激光掃描技術(shù)在自由式滑雪運(yùn)動(dòng)員三維人體模型建立中的應(yīng)用*

關(guān)欣，王新，白巍，付彥銘,3

(1. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)體育教學(xué)部,遼寧 沈陽(yáng) 110866;2.沈陽(yáng)體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110102;3. 東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819)

激光掃描技術(shù)在自由式滑雪運(yùn)動(dòng)員三維人體模型建立中的應(yīng)用*

關(guān)欣1，王新2，白巍2，付彥銘2,3

(1. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)體育教學(xué)部,遼寧 沈陽(yáng) 110866;2.沈陽(yáng)體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110102;3. 東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819)

為了縮短體育運(yùn)動(dòng)中人體運(yùn)動(dòng)技能分析過(guò)程人體模型構(gòu)建周期和提高構(gòu)建精度。采用激光掃描技術(shù)，對(duì)自由式滑雪運(yùn)動(dòng)員在助滑階段的幾個(gè)主要?jiǎng)幼鬟M(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以“實(shí)物-設(shè)計(jì)意圖-三維重構(gòu)-再設(shè)計(jì)”框架為流程，建立自由式滑雪運(yùn)動(dòng)員三維人體模型。研究發(fā)現(xiàn)在采用激光掃描技術(shù)得到表面的幾何數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，人體模型的構(gòu)建還要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)拼合、簡(jiǎn)化、三角化、去噪等預(yù)處理，再進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)分塊、曲面擬合，最終進(jìn)行模型重構(gòu)。探討了運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究領(lǐng)域人體模型構(gòu)建的新方法，提高人體模型構(gòu)建效率，為體育科學(xué)人體運(yùn)動(dòng)研究提供基礎(chǔ)模型。

激光掃描技術(shù)；自由式滑雪；三維人體模型

自由式滑雪空中技巧項(xiàng)目是我國(guó)選手在冬奧會(huì)雪上項(xiàng)目奪金的突破口，也是沈陽(yáng)體育學(xué)院特色運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。該項(xiàng)目技巧性很高，動(dòng)作結(jié)構(gòu)由助滑、起跳、空中翻轉(zhuǎn)、落地四部分組成。在自由式滑雪空中技巧項(xiàng)目中, 助滑階段為出臺(tái)提供速度儲(chǔ)備, 只有運(yùn)動(dòng)員儲(chǔ)備了充足的助滑速度, 才能高質(zhì)量完成技術(shù)動(dòng)作。以往隊(duì)員在訓(xùn)練中采取憑借本體感覺和經(jīng)驗(yàn)完成人體對(duì)速度的控制，而實(shí)際上這種感覺或經(jīng)驗(yàn)在諸多外借因素干預(yù)的情況下就失去了效用。在體育事業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，運(yùn)動(dòng)員為取得佳績(jī)不僅僅要有刻苦的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，也需要足夠的科學(xué)技術(shù)支持。虛擬的人體模型對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行合理的評(píng)判成為生物力學(xué)研究的主要方法和手段之一。即通過(guò)人體測(cè)量學(xué)、人體工程學(xué)等相關(guān)方法建立科學(xué)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型, 對(duì)運(yùn)動(dòng)員人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真[1,2]。

本研究采用更為先進(jìn)的激光掃描技術(shù)，對(duì)自由式滑雪運(yùn)動(dòng)員在助滑階段的幾個(gè)主要?jiǎng)幼鬟M(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以“實(shí)物-設(shè)計(jì)意圖-三維重構(gòu)-再設(shè)計(jì)”框架為工作過(guò)程，建立自由式滑雪運(yùn)動(dòng)員三維人體模型。運(yùn)用了逆向工程這種先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，對(duì)實(shí)物樣件進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集，得到表面的幾何數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)拼合、簡(jiǎn)化、三角化、去噪等預(yù)處理，再進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)分塊、曲面擬合，最終進(jìn)行模型重構(gòu)。[3-5]為后續(xù)研究外部因素對(duì)助滑階段的影響提供了更為合理、準(zhǔn)確的依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 研究對(duì)象與方法

本課題基于激光掃描技術(shù)的自由式滑雪運(yùn)動(dòng)員的三維人體模型數(shù)據(jù)采集對(duì)象為目前擁有世界第一難度動(dòng)作、總積分排名世界第一的中國(guó)女子自由式滑雪運(yùn)動(dòng)員徐夢(mèng)桃，以及第24屆大冬會(huì)男子自由式滑雪空中技巧冠軍賈宗洋。

