光學運動捕捉技術(shù)在幼兒動作研究中的應(yīng)用

張義賓 秦金亮

（浙江師范大學杭州幼兒師范學院，杭州，310012）

·研究方法·

光學運動捕捉技術(shù)在幼兒動作研究中的應(yīng)用

張義賓 秦金亮*

（浙江師范大學杭州幼兒師范學院，杭州，310012）

光學運動捕捉技術(shù)是現(xiàn)代運動生物力學研究的主要手段之一，這一技術(shù)具有運動受限較小、采樣速率較高、系統(tǒng)擴充成本低、采集數(shù)據(jù)類型豐富等優(yōu)勢。本文主要介紹這一技術(shù)的原理、特點、流程、數(shù)據(jù)分析方法及其在幼兒伸夠抓握、工具使用、投擲以及步態(tài)分析等動作研究領(lǐng)域的應(yīng)用，并分析了應(yīng)用這一技術(shù)進行幼兒動作研究時需注意的若干問題。

光學運動捕捉技術(shù)；幼兒；動作

運動捕捉技術(shù)是指在一定空間范圍內(nèi)，通過對特殊標記點的跟蹤來捕捉記錄物體或人體的運動信息，然后將其轉(zhuǎn)換為可運用數(shù)學方式進行表達的運動的過程?！?〕這是現(xiàn)代運動生物力學研究的主要手段之一。該技術(shù)源自20世紀七八十年代生物力學領(lǐng)域中的攝影測量分析技術(shù)，現(xiàn)已拓展至軍事、娛樂、體育、醫(yī)學以及計算機視覺、機器人學等多個領(lǐng)域?！?〕根據(jù)不同的工作原理，運動捕捉技術(shù)可以分為光學式、機械式、電磁式、聲學式及基于視頻序列的捕捉式等5種類型，其中光學運動捕捉技術(shù)應(yīng)用最為普遍。光學運動捕捉技術(shù)作為生物力學實驗室常用的研究手段，受到國內(nèi)外研究者的青睞，例如明尼蘇達大學（University of Minnesota）、杜蘭大學（Tulane University）、上海體育學院、北京體育大學等都已經(jīng)運用這一技術(shù)開展了相關(guān)研究。本文主要介紹光學運動捕捉技術(shù)的原理、特點、流程、數(shù)據(jù)分析方法及其在幼兒運動領(lǐng)域的應(yīng)用。

一、光學運動捕捉技術(shù)的原理及特點

1.光學運動捕捉技術(shù)的原理

光學運動捕捉技術(shù)通過對目標上特定光點的監(jiān)視和跟蹤來完成運動捕捉任務(wù)。目前常見的光學式運動捕捉大多基于計算機視覺原理。從理論上說，對于空間中的一個點，只要它能同時為兩部攝像機所見，即可根據(jù)同一時刻兩部攝像機所拍攝的圖像和相機參數(shù)，確定這一時刻該點在空間中的位置。當攝像機以足夠高的速度連續(xù)拍攝時，從圖像序列中就可以得到該點的運動軌跡。

典型的光學運動捕捉系統(tǒng)通常使用6～8臺攝像機環(huán)繞拍攝場地排列，這些攝像機的視野重疊區(qū)域就是被試運動時的動作范圍。在進行光學運動捕捉時，研究者需要在被試身體的關(guān)鍵部位，如關(guān)節(jié)、髖部、肘、腕、手指等位置貼上一些特制的標記（marker），攝像系統(tǒng)將識別和處理這些標記。全部攝像機都連接到同步幀緩沖器（synchronized frame buffer）上，最終由計算機確定發(fā)光點坐標定位。這些數(shù)據(jù)往往通過反向運動學系統(tǒng)（inverse kinematics system）被模擬成骨骼模型。為了得到準確的運動軌跡，攝像機通常有較高的拍攝速度，一般要達到每秒60幀以上。

