基于動(dòng)態(tài)三維模型的排球運(yùn)動(dòng)姿態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化研究

張東兵

摘要：針對排球運(yùn)動(dòng)員普遍存在打球動(dòng)作姿勢不標(biāo)準(zhǔn)問題，提出基于動(dòng)態(tài)三維模型的排球運(yùn)動(dòng)姿態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化研究。采用Ki-nect技術(shù)獲取排球運(yùn)動(dòng)三維深度動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為四元數(shù)格式，并將數(shù)據(jù)文件以VBH格式進(jìn)行儲存，通過OGRE技術(shù)將數(shù)據(jù)塑造成動(dòng)態(tài)三維模型，然后運(yùn)用歐氏距離對比方法判斷排球運(yùn)動(dòng)姿勢是否標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過某排球隊(duì)對模型應(yīng)用，證明了動(dòng)態(tài)三維模型能有效促使排球運(yùn)動(dòng)姿勢標(biāo)準(zhǔn)化。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)三維模型;排球運(yùn)動(dòng)姿態(tài);標(biāo)準(zhǔn)化;Kinect技術(shù);OCRE技術(shù)

中圖分類號：G852 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）03-0218-03

在排球比賽中，排球運(yùn)動(dòng)員姿勢是否標(biāo)準(zhǔn)不光決定著排球運(yùn)動(dòng)能力穩(wěn)定的發(fā)揮，同時(shí)也決定著排球運(yùn)動(dòng)員出現(xiàn)受傷概率。傳統(tǒng)的排球運(yùn)動(dòng)姿勢只能依靠教練肉眼觀看對其進(jìn)行糾正，但是大部分情況下都是一個(gè)教練面對一幫排球隊(duì)員，使隊(duì)員排球運(yùn)動(dòng)錯(cuò)誤姿勢不能得到及時(shí)糾正，使大部分排球運(yùn)動(dòng)員普遍存在運(yùn)動(dòng)姿勢不標(biāo)準(zhǔn)。所以提出將動(dòng)態(tài)三維模型與排球教學(xué)相結(jié)合，減輕教練教學(xué)壓力，同時(shí)促進(jìn)排球運(yùn)動(dòng)姿勢標(biāo)準(zhǔn)化。

1 構(gòu)建排球運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化姿勢動(dòng)態(tài)三維模型

1.1 三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集

三維動(dòng)態(tài)信號采集是建立排球運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化姿勢動(dòng)態(tài)三維模型至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，三維動(dòng)態(tài)信號采集是否完整以及好壞將直接影響到后面排球三維運(yùn)動(dòng)姿勢重建的效果，所以此次利用Kinect中編碼技術(shù)（Light Coding）與骨骼追蹤技術(shù)，獲取排球運(yùn)動(dòng)員人體的深度信息，運(yùn)用隨機(jī)決策算法來標(biāo)記排球運(yùn)動(dòng)員人體的各個(gè)部位，最后從標(biāo)記的人體部位中獲取人體的骨骼信息，從而完成三維動(dòng)態(tài)信號采集任務(wù)實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)信號采集任務(wù)。

Kinect是一種具有動(dòng)態(tài)捕捉、人體識別、語音識別、動(dòng)作識別等多種功能的主機(jī)外設(shè)，通過紅外深度攝像頭獲取圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)傳感器對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理然后傳送給芯片系統(tǒng)，形成深度數(shù)據(jù)圖像[1]。Kinect在對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行識別時(shí)，骨骼追蹤會顯示出可推斷、未追蹤到、以追蹤到三種狀態(tài)，其中顯示未追蹤的數(shù)據(jù)為完全不可用數(shù)據(jù)，其與兩種狀態(tài)的三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)對建立模型是有價(jià)值數(shù)據(jù)[2]。

由于此模型是用于排球運(yùn)動(dòng)姿勢標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)劃，要適用于不用身高、體型的運(yùn)動(dòng)員，所以采用渲染管線方法來進(jìn)行排球運(yùn)動(dòng)人體骨骼追蹤，將Kinect紅外攝像頭采集的人體骨骼原始數(shù)據(jù)與訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)排球運(yùn)動(dòng)姿勢標(biāo)準(zhǔn)化。