激光掃描設(shè)備采用北京體育大學(xué)引進(jìn)的三維人體掃描儀(Anthroscan 3D VITUS)，該設(shè)備是為精確獲得人體三維數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)。通過(guò)基于激光光學(xué)三角測(cè)量原理，快速、準(zhǔn)確、無(wú)接觸地完成大于100項(xiàng)人體關(guān)鍵尺寸自動(dòng)測(cè)量，自動(dòng)根據(jù)測(cè)量方案輸出人體測(cè)量數(shù)據(jù)。該設(shè)備為建立人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)、生理解剖、人機(jī)工效學(xué)、專業(yè)人群選材(運(yùn)動(dòng)員、特種部隊(duì)、藝術(shù)專業(yè))、服裝設(shè)計(jì)等科研單位的人體數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)處理提供了全面的解決方案。

本研究的主要研究對(duì)象為自由式滑雪運(yùn)動(dòng)員在助滑坡上所做的各種動(dòng)作(以下稱助滑階段)對(duì)出臺(tái)速度的影響。在人體模型劃分上采用日本松井秀智人體模型的相關(guān)參數(shù)作為校正。即把人體分為頭、頸、軀干、上臂(雙側(cè))、前臂(雙側(cè))、手(雙側(cè))、大腿(雙側(cè))、小腿(雙側(cè))、足(雙側(cè))十五個(gè)環(huán)節(jié)。在助滑階段，姿態(tài)可分為啟動(dòng)滑行——(下蹲)后半蹲滑行——(蹬伸結(jié)束)準(zhǔn)備展體——(展體)上舉手臂。利用三維人體掃描儀對(duì)兩位運(yùn)動(dòng)員在助滑階段分別順次采集了六個(gè)動(dòng)作姿態(tài)，記作A、B、C、D、E、F，如圖1。采集對(duì)象要穿戴正式的滑雪器材包括滑雪靴、運(yùn)動(dòng)服、滑雪帽、手套等。滑雪板及滑雪杖的器材將在后序三維模型處理過(guò)程中添加。

2 過(guò)程與分析

三維激光掃描技術(shù)是一門新興的測(cè)繪技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命。三維激光掃描技術(shù)是基于激光測(cè)距原理，借助三維激光掃描儀發(fā)射激光，通過(guò)特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法獲得實(shí)物表面離散的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)的測(cè)量技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地獲取適當(dāng)距離靜態(tài)物體的空間三維信息,并且能深入到復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行作業(yè)，因而為快速建立復(fù)雜物體的空間框架提供了一種便捷手段。[5]三維激光掃描技術(shù)是一種新興的數(shù)據(jù)獲取方式，又稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，能夠完整并高精度地重建掃描實(shí)物及快速獲取原始測(cè)繪數(shù)據(jù)。由于其具有高精度、高速度、立體掃描等特性，該技術(shù)可以真正做到直接從實(shí)物中進(jìn)行快速的逆向三維數(shù)據(jù)采集及模型重構(gòu)，無(wú)需進(jìn)行任何實(shí)物表面處理，其激光點(diǎn)云中的每個(gè)三維數(shù)據(jù)都是直接采集目標(biāo)的真實(shí)數(shù)據(jù)，使得后期處理的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠。

圖1 自由式滑雪運(yùn)動(dòng)員的六個(gè)動(dòng)作姿態(tài)

本文是利用三維人體掃描儀對(duì)滑雪運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行激光掃描點(diǎn)云，并生成準(zhǔn)確的數(shù)字模型，然后用Geomagic Studio軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)據(jù)處理工作主要包括：數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化、噪音過(guò)濾、和數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、孔填充、松弛表面等。預(yù)處理后生成的igs文件導(dǎo)入pro/ENGINEER軟件中，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行重新造型，刪除不理想的曲面，創(chuàng)建光順的曲面，最終建立滑雪運(yùn)動(dòng)員的三維人體曲面模型，后續(xù)可導(dǎo)入ANSYS, FLUENT等軟件中進(jìn)行有限元分析。[6,7]如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理與分析過(guò)程

2.1 Geomagic Studio對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理

Geomagic Studio 是Geomagic公司出品的逆向工程和三維檢測(cè)軟件，可輕易地再掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)絡(luò)，并可自動(dòng)將其轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。