一個典型的光學運動捕捉系統(tǒng)一般包括：（1）傳感器。這是固定在運動物體特定部位的跟蹤裝置，它將向信號捕捉設(shè)備提供物體運動的位置信息。（2）信號捕捉設(shè)備。這是負責捕捉位置信號的設(shè)備，通常是高分辨率紅外攝像機。（3）數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。這是負責將大量運動數(shù)據(jù)從信號捕捉設(shè)備迅速、準確地傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)的設(shè)備。（4）數(shù)據(jù)處理設(shè)備。這是對信號捕捉設(shè)備捕捉到的數(shù)據(jù)進行修正、處理，然后與三維模型結(jié)合，從而完成數(shù)據(jù)處理的設(shè)備。這需要數(shù)據(jù)處理硬件和軟件設(shè)備一起來完成?！?〕

2.光學運動捕捉技術(shù)的特點

第一，光學運動捕捉技術(shù)具有“無電纜”“不受機械裝置限制”等特點，可以為被試提供較大的動作自由度，使用也更方便。第二，與其他類型的運動捕捉技術(shù)相比，光學運動捕捉技術(shù)采樣速率較高，可以滿足多數(shù)高速運動測量的需要?！?〕第三，光學運動捕捉技術(shù)中使用的標記成本較低，并便于系統(tǒng)擴充。第四，采集數(shù)據(jù)類型豐富，可以捕捉運動位置、速度、加速度、反應(yīng)時、距離、力、力矩、爆發(fā)力、屈曲-伸展、內(nèi)收-外展、旋轉(zhuǎn)等信息，數(shù)據(jù)更加真實、豐富。第五，光學運動捕捉技術(shù)的軟件具有可拓展性，可以兼容或集成其他軟件，實現(xiàn)多指標、多角度同步測量。

二、光學運動捕捉的流程及數(shù)據(jù)分析

光學運動捕捉技術(shù)的流程相對固定。第一步，標定系統(tǒng)，包括安裝系統(tǒng)、將鏡頭調(diào)試到合適位置、調(diào)試面板等。目前大多數(shù)的光學運動捕捉技術(shù)是采用由2～3個彼此垂直的平面組成的標定體進行標定的。第二步，給被試貼好標記。這需要研究者對人體骨骼有足夠的了解，能根據(jù)各個關(guān)節(jié)的自由度來調(diào)整標記的個數(shù)。最后，進行運動軌跡的捕捉，并進行數(shù)據(jù)的采集和分析。一般情況下，為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，需要被試多次連續(xù)不間斷地完成某項實驗任務(wù)，由研究者截取其中的連續(xù)片段進行分析。這樣做，可以在較大程度上減少被試由于緊張可能造成的開始階段數(shù)據(jù)誤差較大的情況，從而有效提高生態(tài)效度。

光學運動捕捉技術(shù)可以捕捉人體（也包括訓練器械）運動的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以以Excel或TXT文檔的形式輸出，以便導(dǎo)入到SPSS或Matlab軟件進行后期處理與分析。研究者可以對不同的數(shù)據(jù)之間的差異性和相關(guān)性進行檢驗。一般分析步驟為：第一步，對個體的運動學數(shù)據(jù)根據(jù)分析的起始點進行分段，每段數(shù)據(jù)包括前半段（啟動階段）和后半段（完成階段），當然也可以對完整動作進行分析。第二步，對運動過程中出現(xiàn)的噪聲，以二次曲線適配（y=a+bx+c^2）方式加以去除?！?〕第三步，對數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析或差異性檢驗。

為有效解決動作協(xié)調(diào)控制問題，可對所獲數(shù)據(jù)進行主成分分析。具體來說，利用主成分分析縮減量的特性，經(jīng)由對肢段變量在成分間的轉(zhuǎn)移或是成分矩陣內(nèi)容的改變的分析，找出不同落點之間動作的差異所在。當然這種對差異的篩選只是對動作整體的“面”的分析，要獲取“點”的分析，還需要對數(shù)據(jù)進行相對相位分析。〔6〕研究者還可以利用自己建立的發(fā)展模型，測查動作發(fā)展數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

三、光學運動捕捉技術(shù)在幼兒動作研究中的應(yīng)用

1.伸夠抓握研究

伸夠抓握物體的動作包括三個步驟：先將手臂從起始位置移動到靠近物體的位置，然后調(diào)整手的姿勢以便于抓握物體，最后實施對物體的抓握操作。Gesell〔7〕和Halverson〔8〕最早開始對年幼兒童的伸夠抓握發(fā)展進行實驗研究，但受限于當時的技術(shù)水平，Gesell等研究者只能通過相機來記錄兒童的動作，然后運用發(fā)生學原理來解釋動作的發(fā)展情況。光學運動捕捉技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展大大提高了幼兒動作研究的可信度。

