基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)周施雄雙杠后上轉(zhuǎn)體450°成倒立動(dòng)作的分析

周繼和,王 帥,劉 藝,李 溪

ZHOU Jihe,WANG Shuai,LIU Yi,LI Xi

基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)周施雄雙杠后上轉(zhuǎn)體450°成倒立動(dòng)作的分析

周繼和,王 帥,劉 藝,李 溪

ZHOU Jihe,WANG Shuai,LIU Yi,LI Xi

在世界上,中國(guó)運(yùn)動(dòng)員周施雄首次完成雙杠后上轉(zhuǎn)體450°成倒立動(dòng)作。本文應(yīng)用三維錄像解析法對(duì)周施雄在比賽現(xiàn)場(chǎng)所做的后上轉(zhuǎn)體450°成倒立動(dòng)作采集運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù),利用沉浸式三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)獲得的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行重建,通過360°的旋轉(zhuǎn)再現(xiàn)觀察,以三維動(dòng)畫的形式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。研究發(fā)現(xiàn)周施雄在比賽中雖然完成了這一動(dòng)作,但還有待完善。主要問題有上擺階段伸髖較早、幅度稍大,導(dǎo)致在下一階段的轉(zhuǎn)體過程中單臂支撐的時(shí)候人體重心離支撐點(diǎn)的水平距離偏大,身體產(chǎn)生了傾斜,影響了之后的倒立動(dòng)作,另外在轉(zhuǎn)體階段兩腿并未完全并攏。

雙杠；后上轉(zhuǎn)體450°成倒立；虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

雙杠是男子競(jìng)技體操的項(xiàng)目之一,1896年列為奧運(yùn)會(huì)比賽項(xiàng)目。20世紀(jì)80年代以來(lái)雙杠一直是我國(guó)男子體操的優(yōu)勢(shì)項(xiàng)目之一。從1980年開始至2015年我國(guó)優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員李月久、樓云、李敬、黃力平、張京津、李小鵬、楊威等在世界體操大賽中共奪得十幾次雙杠世界冠軍。我國(guó)運(yùn)動(dòng)員能長(zhǎng)期的保持這個(gè)項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)地位和競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力,除了不斷的與時(shí)俱進(jìn)的創(chuàng)新高難動(dòng)作之外,還有一個(gè)重要原因就是不斷的提高前沿潮流動(dòng)作的質(zhì)量。

雙杠后上轉(zhuǎn)體450°成倒立達(dá)到了G組的高難度[1-2]。目前,在世界上該動(dòng)作由中國(guó)體操運(yùn)動(dòng)員周施雄(以下簡(jiǎn)稱“周”)首次完成,在全國(guó)體操錦標(biāo)賽雙杠決賽中,周施雄未能很好的完成此動(dòng)作。為此,為了改進(jìn)和提高這個(gè)動(dòng)作的質(zhì)量,更好的掌握動(dòng)作,從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面去研究這個(gè)動(dòng)作是十分必要的。我們?cè)诒荣惉F(xiàn)場(chǎng)拍攝了周的技術(shù)動(dòng)作,在采集到運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,建立三維的人體運(yùn)動(dòng)模型[3],通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)周雙杠后上轉(zhuǎn)體450°成倒立技術(shù)動(dòng)作的三維動(dòng)態(tài)亞實(shí)時(shí)的立體顯示再現(xiàn)[4]。經(jīng)過分析揭示雙杠后上轉(zhuǎn)體450°成倒立動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律和技術(shù)特點(diǎn),為體操雙杠運(yùn)動(dòng)員發(fā)展和改進(jìn)該動(dòng)作提供理論依據(jù)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為中國(guó)體操隊(duì)男子運(yùn)動(dòng)員周施雄,基本情況見表1。

表1 運(yùn)動(dòng)員基本情況

1.2 研究方法

1.2.1 三維錄像解析法

在全國(guó)體操錦標(biāo)賽現(xiàn)場(chǎng),對(duì)雙杠決賽進(jìn)行定點(diǎn)三維攝像。拍攝使用兩臺(tái)日產(chǎn)JVC 9800攝像機(jī)(50幀/秒),攝像機(jī)置于看臺(tái),距雙杠約25m,主光軸與雙杠水平面平齊,兩臺(tái)攝像機(jī)主光軸夾角約60°。運(yùn)用3-D Signal TEC V1.0C三維錄像解析系統(tǒng)對(duì)周完成雙杠后上轉(zhuǎn)體450°成倒立動(dòng)作進(jìn)行解析,獲得三維運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),坐標(biāo)系設(shè)置如圖1所示。選用日本松井秀治人體模型(21個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn),16個(gè)環(huán)節(jié))。原始數(shù)據(jù)經(jīng)低通濾波器平滑處理,截?cái)囝l率為6Hz。