2.1.1 數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化

由Anthroscan 3D VITUS 三維人體掃描儀獲得的人體三維數(shù)據(jù)為SCN格式，需進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化，才能將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio逆向工程軟件中進(jìn)行預(yù)處理。[7,8]數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化的方法是：

1)修改擴(kuò)展名：將每個(gè)文件名為 “*.scn”的擴(kuò)展名scn改為txt.(例如yundongyuan1.scn yundongyuan1.txt)

2)導(dǎo)入點(diǎn)云模型：?jiǎn)?dòng)Geomagic，將上述文件拖入程序中，或者點(diǎn)擊“打開”，選中拓展名為“txt”的文件。

2.1.2 濾除噪聲點(diǎn)

Anthroscan 3D VITUS 三維人體掃描儀的數(shù)據(jù)采集方法為非接觸式測(cè)量，易受環(huán)境光線及雜散光影響，故噪聲高，需要進(jìn)行噪聲信號(hào)處理。先人工圈選刪除大片孤立的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后由軟件自動(dòng)過(guò)濾掉超過(guò)設(shè)定閾值的孤立噪聲點(diǎn)。

2.1.3 孔填充

由于被測(cè)滑雪運(yùn)動(dòng)員在激光掃描時(shí)受到滑雪服等物體的阻擋，或者對(duì)于一些細(xì)節(jié)位置，如邊界、縫隙或曲面變化較大的曲面部分容易丟失數(shù)據(jù)，因而需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)缺。[9]如圖3.2所示

2.1.4 數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)

經(jīng)Anthroscan 3D VITUS 三維人體掃描儀采集的數(shù)據(jù)密度很高，經(jīng)以上步驟處理后的運(yùn)動(dòng)員點(diǎn)云可能還含有幾十萬(wàn)、幾百萬(wàn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，在利用軟件對(duì)圖形進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，它占據(jù)很大一部分計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，嚴(yán)重影響后續(xù)算法的效率， 因此需要按一定的要求，設(shè)置一個(gè)采樣百分比就可以將點(diǎn)云數(shù)據(jù)均勻減少。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失造成的孔

2.1.5 保存數(shù)據(jù)

由Geomagic Studio保存成IGS格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不能導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行曲面分析，因此需進(jìn)一步導(dǎo)入pro/ENGINEER軟件中，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重構(gòu)。

2.2 pro/ENGINEER對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重新造型

“重新造型”是一種逆向工程模式，它是一個(gè)直接建模的環(huán)境，可使用不同的工具來(lái)獲得期望的曲面形狀和屬性。[10]自由式滑雪運(yùn)動(dòng)員的三維人體模型是一個(gè)封閉的多面模型，而且沒有銳邊結(jié)構(gòu)，所以可以使用覆蓋曲面的方法來(lái)重建曲面模型，如果結(jié)構(gòu)不合理，可以通過(guò)修改來(lái)完善。

2.2.1 模型重構(gòu)前的預(yù)處理

單擊pro/ENGINEER的“插入”/“小平面特征”命令，輸入由Geomagic Studio保存成IGS格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)后對(duì)小平面進(jìn)行包絡(luò)處理。進(jìn)行包絡(luò)處理后，會(huì)在模型的空隙部位(如：手臂與軀干之間、兩腿之間)生成腹板面，腹板面會(huì)影響幾何形狀，必須去除。[11]如圖4所示。

圖4 去除腹板前后照片

去除腹板后，對(duì)小平面進(jìn)行精整、分樣、松弛等操作，使小平面變得光滑，最后進(jìn)行“生成集管”，把 整個(gè)小平面特征以相鄰邊集成為一體，無(wú)此步驟，后續(xù)的重新造型將不能進(jìn)行。

2.2.2對(duì)模型進(jìn)行重新造型

進(jìn)入重新造型后，對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行曲面的劃分，則曲面創(chuàng)建完成，旋轉(zhuǎn)模型進(jìn)行觀察，在曲面的轉(zhuǎn)折過(guò)渡的部分出現(xiàn)了褶皺和變形，對(duì)于位置和結(jié)構(gòu)不正確的曲面或曲線，我們將其刪除，創(chuàng)建新的理想的曲線和曲面(如圖5所示)，并重新建立曲面之間的約束，這樣所需要的自由式滑雪運(yùn)動(dòng)員的曲面模型就完成了(如圖6所示)。[10-13]