Foroud和Whishaw運用光學運動捕捉技術(shù)，探索了幼兒在視覺引導(dǎo)的伸夠中是如何使用并整合肘部、近端肢段、遠端肢段等部位作用的問題?！?〕他們通過對4名7～40周嬰兒的縱向追蹤，發(fā)現(xiàn)嬰兒最初的前伸夠階段與口、肢體和手的運動激活相關(guān)。隨著嬰兒的成長，其伸夠動作表現(xiàn)出對頭、軀干和張嘴動作的控制。最后，嬰兒肘關(guān)節(jié)的運動逐漸讓位于上肢動作的調(diào)整。

Sacrey、Karl和Whishaw則對8名6～12個月大的嬰兒和8名成人夠取熟悉物體或者食物時的動作進行了運動學分析?！?0〕研究發(fā)現(xiàn)，伸夠動作的成熟分三個階段。第一階段，未伸夠到物體時，已經(jīng)將手張開或收縮，以做好動作準備。第二階段，為了將手收回，直接的收回動作會逐漸成熟為與反掌姿勢有關(guān)。第三階段，與旋轉(zhuǎn)動作的成熟相關(guān)，錯誤的或者隨機的手部移動和收回動作會發(fā)展成為對手-物體和物體-嘴部動作的準確定位。嬰兒的動作發(fā)展存在雙手伸夠削減和右手單手伸夠增加的現(xiàn)象。研究者認為，伸夠動作的成熟過程包含了手的旋轉(zhuǎn)和提前張開的發(fā)展過程，這得益于對優(yōu)勢手的視覺、身體感覺的引導(dǎo)。

2.工具使用研究

早期兒童的自發(fā)動作（反射動作與刻板動作）是近年來動作研究關(guān)注的一個焦點。反射動作與刻板動作變異性大的特點是對幼兒動作研究者的一項大挑戰(zhàn)，而光學運動捕捉技術(shù)以“采樣速率高”“無電纜約束”等特點解決了這一問題。目前，Kahrs等人對嬰兒敲擊木塊或帶柄木制品時的動作進行了捕捉與分析，發(fā)現(xiàn)手部敲擊動作在嬰兒出生后半歲到1歲的時間里發(fā)生了很大變化：敲擊動作更加符合使用敲擊式工具的特征，而手部的動作也伴隨嬰兒年齡的增加逐漸變得穩(wěn)定。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，嬰兒在敲擊物體時手運動峰值速度的變異性在逐漸縮小，這使得嬰兒能夠準確、可信地預(yù)測自己動作行為的結(jié)果，從而增強了對動作的控制力度。此外，嬰兒敲擊時的垂直軌跡也隨著年齡的增長變得更加直接。嬰兒通過不斷上下移動自己的手（刻板動作），改進了使用工具進行敲擊的動作，而更加平滑的垂直軌跡使得嬰兒在敲擊物體時減少了側(cè)敲（比如沒有敲中物體）情況的發(fā)生?！?1〕這些研究為早期兒童自發(fā)動作，如刻板動作對后期動作發(fā)展的重要性，提供了事實依據(jù)。

3.投擲研究

投擲是學前兒童的一項重要動作技能。運用光學運動捕捉技術(shù)研究幼兒的投擲運動發(fā)現(xiàn)，當面向高目標（超過視線水平高度）鐵環(huán)投擲時，幼兒肱骨角度的分散程度較大，而面向低目標（低于視線水平高度）鐵環(huán)投擲時，肱骨角度分散程度較小。4歲幼兒投擲時傾向于把上臂抬得很高，但這種運動策略對投中目標并沒有太大幫助，這是個體投擲技能不成熟的表現(xiàn)。不過，4歲幼兒并不總是在面向高目標鐵環(huán)投擲時會產(chǎn)生多余的手臂動作，因為他們有時會對目標高度的變化及時作出反應(yīng)，表現(xiàn)為在面向高目標投擲時，會利用工具以創(chuàng)造更高的拋物軌跡?！?2〕因此，從教育學角度看，針對這一技能進行的重復(fù)訓練，可能并不會產(chǎn)生太多的積極學習效果。