圖1 坐標(biāo)系示意圖

1.2.2 沉浸式三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再現(xiàn)法

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VRT/Virtual Reality Technology),又稱靈境技術(shù),是20世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的一門包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)等在內(nèi)的高新技術(shù)[5-8]。我們?cè)谝延械倪\(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)試的基礎(chǔ)上,把周雙杠后上轉(zhuǎn)體450°成倒立動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)調(diào)入虛擬顯示系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)演示,通過360°的旋轉(zhuǎn)再現(xiàn)觀察,以三維動(dòng)畫的形式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)比較分析,可以對(duì)運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作作出更精確的診斷與分析(見圖2和圖3)。

圖2 沉浸式3D虛擬再現(xiàn)技術(shù)的界面系統(tǒng)

圖3 周施雄雙杠后上轉(zhuǎn)體450°成倒立動(dòng)作的虛擬再現(xiàn)

2 研究結(jié)果與分析

為了便于分析后上轉(zhuǎn)體450°技術(shù)動(dòng)作,將此動(dòng)作分為三個(gè)階段如下(見圖4):T1—T2:下擺階段；T2—T3:上擺階段；T3—T4:轉(zhuǎn)體階段。其中,T1:手倒立開始下擺時(shí)刻；T2:重心在杠下最低點(diǎn)時(shí)刻；T3:右手離杠時(shí)刻；T4:右手再握杠時(shí)刻。

圖4 階段劃分示意圖

2.1 下擺階段技術(shù)動(dòng)作分析

本階段是從人體手倒立開始下擺時(shí)刻至重心在杠下最低點(diǎn)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)過程。此過程要把人體勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能,從而獲得后續(xù)轉(zhuǎn)體450°的能量。

手倒立開始下擺時(shí)刻,兩手內(nèi)握,肩往上頂,身體重心位置應(yīng)盡量高一些[9],周身體重心至手握點(diǎn)的垂直距離為0.93m。身體伸直,肩關(guān)節(jié)頂開,左右肩角分別為171.9°和173.7°,左右髖角分別為174.3°和178.4°,左右膝角分別為174.4°和176.3°,剛開始下落時(shí)重心速度比較小,為0.33m/s (見表2)。

周繞額狀軸下擺,開始沉肩,重心下擺至杠后水平面時(shí),身體重心與手握點(diǎn)的距離為0.57m,重心速度為2.58m/s,左右肩角分別為88.2°和85.8°,左右髖角分別為103.2°和99.0°,左右膝角分別為176.6°和175.0°。然后身體繼續(xù)下擺,肩關(guān)節(jié)開始向下沉,肩角逐漸加大,髖角逐漸減小,膝角稍有減小,下肢快速兜腿。重心轉(zhuǎn)動(dòng)半徑減小,下擺速度加快。重心至杠下最低點(diǎn)時(shí)刻,左右肩角分別增大到107.9°和105.1°,左右髖角分別減小到26.8°和29.1°,膝角略有減小,左右膝角分別為170.6°和171.2°(見表2)。向下沉肩的目的是為了增加對(duì)雙杠的作用力,使雙杠向下產(chǎn)生彈性形變,當(dāng)身體向上運(yùn)動(dòng)時(shí)可以利用雙杠產(chǎn)生的彈性勢(shì)能更好的完成后續(xù)動(dòng)作。由于人體重力的作用,身體重心至最低點(diǎn)時(shí)刻的重心速度最大,為4.11m/s。從杠上手倒立時(shí)刻至重心最低點(diǎn)時(shí)刻,運(yùn)行了1.88s,重心繞手握點(diǎn)旋轉(zhuǎn)了180°,旋轉(zhuǎn)的平均角速度為1.67rad/s。

此階段要盡可能的折疊髖關(guān)節(jié),一是減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,二是縮短了轉(zhuǎn)動(dòng)半徑,從而增大人體轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,有利于完成后續(xù)的上擺及單手轉(zhuǎn)體動(dòng)作。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再現(xiàn)觀察,周在下擺階段動(dòng)作完成的較好。

表2 下擺階段運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)

2.2 上擺階段技術(shù)動(dòng)作分析

本階段是從人體重心在杠下最低點(diǎn)時(shí)刻經(jīng)過杠前水平面至右手離杠時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)過程。這個(gè)階段人體要利用慣性,為后面右手離杠轉(zhuǎn)體做好準(zhǔn)備。

