三維運動解析系統在生物力學中的應用與發(fā)展趨勢

侯亞麗，王向東

(1.上海體育學院　運動科學學院，上?！?00000；2國家體育總局體育科學研究所，北京　100061)

三維運動解析系統在生物力學中的應用與發(fā)展趨勢

侯亞麗1*，王向東2

(1.上海體育學院運動科學學院，上海200000；2國家體育總局體育科學研究所，北京100061)

摘要：研究方法和研究設備一直以來都是制約生物力學研究發(fā)展的重要因素。為了了解三維解析系統在生物力學中的應用及發(fā)展，通過查閱文獻資料等方法，探討目前國內外生物力學研究中常用的幾種三維運動解析系統的性能與優(yōu)點，以及三維解析系統在生物力學研究中的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：運動解析系統；生物力學；發(fā)展趨勢

近年來，三維運動解析系統在生物力學中的應用越來越廣，人體的三維數據呈現及處理手段也越來越高端，已成為生物力學研究中的重要部分。本文通過探討國內外運動解析系統在生物力學中的出現、應用與發(fā)展，比較目前國內常用的3種運動解析系統的功能，對比了國內外各運動解析系統的性能，為未來的改進提供參考。

1三維運動解析系統在生物力學中的研究現狀

1967年，生物力學才從生物學、物理學等學科中獨立出來。隨著生物力學對人體運動研究的不斷深入，對研究方法和設備的要求越來越高，直接測量運動的需求也越來越大。由于體育活動中人體運動大多是三維運動，所以為了深入揭示人體運動規(guī)律，從20世紀60年代后期起，多維分析法被引進運動生物力學的研究中。伴隨著電子計算機的興起和光電技術在運動檢測分析中的應用，三維攝影測量被用于人體形態(tài)和運動技術研究[1]。20世紀70年代就有國家開始了對運動生物力學解析軟件的研究。在七八十年代出現了瑞典的SELSPOT系統、美國力學高技術的COD系統、英國VI-CON，并不斷完善。由于這些設備比較昂貴，所以國內學者在80年代使用全息攝影方法來分析動作的運動學及動力學數據[2]。

國內在20世紀80年代中后期才開始引進一些國外的設備和軟件，并開發(fā)研制相應的軟件。90年代出現了利用運動錄像解析的三維運動解析系統，到90年代后期就普遍采用錄像解析的方法進行運動分析[3]，并可以使用計算機對圖像直接進行定量和定性分析，具有相當的優(yōu)越性。21世紀，隨著科學技術的發(fā)展，紅外光學捕捉系統和高速高清攝像機不斷發(fā)展和應用。在2008年舉辦奧運會時，我國就引進和研制了一些設備，如高速同步攝像系統(KODAK、JVC)、錄像影片解析系統(Ensine、Peak)和一次測量元件應變片、加速度傳感器和角度傳感器等，同時運動技術實現了可視化，大屏幕上可以在很短時間里顯示出具有結果意義的圖像幀等等。這些科技產品大大提高了比賽結果的公正性，也促進了生物力學研究的發(fā)展。

2常用的三維解析系統

在生物力學中，對人體和物體運動的完整分析主要包括:運動學分析、動力學分析、人體肌電分析等方面。因此某些系統就集合了這三大系統，應用越來越先進的可同步的高速高清攝像機，使運動影像解析系統的功能、質量、測試速度和測試精度等都有了很大程度的提高,越來越完善地服務于生物力學的研究。目前國內外出現的運動解析系統有：德國的SIMI-motion系統，美國的PEAK系統、ARIEL運動圖像分析系統、Noraxon生物力學綜合采集分析系統，英國的Vicon采集和分析系統，瑞典的Qualisys三維運動采集與分析系統，日本的NAC系統，韓國的Kwon3D XP三維運動分析系統、意大利的ELITE系統和我國的愛捷解析系統、MAX3D三維錄像解析系統等[4]。這些系統通過不斷完善，基本能滿足簡單的運動學動力學分析，但是一些復雜的研究分析還是必須借助更高端的設備。

2.1國內常用的三維運動解析系統的對比

目前國內常用的有德國的SIMI-motion系統、美國的PEAK Motus系統和ARIEL運動圖像分析系統。這三大系統主要都是由3個大模塊組成：圖像采集部分、數據處理部分和外接設備同步顯示部分，性能和特點大致相同，但是各有優(yōu)勢，如表1所示。

