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摘要:在計(jì)算機(jī)中顯示的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)運(yùn)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作是以為三維立體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)解析影像為主，三維立體機(jī)具有復(fù)雜的人機(jī)對(duì)話功能，同時(shí)也能反饋三維形式的動(dòng)畫，這樣運(yùn)動(dòng)員或是教練員就可以直接進(jìn)行影像解析，從而服務(wù)于體育運(yùn)動(dòng)。想要建立直觀的三維運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)動(dòng)作技術(shù)立體效果，不僅需要建立人體運(yùn)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作模型，同時(shí)也需要使用計(jì)算機(jī)三維編程技術(shù)。所以，本文將會(huì)針對(duì)構(gòu)建運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)中三維人體運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞:三維計(jì)算機(jī)立體顯示;運(yùn)動(dòng)生物力學(xué);三維計(jì)算機(jī)編程技術(shù);人體模型

引言

三維人體模型在網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境、動(dòng)畫、影視中使用比較多，而且具有一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。但是關(guān)于人體模型的標(biāo)準(zhǔn)缺少不統(tǒng)一的，這對(duì)系統(tǒng)的兼容性提出了很高的要求。最早的三維人體模型是應(yīng)用在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫中的，隨后開始有研究提出各種人體結(jié)構(gòu)仿真軟件。對(duì)于運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)更好的掌握人體運(yùn)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作，是提高自身技術(shù)和體能的關(guān)鍵。

1運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)解析影像和軟件系統(tǒng)概述

在多數(shù)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究中，主要是針對(duì)這幾中問(wèn)題進(jìn)行研究:(1)技術(shù)完善對(duì)策;(2)運(yùn)動(dòng)員身體特征、結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)技能;(3)最佳運(yùn)動(dòng)技術(shù)。這幾個(gè)問(wèn)題都是存在聯(lián)系的，也就說(shuō)針對(duì)考察運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)機(jī)能和身體結(jié)構(gòu)需要探索更好的技術(shù)，所以，關(guān)于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)相關(guān)技術(shù)的研究成為重要方向。在研究運(yùn)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作中，需要獲取運(yùn)動(dòng)員每個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信息，但是在實(shí)際試驗(yàn)操作中，不能直接在運(yùn)動(dòng)員身上進(jìn)行分析，所以，它需要接受一定的攝影技術(shù)，比如:生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)解析影像的軟件系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。目前，使用比較多的運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)是有美國(guó)公司ArielDynamics和德國(guó)SIMI公司研發(fā)的設(shè)備。生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)解析影像軟件分析系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量技術(shù)動(dòng)作的能力，從而得到關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)常用的參數(shù)。隨著體育運(yùn)動(dòng)競(jìng)技的發(fā)展，人們對(duì)于測(cè)量運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，建立人體三維運(yùn)動(dòng)模型越來(lái)越重視，而且在生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)診斷，這項(xiàng)技術(shù)的使用還是比較廣泛的，它能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)立體展示。

2運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)三維計(jì)算機(jī)立體顯示

三維計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)運(yùn)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作立體顯示，首先需要進(jìn)行生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析，建立一個(gè)相對(duì)復(fù)承系統(tǒng)，從雜的人雜的人而實(shí)現(xiàn)三饋，將機(jī)維動(dòng)畫快速反對(duì)話繼機(jī)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作直接顯示出來(lái)。這種方法是利用數(shù)據(jù)對(duì)話繼運(yùn)、曲線和三同協(xié)作，利用維圖像一三維圖像，直接反饋視覺信息，從而指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練。通過(guò)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以精確進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作相關(guān)參數(shù)的分析。利用曲線，可以反映每位運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作的角度和軌跡等參數(shù)。在英國(guó)SheffHallam大學(xué)相關(guān)員提出了一種體育擬體操運(yùn)動(dòng)科研人虛模擬系統(tǒng)(見圖1)，該系統(tǒng)可以將運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作表現(xiàn)展現(xiàn)出來(lái)，這對(duì)運(yùn)動(dòng)員不斷完善動(dòng)作技術(shù)有很大的幫助。體操運(yùn)動(dòng)員也可以直接虛擬器械接觸這樣計(jì)算機(jī)才能更好的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員人體動(dòng)作模擬，從而輸出三維立體結(jié)果，這不僅能夠知道運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)作完