周身體重心通過杠下后繼續(xù)繞手握點(diǎn)利用慣性向上運(yùn)動(dòng),這時(shí)肩角減小,而髖角明顯增加。身體重心在杠前水平面時(shí)刻,左右肩角分別減小到81.9°和92.3°,左右髖角分別增加到87.5°和85.8°,左右膝角分別為178.7°和177.3°(見表3)。此時(shí)髖角偏大,增大了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,減小了轉(zhuǎn)動(dòng)速度。身體重心與手握點(diǎn)的水平距離縮短到0.47 m,比杠后水平面身體重心與握點(diǎn)的距離0.57m短了0.10m。身體重心速度比杠下重心最低點(diǎn)時(shí)刻速度4.11m/s要慢,為3.96m/s。

在人體向上的過程中,身體開始伸直并開始向左轉(zhuǎn)動(dòng)。肩角和髖角呈增大的趨勢(shì),膝角繼續(xù)維持伸展位。右手離杠時(shí)刻,身體重心繞手握點(diǎn)向上運(yùn)行到杠水平面以上約23.1°,身體重心與杠水平面的垂直距離為0.21m,左右肩角分別為87.7°和89.4°,左右髖角分別增大到115.2°和114.7°,左右膝角分別為176.6°和171.2°(見表3)。由于受重力的影響,身體重心向上的運(yùn)動(dòng)速度繼續(xù)減小,右手離杠時(shí)刻重心速度減小到3.79m/s。從重心在杠下最低點(diǎn)時(shí)刻至右手離杠時(shí)刻,身體重心繞手握點(diǎn)額狀軸旋轉(zhuǎn)了113.1°,用時(shí)0.34 s,這一區(qū)間的平均旋轉(zhuǎn)角速度為5.77rad/s,顯然這一區(qū)間的平均旋轉(zhuǎn)角速度要比大回環(huán)下擺階段平均旋轉(zhuǎn)角速度1.67rad/s要快,這是因?yàn)橄蚝蟠蠡丨h(huán)上擺時(shí),特別是至杠前水平面這一區(qū)間肩角明顯減小,人體重心旋轉(zhuǎn)半徑縮短所造成的。利用三維虛擬技術(shù)再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作,結(jié)合髖關(guān)節(jié)角度變化曲線及運(yùn)動(dòng)軌跡,我們發(fā)現(xiàn)周沒有很好的完成上擺階段的技術(shù)動(dòng)作,主要問題是伸髖較早,幅度稍大,影響了之后的轉(zhuǎn)體動(dòng)作。

表3 上擺階段運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)

2.3 轉(zhuǎn)體階段技術(shù)動(dòng)作分析

本階段從人體右手離杠時(shí)刻經(jīng)過左手支撐轉(zhuǎn)體450°至右手再握杠時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)過程。在這個(gè)階段一是人體繞垂直軸角度要轉(zhuǎn)夠450°,二是要完成雙手握杠保持平衡。

表4 轉(zhuǎn)體階段運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)

右手離杠后在身體上升回環(huán)的過程中迅速完成繞垂直軸轉(zhuǎn)體450°的動(dòng)作。身體超過杠水平面就已經(jīng)開始轉(zhuǎn)體,而后繼續(xù)完成轉(zhuǎn)體450°動(dòng)作。右手離杠后身體繞垂直軸轉(zhuǎn)體是以左手支撐為轉(zhuǎn)體軸,身體質(zhì)量要落在左臂上,左臂要充分伸直,頂肩,身體要盡快伸直,兩腿并攏,減少繞垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[10],周做的較好。身體重心達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)刻,身體大約轉(zhuǎn)了180°,左肩角為169.4°,左右髖角分別為168.1°和164.3°,左右膝角分別為168.9°和170.2°,重心速度下降到0.32m/s(見表4)。但轉(zhuǎn)體過程中,身體已有略微側(cè)傾,身體重心離支撐點(diǎn)的水平距離為0.20m。這是由于伸髖較早、幅度稍大,使得單臂支撐的時(shí)候人體重心離支撐點(diǎn)的水平距離較大,從而導(dǎo)致身體產(chǎn)生了傾斜。在繼續(xù)完成剩下的360°轉(zhuǎn)體過程中,由于身體重心沒有落在支撐點(diǎn)附近上,影響了之后的倒立動(dòng)作。當(dāng)右手再握杠時(shí)刻身體已基本轉(zhuǎn)完450°,但重心偏移使得身體只能順勢(shì)下擺,此時(shí)左右肩角分別為145.5°和145.3°,左右髖角分別為158.0°和162.1°,左右膝角分別為162.3°和168.1°。身體重心速度為1.16m/s(表4)。從右手離杠時(shí)刻至右手再握杠位置,歷時(shí)1.58s,人體繞垂直軸轉(zhuǎn)體平均角速度為4.97rad/s。通過對(duì)技術(shù)動(dòng)作的360°的旋轉(zhuǎn)再現(xiàn)觀察,我們發(fā)現(xiàn)周在轉(zhuǎn)體階段兩腿并未完全并攏。

