一种适用于人体运动学数据处理的平滑技术探索①

马占武　吴志丽（沧州师范学院　河北张家口　075000）

一种适用于人体运动学数据处理的平滑技术探索①

马占武吴志丽
（沧州师范学院河北张家口075000）

摘 要：目的 探索一种在MATLAB基础上的人体运动学数据处理方法。方法 通过MATLAB来读取经过由运动捕捉系统所测量的人体运动行为的坐标数据。通过对这些数据进行相关处理，去掉误差点，重新构建在人体上黏贴的刚体相邻的连接基，然后，运用刚体运动学的原理计算出刚体姿态和刚体的方向余弦阵，从而得到刚体各个关节部位的屈伸、内外展、内外旋角位移、刚体运动的加速度和角速度。结果 该文通过深蹲和上楼梯为例，应用海量人体运动学数据处理方法对下肢关节运动进行运动学分析，对该方法的有效性和准确性进行验证。结论 MATLAB的海量人体运动学数据处理方法能够满足对人体运动学数据进行快速准确的处理，作为一种工具被用于人体测量和人机工程学。

关键词：人体运动学人体测量数据处理平滑技术

吴志丽（1982，9—），女，回族，河北张家口人，硕士，讲师，研究方向：体育教育训练学。

在人工关节的产品开发中，根据亚洲人的典型运动行为习惯，通过运动捕捉系统通过监视跟踪粘附于各个人体部位的标记点来测量人体的下肢运动，进而得到人体上相关标记点的坐标数据。但是对传统的大量相关行为标记点的坐标数据进行统计和分析会浪费大量的时间，同时也是对人力、财力和物力的消耗，因此，探索出一种对大量人体运动学数据进行准确高效的批量处理的处理方法非常关键。该文在MATLAB基础上，探索出了一种可以通过对运动捕捉系统所测量的人体相关部位的运动坐标数据进行成批读取的方法。为人体测量学、人机工程学等提供了分析工具。

1　资料与方法

1.1一般资料

选取了50名测试志愿者，其中男性30人，女性20人，年龄22～27岁，身高150～185cm，平均身高167 cm，体重40～90 kg，平均体重65 kg。

1.2仪器

采用运动捕捉系统对人体相关的下肢运动进行捕捉。

1.3测量过程

读下肢与运动相关的7个部位：骨盆、左右大腿和小腿、左右脚，分别制作针对4个部位带有四个标记的刚体，对紧邻的标记点进行互相垂直连线，并进行7个部位的定义。因为，人体在运动过程中，下肢的某些部位如大腿和小腿在下蹲时肌肉会挤压和收缩而发生变形，所以，刚体黏贴在粘贴时要应该贴在运动变形较小的部位，避免贴在关节变形和肌肉收缩膨胀的地方，不会影响运动，有利于减小测量误差。对于摄像头无法采集或者标记点不方便黏贴的部位可以运用专业的虚拟标记点工具在刚体上设定特点的虚拟标记点。首先要确定虚拟标记点在人体的相关位置，然后系统就会根据刚体坐标对改点相对于刚体的空间进行自动计算，从而保持该点会随着刚体的运动而不会产生坐标改变，提前对系统进行设置，要求刚体与虚拟标记点的位置固定不会发生其他变化，因此要设置12个虚拟标记点，他们分别是左右踝关节内外髁、左右膝关节内外髁、左右股骨大转子和骨盆两侧髂前上棘。然后根据各个标记点的位置定义它们的名称，使得MATLAB读写更方便[2]。

做完准备活动之后，通过运动捕捉系统对志愿者的行为动作以及虚拟标记点的三维空间坐标的数据进行保存，方便后期处理[3]。

1.4批量读取文件

通过MATLAB与Excel的宏关联插件，使用数据读取函数，对下肢行为运动的数据进行读写，MATLAB与Excel通过宏关联实现数据读取与处理的无缝连接，从而使数据处理变得更快、更方便、更高效[4]。

1.5数据处理

数据处理要分成两步进行，在数据预处理阶段，主要是对运动捕捉系统中，在测量过程中由于遮挡或者其它原因造成的部分标记点坐标数据的缺失而造成的曲线断开现象进行数据插值修补，从而保证数据的完整。要注意插值获得的曲线要二阶连续可导，保证通过这种计算得到的角速度、角位移和加速度随时间的变化曲线能够准确连续。在对数据进行预处理后，就要根据虚拟点坐标来计算下肢骨骼解剖学参数[5]。