圖5 修改褶皺和變形的曲面

圖6 重新造型后的運(yùn)動(dòng)運(yùn)曲面模型之一

2.2.3 保存數(shù)據(jù)

將pro/ENGINEER 重新造型后的三維曲面模型保存成IGS格式的文件，可后續(xù)的導(dǎo)入ANSYS、FLUENT進(jìn)行曲面分析。

3 小結(jié)

空氣阻力大小對(duì)自由式滑雪空中技巧項(xiàng)目人體滑行速度的影響很大，要想模擬出人體以不同姿勢(shì)、不同速度滑行時(shí)的空氣阻力變化，最首要的就是要獲得人體的三維模型。由于人體形狀為復(fù)雜的曲面，要對(duì)其進(jìn)行較為精確的測(cè)量并獲得全面細(xì)致的人體數(shù)據(jù)是很困難的。因此人體曲面數(shù)據(jù)的獲取是建立三維人體模型的前提，也是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的工作。本文采用激光掃描技術(shù)對(duì)滑雪運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行激光掃描點(diǎn)云的方法，打破了傳統(tǒng)的采用軟尺、測(cè)高計(jì)、滑動(dòng)計(jì)等手工工具，或者采用照片對(duì)人體輪廓進(jìn)行追蹤的人體測(cè)量方法，測(cè)量數(shù)據(jù)快，測(cè)量面積大，數(shù)據(jù)較為完整。

本文首先運(yùn)用激光掃描技術(shù)獲得的人體各個(gè)部位的形狀數(shù)據(jù)，通過(guò)Geomagic Studio和pro/ENGINEER三維逆向工程軟件，實(shí)現(xiàn)格式的轉(zhuǎn)換，通過(guò)數(shù)據(jù)拼合、簡(jiǎn)化、三角化、去噪等預(yù)處理，再進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)分塊、曲面擬合，最終進(jìn)行模型重構(gòu)。將缺失的、褶皺的人體點(diǎn)云轉(zhuǎn)化為完整的、光順的曲面模型。進(jìn)入重新造型后，對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行曲面的劃分，則曲面創(chuàng)建完成，刪除對(duì)于位置和結(jié)構(gòu)不正確的曲面或曲線。創(chuàng)建新的理想的曲線和曲面后續(xù)可導(dǎo)入ANSYS、FLUENT等軟件中進(jìn)行受力分析。不僅實(shí)現(xiàn)了將激光掃描技術(shù)在自由式滑雪運(yùn)動(dòng)員三維人體模型建立上的應(yīng)用，為以后將這一科學(xué)技術(shù)運(yùn)用在運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作的分析與創(chuàng)新，降低運(yùn)動(dòng)員受到傷害的可能性，提高運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練成績(jī)與競(jìng)技水平做下了鋪墊。

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Application of Laser Scanning Technology in the Three-dimensional Human Body Model Establishment of Freestyle Skiing Athletes

GUAN Xin1,WANG Xin2，BAI Wei2， FU Yan-ming2,3
(1. Dept.of P.E.，Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866,China;2. Institute of human movement science Shenyang Sport University， Shenyang 110102,China;3. Institute of mechanical engineering and automation Northeastern University， Shenyang 110102,China)

In order to shorten the analysis process of human body movement skills and human body model building cycle, and improve the building precision, the paper, by means of laser scanning technology, collects the data of the freestyle skiing athletes' main actions in slipping stage, and establishes freestyle skiing athletes three-dimensional human body model, taking "objects - design intent - 3D reconstruction -redesign as a framework. It is found that the human body model building needs such pretreatments as data integration, simplification, triangularization, and denosing on the basis of applying the laser scanning technology in the geometric data, and then the measurement of data block and curved surface fitting, finally the reconstruction of the model. The paper makes a research on the new way of the human body model building in the sports biomechanics fields, aiming at improving the efficiency of human body model building, and providing the basic model for the human movement study in sports science.

Laser scanning technologr; Freestyle skiing; Three dimensional body model

2013-11-06

關(guān)欣(1979-)，女，遼寧撫順人，講師

研究方向：運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練理論與實(shí)踐

2011年國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目，項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：11102120;2012年遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目，項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：L2012411

G80

A

1007-323X(2014)01-0092-04