渲染管線方法：（l）Kinect技術(shù)對三維動(dòng)態(tài)信號采集初始階段，通過識別人體的原始深度數(shù)據(jù)流，在沒有任何其他編碼的條件下，系統(tǒng)芯片獲取到的只是深度數(shù)據(jù)表征的二維人體表征[3]。（2）為了獲取排球運(yùn)動(dòng)員更深入的姿勢數(shù)據(jù)，Kinect系統(tǒng)芯片要將每一個(gè)二維人體表征動(dòng)態(tài)圖像與標(biāo)準(zhǔn)的排球運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，將二者符合的數(shù)據(jù)標(biāo)記在二位人體表征上。（3）通過不斷的數(shù)據(jù)匹配累積直到人體所有骨骼和關(guān)節(jié)都得到相應(yīng)的標(biāo)記，形成三維動(dòng)態(tài)圖像。下圖為Kinect技術(shù)三維動(dòng)態(tài)信號采集流程。

為了獲取到精準(zhǔn)且有價(jià)值的三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，需要對Kinect參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，其中包括姿勢修正值、動(dòng)作抖動(dòng)半徑、抖動(dòng)范圍、預(yù)測幀、骨骼平滑值等。

1.2 骨骼表征動(dòng)作數(shù)據(jù)儲存

通過Kinect技術(shù)獲取到排球運(yùn)動(dòng)員的三維動(dòng)作姿態(tài)數(shù)據(jù)后，就可以將這些數(shù)據(jù)有效的儲存起來，用來驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)三維模型運(yùn)動(dòng)。首先動(dòng)作數(shù)據(jù)的儲存格式非常重要，常用的動(dòng)態(tài)三維模型數(shù)據(jù)儲存格式有旋轉(zhuǎn)矩陣、歐拉角和四元數(shù)，三種數(shù)據(jù)格式比較如表1所示。

根據(jù)表1三種數(shù)據(jù)儲存格式應(yīng)用比較，四元數(shù)相對其他兩種儲存格式優(yōu)勢更大一些，所以對Kinect采集到的三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采用四元數(shù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完后選用BVH格式對文件進(jìn)行儲存。BVH是一種常用的動(dòng)作數(shù)據(jù)文件格式，它具有導(dǎo)入導(dǎo)出功能，并且編輯和更改較為簡單方便，便于后續(xù)模型開發(fā)。以BVH格式保存動(dòng)態(tài)三維數(shù)據(jù)的文件共由18個(gè)人體關(guān)節(jié)點(diǎn)組成，并且分成描述骨骼層次和初始姿勢兩部分，下圖展示了BVH格式文件關(guān)節(jié)點(diǎn)的分布及名稱。

1.3 動(dòng)態(tài)三維模型驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

對于用于排球運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化姿勢的動(dòng)態(tài)三維模型的場景設(shè)計(jì)采用OGRE技術(shù)，它是一個(gè)面向3D場景設(shè)計(jì)的基于C語言開發(fā)的軟件，具有三維動(dòng)態(tài)影像渲染功能，并且該軟件提供了一個(gè)世界對象的動(dòng)態(tài)接口，可以隱藏模型數(shù)據(jù)庫。通過OGRE開發(fā)的模型啟動(dòng)應(yīng)用、場景設(shè)計(jì)，并用Kinect采集到的三維人體運(yùn)動(dòng)姿勢數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)人物模型。在模型場景設(shè)計(jì)方面OGRE具有以下特點(diǎn)：（1）接口：該軟件采用的是面向?qū)ο蟮慕涌谠O(shè)計(jì)形式，能夠簡單快捷的實(shí)現(xiàn)三維場景畫面渲染，并且具有獨(dú)立的API接口設(shè)計(jì)，能夠提供充足的開發(fā)資料。（2）數(shù)據(jù)處理：該軟件能夠?qū)Χ喾N不同格式的影響加載紋理，并且具有較高的三維畫面質(zhì)量。（3）組織方法：OGRE支持多種三維場景設(shè)計(jì)方法，比如開發(fā)人員自己通過插件方式開發(fā)場景，還可以使用軟件自帶的三維場景組織方法。除此之外，該技術(shù)能夠?qū)γ總€(gè)模型節(jié)點(diǎn)下安插一個(gè)控制，通過節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)模型的運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)態(tài)三維模型更加逼真和靈活。（4）場景特效：該軟件支持多種場景特效，比如天空盒、天空面等。下圖為OGRE三維模型場景設(shè)計(jì)流程。