表1　常用的三維解析系統的性能對比

三維解析系統廣泛用于比賽或其他環(huán)境的錄像視頻分析，對生物力學中人體運動技能的研究分析有很大的意義。這些系統分析比賽錄像或高水平運動員的動作，常常是利用攝像機采集的錄像和標定框架在二維圖像中做三維重構，然后根據空間比例的標定重構數據進行運動學及動力學方面的分析[5]。在環(huán)境條件允許的情況下，也可以實現一機操作，多設備運行同步采集數據。可以將一個運動動作的運動學、動力學數據以及肌電信號完全同步采集分析。解析系統的計算功能非常強大，如SIMI-motion系統有50多種數據的處理方法，可以計算微分積分、頻譜分析、傅立葉處理和樣條函數以及自動或交互式確定偏移等[6]；Ariel系統使用逆動力學解決人體下肢的三維運動學和動力學計算[7]；Peak系統有布特沃斯數字濾波器，FFT和5次樣條，中央差速算法，數據平均等[8]。

設備的直接測量給生物力學帶來了很大的方便，但是由于測量技術或選用的設施不夠精準，會導致出現誤差，最后的分析也會變得不可靠[9]。因此，這些三維運動解析系統的應用，在一定程度上也促進了生物力學研究方法中設備應用技術的提高。如選用控制點較多或控制點少但分布均勻的標定框架，拍攝時2臺攝像機主光軸的夾角在80°～100°范圍內，對DLT 法影像解析結果的誤差將會減少[10]?？梢?，多臺攝像機采集錄像時，位置和標定框架的選用很重要。外部接連設備在選用時要考慮軟件和硬件的配置與要求,軟件與硬件的兼容性等因素。SIMI-motion系統的兼容性較強，是目前世界上唯一能夠同時兼容足底壓力分布數據、測力平臺數據、肌電數據、模擬和數字錄像的系統，并且支持多種型號的攝像機、DV，自動校正光學變形(尤其是廣角攝像頭)捕獲高質量的高幀速率、高分辨率的錄像以及標準錄像。并且現在SIMI-motion嘗試采用來自Aktisys的方法——彩色LED標記法，將可能會帶來新的marker追蹤方法。進一步改善marker任務的研究也在進行,包括通過更好的自動模型處理可大幅減少工作量。這些人性化的設計將大大提高實用性和輸出性[6]。但是，和其他兩大系統一樣，操作界面都為純英文式,無中文菜單,導致我國研究者使用不便。因此，國外一些研發(fā)者也編定了中文版式分析軟件，如MAX3D三維錄像解析系統。我國也有自己研發(fā)和廣泛使用的解析系統，如北京的愛捷運動圖像圖形測量分析儀等。國內一些高校、體育科研所的學者也編寫了一些程序，使數據分析更加方便、簡潔、快速。如蔡云飛[11]編寫的人體運動三維仿真與分析系統也是第一次采用中國人的模型來計算參數。但這些軟件的性能和實用性還有待改進，與常用的國外軟件還有較大的差距。

2.2國外常用解析系統的優(yōu)點

目前國外較新的運動解析系統有瑞典的Qualisys三維運動采集與分析系統、美國Noraxon生物力學綜合采集分析系統[12]和韓國的Kwon3D XP系統。這3個系統都支持從單一設備到復雜的多設備，可進行多種方案的靈活配置，是可以同步采集三維運動、二維視頻、壓力分布和表面肌電等傳感器的數據并進行分析的綜合運動三維分析系統。其中，Qualisys三維運動采集與分析系統可選擇拍攝速度達10 kHz的超高速紅外攝像機，具有紅外采集和高速視頻采集雙重功能，可根據實際情況設定鏡頭功能，可以調整鏡頭光圈和焦距，且鏡頭采用無風扇靜音設計，能精確捕捉高速運動物體的軌跡，并進行相關技術參數分析等。軟件包含QTM數據管理軟件，支持Visual 3D軟件分析功能。該系統將紅外捕捉系統和錄像解析系統結合在一起，并可以輸出各種形式的標準數據，實現了有真實的人體模型或個性化設置模型，直觀顯示動作的數據和運動過程[13]。

3三維解析系統在生物力學研究中的發(fā)展趨勢

目前，在生物力學研究中，三維解析系統在國際上已廣泛應用，且已實現了與外接設備的同步數據采集和分析。我國目前仍以引進國外先進的三維解析系統和設備來應用于生物力學研究為主，但由于全套設備系統相對較昂貴，因此只有部分體育院校和體科所有較好的配置。我國自主創(chuàng)新和研發(fā)的產品也有很多，但是沒有推廣到市場，形成自主化產品。因此，國內今后還要加大自主創(chuàng)新，產品與市場接軌，促進其推廣使用[14]。