3 研究結(jié)論

通過沉浸式三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再現(xiàn)對(duì)周完成雙杠后上轉(zhuǎn)體450°成倒立動(dòng)作進(jìn)行分析,得到研究結(jié)論如下:

(1)下擺階段:周由手倒立位置開始下擺時(shí),肩角大幅減小,髖角略為減小。至杠后水平面時(shí)刻身體重心離手握點(diǎn)的水平距離為0.57m。在杠下重心最低點(diǎn)時(shí)刻左右肩角分別增大到107.9°和105.1°,左右髖角分別減小到21.9°和29.1°,重心速度達(dá)到最大值,為4.11 m/s。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再現(xiàn)觀察,周在下擺階段動(dòng)作完成的較好。

(2)上擺階段:周從重心在杠下最低點(diǎn)向上擺時(shí)肩角減小,髖角明顯增加,以減小旋轉(zhuǎn)半徑,增加回環(huán)角速度,重心在杠前水平面時(shí)刻左右肩角減小到81.9°和92.3°,左右髖角分別增加到87.5°和85.8°。身體擺過杠水平面后在伸髖伸腿的同時(shí)身體開始轉(zhuǎn)體,右手離杠時(shí)刻,身體重心繞手握點(diǎn)向上運(yùn)行到杠水平面以上約23.1°,身體重心與杠水平面的垂直距離為0.21m,這一區(qū)間的平均旋轉(zhuǎn)角速度為5.77rad/s。周沒有很好的完成上擺階段的技術(shù)動(dòng)作,主要問題是伸髖較早,幅度稍大,影響了之后的轉(zhuǎn)體動(dòng)作。

(3)轉(zhuǎn)體階段:周右手撒杠后繼續(xù)快速完成轉(zhuǎn)體450°,轉(zhuǎn)體角速度為4.97rad/s。由于上擺階段伸髖較早、幅度稍大,身體重心沒有落在支撐點(diǎn)附近,從而導(dǎo)致身體產(chǎn)生了側(cè)傾,通過對(duì)技術(shù)動(dòng)作的360°的旋轉(zhuǎn)再現(xiàn)觀察,我們發(fā)現(xiàn)周在轉(zhuǎn)體階段兩腿并未完全并攏。

綜上所述,周完成了雙杠后上轉(zhuǎn)體450°成倒立動(dòng)作,但還需要完善。

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3D Virtual Reality Technology-Based Analysis of Zhou Shixiong's Action of 5/4 Turn to Handstand on Parallel Bars

For the first time in the world,Chinese athlete Zhou Shixiong completed 450°turn to handstand on parallel bars.This article applies 3D video analytic method to collect Zhou Shixiong's kinematic data in the competition,uses immersive 3D virtual reality technology to reconstruct the obtained kinematics data,and makes kinematics analysis in the form of three dimensional animation after 360°rotation-reproduced observations.The study shows that although Zhou Shixiong completed this action in the game,it is still not perfect.The main problems include that he stretches hip earlier,and his swing scope is slightly wide in upswing stage.This leads to the result that when he supports his body with one arm,the horizontal distance between his body center of gravity and the supporting point is too wide.As a result,his body tilts and this affects his subsequent handstand action.Besides,his two legs are not fully closed in the swiveling phase.

Parallel Bars；450°Turn to Handstand；Virtual Reality System

G804.6 Document code:A Article ID:1001-9154(2015)06-0096-04

G804.6

A

1001-9154(2015)06-0096-04

(編輯 孫君志)

10.15942/j.jcsu.2015.06.017

國(guó)家體育總局重點(diǎn)研究領(lǐng)域課題(2014B015)。

周繼和,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:運(yùn)動(dòng)生物力學(xué),E-mail:jihezhou123@163.com。

成都體育學(xué)院,四川成都610041

Chengdu Sports University；Chengdu Sichuan 610041

2015-05-06