當(dāng)三維模型場景設(shè)計(jì)完成后，通過安裝Kinect相關(guān)驅(qū)動(dòng)，將OGRE三維模型場景與三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)融合在一起，形成一個(gè)動(dòng)態(tài)三維模型。

1.4 三維人體動(dòng)作對比

由于建立的是用于規(guī)范排球運(yùn)動(dòng)姿勢標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)三維模型，所以需要在模型中設(shè)計(jì)一個(gè)排球運(yùn)動(dòng)姿勢對比方法用于比較排球運(yùn)動(dòng)姿勢是否標(biāo)準(zhǔn)。此次采用歐式距離對比方法，該方法是通過排球運(yùn)動(dòng)姿勢與模型中標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)姿勢中各個(gè)關(guān)節(jié)距離對比，形成一個(gè)閾值，閾值越小代表排球運(yùn)動(dòng)姿勢越區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)。其計(jì)算公式如下所示：

閾值T是兩個(gè)排球運(yùn)動(dòng)姿勢所有的各個(gè)關(guān)節(jié)的絕對距離，當(dāng)?shù)玫降腡值越大，說明排球運(yùn)動(dòng)姿勢越不標(biāo)準(zhǔn)，以此來規(guī)范排球運(yùn)動(dòng)姿勢標(biāo)準(zhǔn)化。

2 案例分析

為了驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)三維模型對排球運(yùn)動(dòng)姿勢標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范效果，在安徽省某排球?qū)?yīng)用該模型對球員進(jìn)行案例分析，為了保證此次案例分析結(jié)果的有效性，對排球隊(duì)員和動(dòng)態(tài)三維模型使用提出了如下要求：（1）在訓(xùn)練過程中，讓5名隊(duì)員做排球動(dòng)作，動(dòng)作姿勢包括伸展、彎曲等，由教練和動(dòng)態(tài)三維模型同時(shí)對隊(duì)員排球動(dòng)作姿勢進(jìn)行評判。（2）模型在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)捕捉過程中光線和場景背景恒定f3）模型幀速率設(shè)置為150幀/s。f4）模型開發(fā)環(huán)境選Win5x12+VS2012。運(yùn)動(dòng)三維模型具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：第一步，通過Kinect收集隊(duì)員運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，篩選有用的原始深度數(shù)據(jù);步驟二，將獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為四元數(shù)數(shù)據(jù)格式，并已BVH文件格式對動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存;第三步，應(yīng)用OGRE驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)三維模型，并塑造三維環(huán)境;步驟四，運(yùn)用歐式距離對比方法評判隊(duì)員運(yùn)動(dòng)姿勢。下表為教練和模型五個(gè)排球隊(duì)員運(yùn)動(dòng)姿勢評判情況。

從上表可以看出，動(dòng)態(tài)三維模型與排球教練評判結(jié)果一致，能準(zhǔn)確地判斷出排球隊(duì)員運(yùn)動(dòng)姿勢是否標(biāo)準(zhǔn)，并且無論是伸展動(dòng)作還是彎曲動(dòng)作，動(dòng)態(tài)三維模型都能做出準(zhǔn)確判斷，證明了動(dòng)態(tài)三維模型對規(guī)范排球運(yùn)動(dòng)姿勢標(biāo)準(zhǔn)具有較高的可靠性。

3 結(jié)束語

運(yùn)動(dòng)三維模型融合了Kinect、四元數(shù)、BVH、OGRE和歐式距離對比方法等多個(gè)技術(shù)，將其應(yīng)用到排球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中能準(zhǔn)確地捕捉到排球?qū)W員的動(dòng)態(tài)姿勢，并且通過與標(biāo)準(zhǔn)的排球動(dòng)作對比糾正學(xué)員打球動(dòng)作，促使排球運(yùn)動(dòng)姿勢標(biāo)準(zhǔn)化，對排球教學(xué)就有良好的應(yīng)用價(jià)值。

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