基于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)捕捉技術(shù)的體育虛擬訓(xùn)練仿真評(píng)估

曹中旺 黃春香 余容平

（1福建船政交通職業(yè)學(xué)院 福建福州 350007；2武夷學(xué)院 福建南平 354300；3福建商學(xué)院 福建福州 350012）

視覺(jué)仿真技術(shù)是一種基于計(jì)算信息的沉浸式交互環(huán)境的技術(shù)。它采用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，根據(jù)仿真的目的，構(gòu)建仿真對(duì)象的3D模型并再現(xiàn)真實(shí)環(huán)境，達(dá)到逼真的仿真結(jié)果［1-2］。仿真技術(shù)有助于縮短測(cè)試和開(kāi)發(fā)周期，提高測(cè)試和研究的質(zhì)量，節(jié)省實(shí)驗(yàn)和研究資金，并已在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［3-4］。競(jìng)技體育領(lǐng)域，如跳水、體操、蹦床、舉重、籃球、滑雪、高爾夫等，特別是在跳水項(xiàng)目中，蹦床項(xiàng)目取得了巨大的成功，具有非常明顯的經(jīng)濟(jì)效益，成為重要的高科技運(yùn)動(dòng)手段實(shí)地培訓(xùn)［5］。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)是生物力學(xué)的一個(gè)分支，它利用力學(xué)原理和方法來(lái)研究人體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)理論，它與測(cè)量技術(shù)，數(shù)學(xué)建模技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)一起發(fā)展，因此，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)將在生物力學(xué)中起到很大的作用［6］。隨著人體鏈接參數(shù)測(cè)量技術(shù)和生物力學(xué)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的改進(jìn)，對(duì)生物力學(xué)的研究提高了運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的水平［7-8］。該學(xué)科還通過(guò)體育實(shí)踐中的人事實(shí)踐，促進(jìn)了體育教練、運(yùn)動(dòng)員、體育教師和體育科研人員的發(fā)展，可以為體育事業(yè)的發(fā)展提供更好的前景［9-10］。視覺(jué)技術(shù)在運(yùn)動(dòng)員模擬訓(xùn)練中的應(yīng)用，可以對(duì)動(dòng)作進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，并進(jìn)行創(chuàng)新，提高運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的技術(shù)含量，使運(yùn)動(dòng)員迅速掌握動(dòng)作技術(shù)，保持良好的競(jìng)技狀態(tài)。

文章依托運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)捕捉技術(shù)，通過(guò)使用數(shù)學(xué)軟件對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，然后建立多元線性模型，探討各種因素對(duì)性能的影響程度，并驗(yàn)證動(dòng)態(tài)模型的合理性，為理論提供支撐。

1 視覺(jué)模擬系統(tǒng)概述

視覺(jué)仿真系統(tǒng)主要用于完成機(jī)器，電路板及其相關(guān)信息的顯示，卡仿真電路以及板載部件的工作顯示等。為方便用戶操作軟件和觀察仿真場(chǎng)景，系統(tǒng)應(yīng)提供友好的圖形用戶界面。另外，在虛擬無(wú)線電臺(tái)仿真系統(tǒng)中，電路仿真系統(tǒng)是為視覺(jué)仿真系統(tǒng)服務(wù)的，它是視覺(jué)仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而視覺(jué)仿真系統(tǒng)是其應(yīng)用和顯示。故障庫(kù)和可視化仿真系統(tǒng)是整個(gè)車(chē)站仿真系統(tǒng)的兩個(gè)并行子系統(tǒng)，通過(guò)它們之間的程序接口交互作用，可以完成后期工作中的系統(tǒng)故障診斷。從功能結(jié)構(gòu)上看，視覺(jué)仿真系統(tǒng)由管理模塊，初始化模塊，實(shí)體渲染模塊，數(shù)據(jù)接口模塊，特效處理模塊和視聽(tīng)顯示模塊組成。

1.1 管理模塊

作為視覺(jué)仿真系統(tǒng)中最重要的模塊，其基本功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程控制的仿真，通過(guò)接收系統(tǒng)接收消息，用戶輸入的交互根據(jù)預(yù)定的規(guī)則與策略之間的協(xié)調(diào)進(jìn)行。各種功能操作模塊。

1.2 初始化模塊

它是可視化仿真系統(tǒng)的主要功能初始化模塊，可以根據(jù)用戶的配置對(duì)仿真數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)進(jìn)行初始化過(guò)程和配置文件。