4.步態(tài)研究

光學運動捕捉技術(shù)為特殊兒童動作訓練與康復(fù)提供了支持。研究者通過遍布全身的標記，了解腦癱兒童行走時上肢與下肢的協(xié)調(diào)情況。研究發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)癱瘓的腦癱兒在步態(tài)周期的啟動階段表現(xiàn)出“肩關(guān)節(jié)外展、肘關(guān)節(jié)內(nèi)收”的特征，這些特征有利于腦癱兒童在行走時保持平衡和控制姿勢?！?3〕

除了上述研究外，光學運動捕捉技術(shù)還廣泛應(yīng)用于其他研究領(lǐng)域，如面部表情、動畫制作研究等。由于涉及的研究對象多以成人為主，故此處不作討論。

四、需要注意的問題

光學運動捕捉技術(shù)的發(fā)展，為研究早期兒童動作發(fā)展、追蹤兒童動作的動態(tài)性提供了支持，也為闡釋動作之間的關(guān)聯(lián)、動作發(fā)生發(fā)展不同時間段的連續(xù)性等提供了支持。這不僅大大豐富了動作研究手段，而且使得研究者對幼兒日常動作行為的分析變?yōu)榭赡?，進而可為幼兒園教育教學提供更加細致的科學支持。然而，在使用光學運動捕捉技術(shù)對幼兒的動作進行研究時還需要注意以下幾個問題。

第一，光學運動捕捉技術(shù)的數(shù)據(jù)反映的是幼兒身體關(guān)節(jié)等的運動學特征。這些運動學特征雖能提供有關(guān)幼兒身體關(guān)節(jié)等協(xié)調(diào)運動的信息，但這些信息通常具有表面性，還不足以作為對幼兒動作機制發(fā)展的根本解釋。幼兒動作的產(chǎn)生和發(fā)展是肌肉、骨骼、神經(jīng)等協(xié)同作用的結(jié)果。研究者在對運動學數(shù)據(jù)進行解釋時，需要同時對產(chǎn)生該動作的肌肉、骨骼和神經(jīng)等機制進行同步分析。從技術(shù)角度看，這需要將光學運動捕捉技術(shù)與肌電、腦電技術(shù)加以結(jié)合，從而多角度、多層次地闡釋幼兒動作發(fā)生與發(fā)展的機制。

第二，光學運動捕捉技術(shù)的使用和數(shù)據(jù)分析需要專業(yè)人員的支持，光學運動捕捉技術(shù)雖然可以捕捉實時運動數(shù)據(jù)，但后期處理（包括標記的識別、跟蹤、空間坐標的計算等）工作量較大，并對場地的光照、反射情況有一定要求，裝置定標也較為煩瑣。特別是研究復(fù)雜運動時，不同部位的標記可能發(fā)生混淆、遮擋等情況，這時就需要專業(yè)人員及時加以調(diào)適?！?4〕對缺少相關(guān)知識和技能的幼兒園教師來說，運用這一技術(shù)開展相關(guān)研究還是有較大難度的。

第三，光學運動捕捉技術(shù)原本大多應(yīng)用于競技類運動研究，近年來才逐漸向兒童發(fā)展研究領(lǐng)域擴展。在使用該技術(shù)對幼兒動作進行研究時，需充分考慮被試的特殊性（幼兒活潑好動、喜好游戲、注意力集中時間短等），盡量提高該技術(shù)應(yīng)用的趣味性、游戲性等。

作為新技術(shù)，光學運動捕捉系統(tǒng)的投入較高，但其在兒童研究特別是早期兒童動作研究中的應(yīng)用前景是非常廣闊的。相信隨著該技術(shù)在兒童研究領(lǐng)域的普及，人們對幼兒動作的研究將會越來越細致，可以幫助解決幼兒園教育實踐中的某些問題。

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On the Application of Optical Motion Capture Technology in Child Movements

Zhang Yibin，Qin Jinliang
（Hangzhou College for Kindergarten Teachers，Zhejiang Normal University，Hangzhou，310012）

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.

optical motion capture technology；children；movements

G610

A

1004-4604（2015）05-0043-04

*通訊作者：秦金亮，博士，浙江師范大學杭州幼兒師范學院院長、教授、博士生導(dǎo)師，E-mail:qjlzjnu@126.com