2.1三維立體計(jì)算機(jī)顯示的操作過(guò)程在建立三維計(jì)算機(jī)立體顯示過(guò)程中，需要完成以下操作:(1)根據(jù)人體模型理論為基礎(chǔ)，建立針對(duì)某類動(dòng)作的簡(jiǎn)單人體模型;(2)通過(guò)多個(gè)攝像機(jī)從不同角度捕捉運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作，完成現(xiàn)場(chǎng)攝像;(3)通過(guò)解析影像軟件，得到三維空間人體關(guān)節(jié)坐標(biāo)和其他運(yùn)動(dòng)參數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù);(4)通過(guò)骨骼圖、剛體圖、棍圖、實(shí)體人體圖，在計(jì)算機(jī)上限制人體運(yùn)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作(見圖2)。

2.2選擇人體模型在建立整個(gè)三維立體顯示中，首先就是進(jìn)行人體模型的選擇，針對(duì)某類簡(jiǎn)單的動(dòng)作建立模型。在體育運(yùn)動(dòng)中，分體比較復(fù)雜運(yùn)動(dòng)動(dòng)作是的析的人，一般都進(jìn)行簡(jiǎn)化是將人體，多是選擇剛體系統(tǒng)來(lái)構(gòu)成人體模型運(yùn)動(dòng)動(dòng)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模力學(xué)型。選擇剛體形式的人體模型，一般都是選擇一些圓柱體、球體或是椎體表示。在1984年注明的Hanavan科研人員提出了一種navanHa模型，他將人密15個(gè)實(shí)心剛度不同體分成的體(見圖3左圖)。建立這種模型使用相對(duì)方便，而且在模型的質(zhì)量每個(gè)和集合環(huán)節(jié)尺寸，都可以根據(jù)測(cè)量人體25個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)，建立回歸方程確定。通過(guò)這種模型可以快速計(jì)算中人體運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)的質(zhì)心、重量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等相關(guān)數(shù)據(jù)。VanGheluwe研究人員提出了對(duì)運(yùn)動(dòng)員空翻轉(zhuǎn)體動(dòng)作的模擬，該研究反應(yīng)了髖關(guān)節(jié)扭曲成都和手臂不對(duì)稱擺動(dòng)會(huì)影響空翻轉(zhuǎn)體整個(gè)動(dòng)作過(guò)程。Hubbarel等人模擬了撐桿跳動(dòng)作，他對(duì)撐桿的最佳剛度和長(zhǎng)度，以及人體最佳的運(yùn)動(dòng)初始狀態(tài)等。關(guān)于hanavan模型存在幾點(diǎn)比較嚴(yán)重的缺陷:(1)環(huán)節(jié)和環(huán)節(jié)之間是相互獨(dú)立的;(2)在假設(shè)人體環(huán)節(jié)中見人體作為剛體進(jìn)行分析;(3)每個(gè)環(huán)節(jié)內(nèi)部密度是相同的。這對(duì)于現(xiàn)實(shí)中的人體來(lái)說(shuō)完全不合理，而且人體運(yùn)動(dòng)動(dòng)作是相對(duì)復(fù)雜的。南非Hatze提出了一種針對(duì)人體詳細(xì)的模型構(gòu)建(見圖3右圖)，它建立是一種包括人體神經(jīng)系統(tǒng)、肌肉、骨骼的綜合剛體模型。該模型中的神經(jīng)系統(tǒng)傳遞、肌肉功能可以通過(guò)合理的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)形式來(lái)描述。從理論上分析，這種模型具有很強(qiáng)的嚴(yán)密性、完整性，比普通的剛體具有的優(yōu)勢(shì)多，而且與現(xiàn)實(shí)人體特征比較接近。在1975年國(guó)際生物力學(xué)第五屆大會(huì)中，Hatze發(fā)表了一篇踢腳動(dòng)針對(duì)優(yōu)化作的論途徑文，經(jīng)過(guò)發(fā)現(xiàn)該實(shí)際測(cè)試計(jì)算結(jié)果理論預(yù)測(cè)和實(shí)際非常吻合。為了增強(qiáng)模型的實(shí)用性，Haze還進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)同步測(cè)量，建立了一個(gè)較為完善的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，包括內(nèi)部阻尼系數(shù)、各項(xiàng)系統(tǒng)慣性參數(shù)測(cè)量等。他的研究方法就是將計(jì)算、理論推到、建模、實(shí)測(cè)融為一體。在1981年，Haze發(fā)表了一篇關(guān)于跳遠(yuǎn)的論文，他針對(duì)人體17個(gè)分解跳遠(yuǎn)動(dòng)作進(jìn)行模擬，這位Hatze方法的建立提供了基礎(chǔ)。Hatze經(jīng)過(guò)大量的數(shù)據(jù)計(jì)算和推到，Hatze模型被廣泛應(yīng)用。