1.3 數(shù)據(jù)接口模塊

它主要用于讀取和后續(xù)處理仿真數(shù)據(jù)文件，然后基于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行視覺(jué)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，該模塊在管理模塊的控制下，同時(shí)將數(shù)據(jù)提供給系統(tǒng)的實(shí)體渲染模塊以及特效處理模塊

1.4 實(shí)體渲染模塊

它主要負(fù)責(zé)各種實(shí)體的3D繪圖，用于可視化顯示工作，是具有用戶界面的可視化仿真系統(tǒng)，用于可通過(guò)可視化方式顯示系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)。該模塊的接收管理模塊工作，同時(shí)從數(shù)據(jù)接口模塊實(shí)時(shí)渲染實(shí)體需要的各種數(shù)據(jù)。該模塊的實(shí)現(xiàn)由各種繪圖算法組成。

1.5 特效處理模塊

它負(fù)責(zé)表現(xiàn)整個(gè)視覺(jué)模擬系統(tǒng)的特效，視覺(jué)模擬系統(tǒng)是逼真的關(guān)鍵模塊。

1.6 視聽(tīng)顯示模塊

它主要是指音響系統(tǒng)和投影顯示系統(tǒng)等硬件設(shè)備。

2 基于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的體育虛擬訓(xùn)練仿真

現(xiàn)代體育運(yùn)動(dòng)正變得越來(lái)越高，越來(lái)越困難，越來(lái)越精確。它借助現(xiàn)代技術(shù)使培訓(xùn)更加深入。為了最大限度地挖掘人們的潛力，現(xiàn)代體育需要不斷地參與科學(xué)和技術(shù)。這將需要綜合利用與體育科學(xué)相關(guān)的學(xué)科知識(shí)，并通過(guò)使用系統(tǒng)科學(xué)的方法來(lái)研究體育的內(nèi)在規(guī)律。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿真是一門(mén)實(shí)驗(yàn)技術(shù)科學(xué)，它是通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)代表運(yùn)動(dòng)老師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，教練意圖的訓(xùn)練，管理者的組織方案和運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)的解釋。實(shí)驗(yàn)科學(xué)技術(shù)的系統(tǒng)，分析、預(yù)測(cè)、組織和評(píng)估。

從運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)角度來(lái)看，起跳、起飛和橫桿的三個(gè)部分構(gòu)成了背式跳高過(guò)程的主要?jiǎng)幼?，橫桿的初始參數(shù)由起跳和起飛提供，然后相應(yīng)的車(chē)身擺動(dòng)將有助于運(yùn)動(dòng)員越過(guò)杠鈴，其目的是通過(guò)合理的動(dòng)作和合理的位置來(lái)達(dá)到最高的跳高。首先依據(jù)運(yùn)動(dòng)生物生物力學(xué)捕捉技術(shù)，分析了起步、起飛和橫桿，并建立了動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真。

由于在跳起弗斯伯里式跳高過(guò)程中運(yùn)動(dòng)員的身體旋轉(zhuǎn)，主要集中在頭部、四肢和軀干上，因此在本節(jié)中，人體的結(jié)構(gòu)被視為可以分為頭部、上肢、上軀干、下軀干、大腿、前肢、上臂和前臂，用Ix表示的額軸圓形的七個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量中的每一個(gè)，Iy是圍繞矢狀軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Iz是圍繞垂直軸的慣性矩。通過(guò)使用“平行軸定理”將重量收集到質(zhì)心中并與前臂和前腿一起進(jìn)行計(jì)算，可以獲得手和腳的慣性矩。根據(jù)二元回歸方程慣性矩上的身高和體重的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到各連桿的慣性矩?；貧w方程如公式（1）所示：

式（1）中，Ii為繞線軸三軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，X1，X2分別為人體重量（kg）和身高（CM），δ2為回歸方程的方差。

平行軸定理：如果有平行于穿過(guò)質(zhì)心的軸的任何軸，并且這兩個(gè)軸的距離為d，則I是剛體產(chǎn)生的慣性矩，如公式（2）所示：

式（2）中，I′為軸的慣性矩，它是相對(duì)于質(zhì)心m穿過(guò)的軸相對(duì)于質(zhì)心質(zhì)量的軸。助跑階段的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和模型建立

