有太大帮助，这是个体投掷技能不成熟的表现。不过，4岁幼儿并不总是在面向高目标铁环投掷时会产生多余的手臂动作，因为他们有时会对目标高度的变化及时作出反应，表现为在面向高目标投掷时，会利用工具以创造更高的抛物轨迹。〔12〕因此，从教育学角度看，针对这一技能进行的重复训练，可能并不会产生太多的积极学习效果。

4.步态研究

光学运动捕捉技术为特殊儿童动作训练与康复提供了支持。研究者通过遍布全身的标记，了解脑瘫儿童行走时上肢与下肢的协调情况。研究发现，双侧瘫痪的脑瘫儿在步态周期的启动阶段表现出“肩关节外展、肘关节内收”的特征，这些特征有利于脑瘫儿童在行走时保持平衡和控制姿势。〔13〕

除了上述研究外，光学运动捕捉技术还广泛应用于其他研究领域，如面部表情、动画制作研究等。由于涉及的研究对象多以成人为主，故此处不作讨论。

四、需要注意的问题

光学运动捕捉技术的发展，为研究早期儿童动作发展、追踪儿童动作的动态性提供了支持，也为阐释动作之间的关联、动作发生发展不同时间段的连续性等提供了支持。这不仅大大丰富了动作研究手段，而且使得研究者对幼儿日常动作行为的分析变为可能，进而可为幼儿园教育教学提供更加细致的科学支持。然而，在使用光学运动捕捉技术对幼儿的动作进行研究时还需要注意以下几个问题。

第一，光学运动捕捉技术的数据反映的是幼儿身体关节等的运动学特征。这些运动学特征虽能提供有关幼儿身体关节等协调运动的信息，但这些信息通常具有表面性，还不足以作为对幼儿动作机制发展的根本解释。幼儿动作的产生和发展是肌肉、骨骼、神经等协同作用的结果。研究者在对运动学数据进行解释时，需要同时对产生该动作的肌肉、骨骼和神经等机制进行同步分析。从技术角度看，这需要将光学运动捕捉技术与肌电、脑电技术加以结合，从而多角度、多层次地阐释幼儿动作发生与发展的机制。

第二，光学运动捕捉技术的使用和数据分析需要专业人员的支持，光学运动捕捉技术虽然可以捕捉实时运动数据，但后期处理（包括标记的识别、跟踪、空间坐标的计算等）工作量较大，并对场地的光照、反射情况有一定要求，装置定标也较为烦琐。特别是研究复杂运动时，不同部位的标记可能发生混淆、遮挡等情况，这时就需要专业人员及时加以调适。〔14〕对缺少相关知识和技能的幼儿园教师来说，运用这一技术开展相关研究还是有较大难度的。

第三，光学运动捕捉技术原本大多应用于竞技类运动研究，近年来才逐渐向儿童发展研究领域扩展。在使用该技术对幼儿动作进行研究时，需充分考虑被试的特殊性（幼儿活泼好动、喜好游戏、注意力集中时间短等），尽量提高该技术应用的趣味性、游戏性等。

作为新技术，光学运动捕捉系统的投入较高，但其在儿童研究特别是早期儿童动作研究中的应用前景是非常广阔的。相信随着该技术在儿童研究领域的普及，人们对幼儿动作的研究将会越来越细致，可以帮助解决幼儿园教育实践中的某些问题。

参考文献：

〔1〕向泽锐，支锦亦，徐伯初，等.运动捕捉技术及其应用研究综述〔J〕.计算机应用研究，2013，30（8）：2241-2245.

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〔5〕〔6〕杨聊聪.网球不同落点发球动作形态与前线索之研究〔D〕.台东：台东大学，2009.

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〔8〕HALVERSON H M. An experimental study of prehension in infants by means of systematic cinema records〔J〕. Genetic Psychology Monographs，1931，（10）：107-286.

〔9〕FOROUD A，WHISHAW I Q.The consummatory origins of visually guided reaching in human infants：A dynamic integration of whole-body and upper-limb movements〔J〕.Behavioural Brain Research，2012，231（2）：343-355.

〔10〕SACREY L A R，KARL J M，WHISHAW I Q.Development of rotational movements， hand shaping， and accuracy in advance and withdrawal for the reach-to-eat movement in human infants aged 6-12 months〔J〕.Infant Behavior and Development，2012，35（3）：543-560.

〔11〕KAHRS B A，JUNG W P，LOCKMAN J J.Motor origins of tool use〔J〕.Child Development，2013，84（3）：810-816.

〔12〕YOOJIN CHOI.Changes in throwing pattern and perceptual judgment as the function of task variations for young children〔D〕.Grand：West Virginia University，2010.

〔13〕GALLI M，CIMOLIN V，ALBERTINI G，et al.Kinematic analysis of upper limb during walking in diplegic children with cerebral palsy〔J〕.European Journal of Paediatric Neurology，2014，18（2）：134-139.

【Abstract】Optical motion capture technology is becoming one of the most important research methods for sports biomechanics since this technology has the features of small limitation， high sampling rates， low system costs and more variety of sampling data. This paper introduces the principles， characteristics， data analysis methods of this technology and its application in prehension， tool use， and throwing and gait analysis. Furthermore， the paper points out the key issues of optical motion capture technology.

【Keywords】optical motion capture technology； children； movements