2.3計(jì)算機(jī)三維立體顯示選擇編程技術(shù)完成人體簡(jiǎn)單動(dòng)作模型后，進(jìn)行影響解析需要參考一定的數(shù)據(jù)，這樣才能得到關(guān)于運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)參數(shù)。所以，通過(guò)計(jì)算機(jī)將人體剛體模型三維計(jì)算機(jī)立體顯示出來(lái)，關(guān)系到三維再現(xiàn)技術(shù)，以及計(jì)算機(jī)三維圖形語(yǔ)言。目前，使用比較多的就是3D語(yǔ)言，比如:Java3D、OpenGL、VRML、Direct3D語(yǔ)言等。這些語(yǔ)言可以為3D模型構(gòu)建提供幫助，同時(shí)建立多種多樣的3D圖形，從而實(shí)現(xiàn)三維圖形的數(shù)據(jù)交互。這種4中語(yǔ)言構(gòu)建圖形的操作技術(shù)主要包括:著色技術(shù)、反走樣、物體繪制技術(shù)、變換技術(shù)、光照模型技術(shù)、混合技術(shù)、就是處理透明和半透明技術(shù)、交互操作、霧化技術(shù)、紋理映別技術(shù)。也就是說(shuō)，選擇OpenGL、VRML、Direct3D、java3D和編程、三維建模結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)3D圖像的構(gòu)建。如果是構(gòu)建的環(huán)境不同，建立的模型應(yīng)用范圍和工作原理也會(huì)存在差異。從1992年OpenGL開始出現(xiàn)，該技術(shù)已經(jīng)成為了三維開放式圖形建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。OpenGL具有相對(duì)獨(dú)立的窗口、硬件等操作功能，通過(guò)OpenGL程序編寫的圖形不僅支持SUN、SGI和HP相關(guān)的圖形工作站，同時(shí)也能在微機(jī)環(huán)境下進(jìn)行運(yùn)作。也有很多公司將OpenGL集成到自己公司系統(tǒng)中，在各個(gè)窗口都能實(shí)現(xiàn)操作，比如:Win-dows和UNIX等。OpenGL支持圖形維圖件接口，它實(shí)際上形模型哭軟件，是一種應(yīng)用程軟件和硬就是一個(gè)三序的接口(API)。OpenGL自身與硬件是無(wú)關(guān)的，它只是一種編程接口，能夠在多數(shù)平臺(tái)上進(jìn)行操作。OpenGL具有高級(jí)三維造型命令，能夠提供一種基于點(diǎn)、多邊形、線等圖元，可以提供較為復(fù)雜的建模構(gòu)建。DirctX中比較重要它能夠在W的一個(gè)組件，它能夠在Windows各大ect3D平臺(tái)上提供三維開發(fā)工多媒屬于Dire微體和具。Direct3D不需要利用專門的設(shè)備，即可訪問(wèn)加速視頻硬件，而且Direct3D具有保留模式和立即模式兩種。相比較三件通信程應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)維加速硬，立即模于設(shè)備無(wú)一種式屬和關(guān)的方法，對(duì)于開發(fā)者，立即封裝模式和保留模式使用比較方便。立即模式是針對(duì)柵化三維流水線圖管理場(chǎng)景，建立、定點(diǎn)和控多邊形制命令，從而實(shí)現(xiàn)光形的光照、變換、訪問(wèn)。如果硬件系統(tǒng)不具備三維渲染功能，那么Direct3D可以為其提供強(qiáng)大的仿真功能。在開發(fā)三維應(yīng)用程序中，想要保證模型建立達(dá)到更好的水平，選擇合適的硬件和應(yīng)用程序是非常重要的。Java美國(guó)Sun計(jì)算機(jī)公司開發(fā)的一語(yǔ)言是由種計(jì)語(yǔ)言算機(jī)，開始年現(xiàn)出從1995以來(lái)，很多人利用這種輯計(jì)語(yǔ)言來(lái)編算機(jī)程序，特別是網(wǎng)絡(luò)相構(gòu)建與關(guān)的程序應(yīng)用。在OpenGL基礎(chǔ)上人們研發(fā)了Java3D技術(shù)，這種技術(shù)也是通過(guò)Java語(yǔ)言來(lái)建設(shè)三維圖形的，它其實(shí)也屬于一種訪位置，從而快速軟立合理的對(duì)件應(yīng)用程序。根據(jù)上述分析為SGI開發(fā)的，可以利用OpenGL作三庫(kù)，該技多的維圖形三維韓數(shù)據(jù)，在三大作用程序具有很維應(yīng)用。在三維動(dòng)畫軟件(比如:3DSMAX)、CAD軟件、三維游戲軟件、三維可視用OPenGL化軟件中是利進(jìn)行開發(fā)，都的。在Microsoft中是通過(guò)Direct3D來(lái)構(gòu)建的三維函數(shù)哭，Direct3D經(jīng)常在編制游戲軟件中使用，能夠支持網(wǎng)絡(luò)瀏覽器多媒體功能。Java3D是利用Java語(yǔ)言，根據(jù)面向?qū)ο螅?fù)雜的三維程序軟件，這種軟件可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)功能，具有很好的一致性和安全性。