圖1是運(yùn)動(dòng)員在虛擬訓(xùn)練助跑過(guò)程中的身體運(yùn)動(dòng)狀況。

圖1 助跑過(guò)程中人體運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)筆畫(huà)模型

跑步的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征體現(xiàn)在步長(zhǎng)、頻率上，其運(yùn)動(dòng)關(guān)系如公式（3）所示。

在式（3）中，L代表步長(zhǎng)，T代表步長(zhǎng)，f代表頻率，v是相應(yīng)步長(zhǎng)的平均速度。如果可以通過(guò)測(cè)量步長(zhǎng)和步長(zhǎng)時(shí)間來(lái)計(jì)算相應(yīng)步的平均速度，則因?yàn)樵诩铀龠^(guò)程中運(yùn)動(dòng)員的速度非?？欤ㄋ矔r(shí)速度），因此，跑步中重心的水平速度 向上運(yùn)動(dòng)被視為一系列勻速運(yùn)動(dòng)。一般高水平運(yùn)動(dòng)員的平均步調(diào)間隔時(shí)間為0.216s，支撐時(shí)間平均約為40.7%，飛行階段的時(shí)間平均為59.3%。

助跑的第二階段目的是使運(yùn)動(dòng)員在起飛前獲得適合速度的力量和技術(shù)。在彎道跑步中，支撐腿支撐膝蓋彎曲，最終支撐步驟的膝蓋關(guān)節(jié)角度約為120°。運(yùn)動(dòng)員的曲線加速實(shí)際上是身體重心的圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)物體進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，它需要其他方面來(lái)提供向心力，即如公式（4）所示：

在公式（4）中，N‖+fμ代表向心力?fμ代表人體在地面上的摩擦力，當(dāng)摩擦力固定時(shí)，增加的上升速度應(yīng)減小ψ度，這意味著上升速度越高，身體的傾斜度越大。

2.1 起飛階段訓(xùn)練仿真

起飛的最后一步中，起飛速度為最大速度：vmax，右側(cè)為起飛過(guò)程，身體重心通過(guò)支撐小腿伸展而向上運(yùn)動(dòng)，起飛過(guò)程中支撐腿的應(yīng)力分析如圖2所示。

圖2 支撐腿的應(yīng)力分析

圖2 顯示，腿承受重力，來(lái)自地面的力和腿上的物理壓力-蹲和拉伸過(guò)程中角度α(t)的變化范圍為(t)和φ(t)相對(duì)較小。由地面在腿上傳導(dǎo)的力可分解為垂直力Fy(t)和水平力Fx(t)，這兩個(gè)分量的作用是增加減小水平速度和增大垂直速度，可得動(dòng)量公式（5）：

在式（5）中，ΔVx，ΔVy代表蹲坐和伸展過(guò)程中兩個(gè)方向的變化Δt是地面在腿上的支撐時(shí)間。根據(jù)水平和垂直方向上受力平臺(tái)的情況，可以理解地面對(duì)支撐腿的影響，如圖3所示。

圖3 受力平臺(tái)在水平和垂直方向上的應(yīng)力狀態(tài)

根據(jù)圖3可知，垂直方向的速度不斷增加，而水平方向的速度不斷減小，這反映了起飛動(dòng)作的實(shí)質(zhì)是使合理的水平速度損失和垂直向上的速度盡可能地增加。

2.2 交叉桿階段訓(xùn)練仿真

起飛結(jié)束后，人體離開(kāi)地面并開(kāi)始從其背部橫過(guò)橫桿，圖4顯示的虛擬仿真幻影是人體橫越橫桿的階段。

圖4 交叉桿階段

圖4收集了8個(gè)橫桿階段狀態(tài)的力矩，運(yùn)動(dòng)員在空中繞垂直軸的運(yùn)動(dòng)符合公式（6）：

在式（6）中，M(t)是人體繞垂直軸傳遞的扭矩?該扭矩隨手臂的擺動(dòng)而變化，直到人體的擺動(dòng)角度γ(t)達(dá)到180°，人體的兩側(cè)為對(duì)稱時(shí)，采用均質(zhì)圓盤(pán)公式來(lái)計(jì)算繞垂直軸的慣性矩。

交叉桿時(shí)運(yùn)動(dòng)員的手臂擺動(dòng)不僅是人體的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，還可以提高人體的機(jī)械動(dòng)能，假設(shè)人體的質(zhì)量占人體總質(zhì)量的11.28%，當(dāng)起飛結(jié)束時(shí)身體重心的向上瞬時(shí)速度為Vy0，手臂向上擺動(dòng)的質(zhì)心速度為時(shí)，則身體在手臂向上過(guò)程中比跳躍結(jié)束時(shí)處理更多的能量。手臂的動(dòng)能增量表達(dá)式如公式（7）所示：