在计算关节运动学时，可以将这种算法等同于相对刚体之间的空间运动学来进行计算。比如，右小腿刚体相对于右大腿的运动学计算可以等效为右膝关节运动学计算，右踝关节运动学计算可以等效为右小腿刚体相对于右足刚体的运动学计算。右大腿刚体相对于骨盆刚体的运动学计算可以等效于右髋关节运动学计算。在人体运动过程中，粘附于人体上的刚体也会随着人体运动，也就是刚体的空间一般运动，这种方法适用于对人体各个关节的运动学计算。以刚体的位形坐标阵来表示对刚体姿态的描述，根据空间几何学知识和欧拉角定义可以对，髋关节在运动中的关节角度，关节内外展角度，关节内外旋角以及关节屈伸角进行一阶求导和二阶求导，进入计算出，髋关节的屈/伸、内外旋角速度、内外展和角加速度[6]。

2　结果

通过以上的方法，可以对运动捕捉系统获得的数据进行几次函数插值处理之后，可以构建出黏贴于骨盆和右大腿的相邻的刚体连接基，并将它作为关节运动学计算的连体基和参考基；在刚体运动学基础上，通过对刚体姿态的基本描述，计算出人体行为运动下，人体各个关节的屈伸，内外展，内外旋角度，角速度以及角加速度。另外，通过应用MATLAB对大量人群人体运动学数据进行批量处理的方法，对人体日常生活中下肢关节运动进行统计学分析计算，运用这个方法对50名志愿者在蹲坐时的关节曲展极限角度的平均值进行计算。

3　讨论

对人体运动的控制，一直是计算机动画制作领域中的具有挑战性的研究热点，尤其是近年来，随着虚拟的显示技术发展的快速推进，人们对人体运动生成的实时性和效果的逼真性提出了更加迫切的要求。科学技术的快速发展，推动了人体测量学和人体工程学在工业、医疗卫生、服装以及国防领域的广泛应用和发展。这些设计的前提都要对人的行为运动和姿态进行很好的分析。虽然，随着经济的发展，各种对人体运动学数据处理的软件都被开发利用，但是它们只能一个一个的进行手工操作处理，浪费大量人力和时间，不方便对大量数据的批量处理。因此，该文通过在MATLAB的基础上，对人体运动学数据的批量处理方法的开发，这种系统可以

对运动捕捉系统读取的标记点的坐标数据，然后通过这些数据构建连体基用来进行关节运动的相关计算，通过连体基和参考基来通过刚体运动学对刚体的姿态进行描述，为计算机对髋关节内外展、内外角//屈伸角速度和加速度的计算。并且通过应用MATLAB的大量人群人体运动学数据批量处理的方法，对人体日常生活中下肢关节运动进行统计学分析计算，运用这个方法对五十名志愿者在蹲坐时的关节曲展极限角度的平均值进行计算。这种方法能够对大批量的人体运动学数据进行高效、准确的处理和分析，提高了海量人体运动学统计分析的效率。

在对人体运动学数据进行处理时，由于观测数据在实验测量中会存在一定的误差，所以在计算一阶导数和二阶导数时，往往会产生更大的误差。如果计算方法不当甚至会出现与实际情况大相径庭的结果。因此，在MATLAB的基础上使用人体运动学数据批量处理的方法能有效提高海量数据的统计与分析。

参考文献

[1]尚鹏，白雪岭.基于MATLAB的海量人体运动学数据批处理方法[J].医用生物力学，2012，22（6）：67-68.

[2]洪迪安.一种适用于人体运动学数据处理的平滑技术[J].西安体育学院学报，2013，19（4）：152-155.

[3]施宝兴，魏文仪.影片数据平滑方法的研究——利用动力学数据积分平滑运动学数据的方法[J].西安体育学院学报，2011，26 （10）：903-905.

[4]王迪安，王云德，卢德明，等.对举重生物力学分析中数据平滑方法的研究[J].湖北体育科技，2012，15（19）：335-336.

[5]施宝兴.短跑途中跑支撑阶段运动学与动力学特征新研究[J].广州体育学院学报，2012，22（9）：103-105.

[6]宋伟，赵文，魏瑞晗，等.脊髓损伤恒河猴后肢步态数据处理方法的设[J].中国康复理论与实践，2013，22（13）：222-223.

作者简介：①马占武（1982，5—），男，回族，河北张家口人，硕士，讲师，研究方向：体育教育。

中图分类号：G804.6

文献标识码：A

文章编号：2095-2813（2015）04（b）-0012-02