隨著科學信息技術的不斷發(fā)展，計算機的硬軟件、高分辨率的攝像機、測力臺、足底壓力感受器、肌電等外加設備的不斷開發(fā)與應用，標定框架、采集測量技術的不斷提高，三維解析系統對運動數據的處理將更加精確、快速、方便，更接近對所了解動作的真實性。未來三維解析系統將朝著以下方向發(fā)展：

1)更智能化：空間標定技術的提高，DLT坐標轉化的優(yōu)化，采集圖像的及時幀碼標注不錯亂傳輸和保存，基于Pareto多目標遺傳算法的關鍵幀提取方法[15]，關節(jié)中心的個性化設計，與Anybody等其他仿真軟件相結合將每一塊肌肉的力描述出來，數字濾波法的優(yōu)化等都將會使最后數據結果的精度、準確性提高等。

2)更自動化：外接設備也實現無線化傳輸，分析系統采用更多的模式化操作；減少手動工作量，實現全自動追蹤或標記關節(jié)中心；虛擬儀器的使用[16]使傳輸處理速度加快；增加更多形式的結果展示，如自動生成仿真模型結合數據，應用于結果展示，使操作更加簡潔、快速等。

3)更人性化：實現多國人體模型參數自行導入或全部添加(如中國人的模型參數)；實現不同語言的操作界面(如英文、中文、韓語等)或生成不同版本供用戶選擇；輸出的文本可以通用；能在任何電腦上隨時操作；更多的自定義，使系統更開放，能滿足更多人的需求等。

參考文獻：

[1] 吳延禧.國際運動生物力學發(fā)展動態(tài)和趨勢：綜觀歷屆國際生物力學討論會[C]// 中國體育科學學會運動生物力學分會.第二屆中國運動生物力學學術會議.杭州,1981:7.

[2] 王國志.全息攝影的發(fā)展及其應用概況[J].高速攝影與光子學，1980(3)：46-55.

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[4] 王勤海，帥偉.APAS三維運動解析系統與運動捕捉系統分析跨欄跑過欄技術的對比分析[J].體育科技文獻通報，2007(9)：72-73，86.

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[7] Features-ariel dynamic[EB/OL].[2016-03-19].http://www.arielnet.com/apas/features.

[8] 四維宇宙.Vicon peak-peak motus[EB/OL].[2016-03-20].http://www.4vyz.com/Intro/020359.html.

[9] 牛曉強.基于APAS影像解析系統的數據誤差來源探討[J].內江科技，2015(9)：121-122.

[10] 王曦.對不同標定條件下DLT法影像解析結果的誤差分析[D].沈陽：沈陽體育學院，2012.

[11] 蔡云飛.人體運動三維仿真與分析系統[D].天津：河北工業(yè)大學,2004.

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[13] QUALISYS.Analysismodules[EB/OL].[2016-03-20].http://www.qualisys.com/software/analysis-modules/.

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[15] 蔡美玲. 三維人體運動分析與動作識別方法[D].長沙:中南大學， 2013.

[16] 李菁川.基于LabVIEW的三維運動測試分析系統的研究[D].武漢:武漢理工大學， 2009.

The Application and Development Trend of Three Dimensional Motion Analysis System in Biomechanics

HOUYali1*,WANGXiangdong2

(1.Institute of Sports Science,Shanghai University Of Sport,Shanghai 200000,China；2.China Institute of Sport Science,Beijing 100061,China)

Abstract:Research methods and equipment are always t important factors which restrict the development of the biomechanical study. In order to understand the three-dimensional analytical system application and development in the biologicalmechanics, through the review of methods such as literatures, the authors discusses the performances and advantages at several kinds of the three-dimensional motion analysis system commonly used in China and research on biomechanics in other countries, and the development trend of the three-dimensional analytical system at biomechanics study.

Key words:movement analysis system;biomechanics;development tendency

DOI:10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.02.020

收稿日期：2016-04-11

基金項目：國家科技部公益類科研院所專項基金(基本14-02)

作者簡介：侯亞麗(1993— )，女(漢族)，山西洪洞人，在讀碩士研究生，研究方向：運動生物力學 。

中圖分類號：G804.6

文獻標志碼：A

文章編號：2095-5383(2016)02-0071-04

王向東(1973— ) ，男(漢族)， 山西太原人， 博士，研究員，研究方向：運動技術診斷、運動圖像及人體信息采集，通信作者郵箱：wangxiangdong@ciss.cn。