根據(jù)式（7），人體動(dòng)能增加為111.28%，也就是說(shuō)，如果手臂不擺動(dòng)，如果運(yùn)動(dòng)員計(jì)劃通過(guò)擺動(dòng)獲得更多的動(dòng)能，則總能量將減少11.28%。手臂、動(dòng)能和動(dòng)量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以采用或分析。當(dāng)人體垂直向上的動(dòng)量增加時(shí)，其動(dòng)能會(huì)相應(yīng)增加，在人體懸吊過(guò)程中，人體僅受重力影響，整個(gè)系統(tǒng)在一定程度上通過(guò)對(duì)內(nèi)部的消化而處于動(dòng)量守恒中，身體的整體動(dòng)量可以得到改善，只要延長(zhǎng)加速過(guò)程就可以使增長(zhǎng)的動(dòng)量發(fā)生變化，因此手臂揮桿的延伸可以幫助提高跳高的性能。

3.3 模型模擬

模型仿真的目的是獲得運(yùn)動(dòng)員在交叉桿階段的運(yùn)動(dòng)軌跡，重心的運(yùn)動(dòng)過(guò)程類(lèi)似于拋物線運(yùn)動(dòng)，建立運(yùn)動(dòng)方程需要確定初始參數(shù)，以某運(yùn)動(dòng)員為例進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，其數(shù)學(xué)軌跡仿真圖像如圖5所示。

圖5 人體重心運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真圖

如圖5所示，該重心的軌跡圖像，與某運(yùn)動(dòng)員的實(shí)際坡度2.35 2.39 m相符，因此動(dòng)力學(xué)模型可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析來(lái)恢復(fù)運(yùn)動(dòng)。

3.4 數(shù)據(jù)分析

本節(jié)主要探討跳高結(jié)果與初始跳動(dòng)速度l之間的數(shù)據(jù)關(guān)系。經(jīng)過(guò)虛擬訓(xùn)練仿真模擬，統(tǒng)計(jì)出相應(yīng)的調(diào)高數(shù)據(jù)結(jié)果，繪制相應(yīng)的折線圖，分析跳高得分的有關(guān)因素，其結(jié)果如圖6所示。在圖6中，左上方的圖片與合成的速度和跳躍分?jǐn)?shù)有關(guān)，右上方是水平速度和跳躍分?jǐn)?shù)的圖像，左下方是垂直速度和分?jǐn)?shù)的圖像，右下方是速度和得分的平方。從四個(gè)圖像可以看出跳躍速度和得分之間的相關(guān)性不是很緊密，公式（8）是跳躍得分和四種速度的四個(gè)四元線性回歸方程：

圖6 分?jǐn)?shù)和速度的變化趨勢(shì)

在公式（8）中，H代表跳躍得分，v代表跳躍的合成速度，v‖，v⊥分別代表水平速度和垂直速度，H與合成速度v正相關(guān)，合成速度v處理最大的靈敏度，此外垂直速度還影響跳躍得分。

統(tǒng)計(jì)參數(shù)的結(jié)果主要包括：①殘差平方和＝0.0645；偏差平方和＝0.1058；②多重相關(guān)系數(shù)＝0.6252；方差＝0.1795。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，多元線性回歸的擬合優(yōu)度良好，這表明合成速度和垂直速度對(duì)跳躍得分的影響很大。

4 結(jié)論

從運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)角度老說(shuō)，可以將人體看作是一個(gè)多剛體模型，通過(guò)研究剛體運(yùn)動(dòng)情況，可以反映出人體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)。在起飛過(guò)程中，軀干的完全伸展可以提高垂直速度，并在跳躍后同時(shí)增加人的沖動(dòng)效果，從而增加身體越過(guò)身體軸線的慣性矩。

文章依托運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)捕捉技術(shù)，通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)某運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行了虛擬訓(xùn)練軌跡仿真，驗(yàn)證了生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)對(duì)該運(yùn)動(dòng)進(jìn)行指導(dǎo)的合理性。通過(guò)數(shù)據(jù)分析和線性回歸方程的建立，可以得出以下結(jié)論：跳躍速度和垂直速度對(duì)跳躍得分的影響很大，也證明了跳躍角度的重要性。