3三維計(jì)算機(jī)立體顯示存在的問(wèn)題

關(guān)于人體空中動(dòng)作和步態(tài)動(dòng)作的研究比較少，而且目前的設(shè)備和理論無(wú)法更好實(shí)現(xiàn)該功能。在實(shí)際運(yùn)動(dòng)技術(shù)執(zhí)行中，還是會(huì)存在運(yùn)動(dòng)員和器械之間的腦噸，怎樣建立更好的人和機(jī)械的關(guān)系，利用計(jì)算機(jī)建立三維仿真和模擬，成為了運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究者的重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題。在建立三維計(jì)算機(jī)立體顯示中，很多人還是延用Hanava的理論構(gòu)建人體模型，但是因?yàn)樵撃Ｐ捅旧泶嬖诤芏嗳毕荩热?建立人體旋轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)、彎曲環(huán)節(jié)的動(dòng)作，所以，想要更好的進(jìn)行人分析，還需要體體模型更多的參數(shù)控制三維立。想要更好的描述人體三維運(yùn)動(dòng)模型，最主要的就是選擇運(yùn)動(dòng)學(xué)準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)中，研究者多會(huì)選擇高速攝像設(shè)采非常備，這種設(shè)備高，但是很多丟失運(yùn)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作，而且設(shè)備的比較昂貴，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)原始集頻率數(shù)據(jù)的功能，還是需要依賴計(jì)算機(jī)，這對(duì)與比賽現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量提供不了幫助。也有一些研究者會(huì)選擇市場(chǎng)中比較常見的數(shù)碼攝像機(jī)，比如:JVC、SONY等。這些攝像機(jī)可以儲(chǔ)存一些DV錄像帶火線I，也能夠支持E口EE1394接USB接口等非線性、筆記本電腦、的編輯。這些設(shè)備價(jià)格比較合理，攜帶方便，集攝像采，但是采率在50H相對(duì)較低，也會(huì)出現(xiàn)鍵幀的丟失情況，如果是選擇人工選取關(guān)節(jié)，需要操作人員具有較高的專業(yè)能力。

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作者：孫超 單位：西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院