基于動(dòng)捕技術(shù)的人體肢體運(yùn)動(dòng)參數(shù)采集裝置設(shè)計(jì)

左桂蘭，程 越，肖國(guó)華，鄭 旺

（1.浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波 315012；2.浙江科技學(xué)院，浙江杭州 310023）

0 引言

人體運(yùn)動(dòng)參數(shù)的檢測(cè)、檢驗(yàn)及逆向運(yùn)動(dòng)是近年來人體工程學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要方向。構(gòu)成人體的關(guān)鍵機(jī)械承載機(jī)構(gòu)主要由200 多個(gè)關(guān)節(jié)組成，這些關(guān)節(jié)組成的人體骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)整體，能實(shí)現(xiàn)多種高難度和復(fù)雜程度的動(dòng)作，且各動(dòng)作之間具有非常完美的協(xié)調(diào)性［1-4］。因而，針對(duì)人類人體本身而展開的機(jī)器人設(shè)計(jì)、人工智能控制、人機(jī)工程仿生學(xué)以及仿真設(shè)計(jì)等方面的科學(xué)研究是未來智能機(jī)器人發(fā)展研究的重點(diǎn)。

從機(jī)械結(jié)構(gòu)的角度來看，在人體的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，骨骼是該系統(tǒng)的支撐和運(yùn)動(dòng)杠桿，關(guān)節(jié)是運(yùn)動(dòng)能產(chǎn)生的樞紐，驅(qū)動(dòng)力來自于肌肉的收縮和舒張，所以不論從整體結(jié)構(gòu)還是局部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)而言，人體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)最基本的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)單元組成包括3個(gè)部分：骨骼為運(yùn)動(dòng)桿單元，關(guān)節(jié)為運(yùn)動(dòng)副，肌肉為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源［5-9］。人體結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力源于肌肉組織，從仿生學(xué)的角度來講，有著功能與結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，長(zhǎng)期進(jìn)行運(yùn)動(dòng)鍛煉，肌肉組織中的血管結(jié)構(gòu)形態(tài)會(huì)發(fā)生較大的改變，隨著運(yùn)動(dòng)量的加大，血管需要提供給肌肉更多的養(yǎng)分，供血量增加，有利于肌肉持續(xù)動(dòng)力的供給，從而有利于人體的生命健康。

因而，科學(xué)了解人體運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，是實(shí)施人體工程設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵所在，特別是在人體運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)計(jì)方面，精密的檢測(cè)設(shè)備和仿生功能參數(shù)是關(guān)鍵［10-14］。

本文結(jié)合人體運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)，介紹了人體運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)計(jì)在現(xiàn)代服務(wù)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，以及人體運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)計(jì)所使用的基本設(shè)備及裝置，分析了設(shè)備及裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)的人體仿生運(yùn)動(dòng)學(xué)提供有益的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 人體動(dòng)捕技術(shù)的應(yīng)用

人體運(yùn)動(dòng)捕捉具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、文教衛(wèi)生和體育等許多行業(yè)，特別是在醫(yī)學(xué)、體育科學(xué)研究、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練指導(dǎo)、現(xiàn)代影視動(dòng)畫和游戲制作等領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)建設(shè)的運(yùn)動(dòng)捕捉平臺(tái)有中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所、多家科研機(jī)構(gòu)。中央電視臺(tái)、國(guó)家體育總局、上海市第六人民醫(yī)院以及全國(guó)各大城市動(dòng)漫基地分別建設(shè)捕捉平臺(tái)以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。人體運(yùn)動(dòng)捕捉裝置在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、文教、體育及交通行業(yè)等有著非常廣泛的應(yīng)用價(jià)值，最為突出的是在醫(yī)學(xué)康復(fù)、體育科學(xué)研究、影視制作及動(dòng)漫游戲等領(lǐng)域，對(duì)降低項(xiàng)目成本，縮短項(xiàng)目周期等起著無可替代的作用。當(dāng)前，在此方面已有較多的科研機(jī)構(gòu)開展研究工作，主要有中科院計(jì)算所、浙江大學(xué)、北京大學(xué)、中國(guó)傳媒大學(xué)等單位，應(yīng)用單位有中央電視臺(tái)、國(guó)家體育總局、上海市第六人民醫(yī)院以及全國(guó)各大城市動(dòng)漫基地等單位。這些單位都分別建設(shè)有捕捉平臺(tái)以滿足實(shí)際應(yīng)用需要。如圖1所示，為某省級(jí)電視臺(tái)室內(nèi)捕捉設(shè)計(jì)平臺(tái)，該平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)人物動(dòng)畫模擬，減少室外拍攝工作量，以及新聞短播后期制作等。

圖1 電視臺(tái)后期制作運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)計(jì)平臺(tái)

2 動(dòng)捕技術(shù)在影視領(lǐng)域的應(yīng)用

近年來，隨著3D 影視技術(shù)的興起，對(duì)計(jì)算機(jī)3D仿真技術(shù)的要求越來越高，促成了這些技術(shù)的發(fā)展和完善。計(jì)算機(jī)3D 技術(shù)和仿真技術(shù)的完善，離不開人體捕捉設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，其典型的應(yīng)用為2012 年上映的電影《阿凡達(dá)》，如圖2 所示，該片使用大量的人體捕捉技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)3D 技術(shù)和計(jì)算機(jī)即時(shí)仿真，來實(shí)現(xiàn)劇情中很多通過常規(guī)拍攝技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的特技動(dòng)作及人物造型，極大地改變了影視制作方式，降低了影視制作成本，縮短了影視制作周期，也極大地改變了影視制作的工作方式（見圖3）。

3 動(dòng)捕技術(shù)動(dòng)漫制作

從目前市場(chǎng)情況來說，近兩年國(guó)內(nèi)動(dòng)捕技術(shù)已經(jīng)取得了重大發(fā)展，在過去可能很多方面都依賴于進(jìn)口產(chǎn)品，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)也有很多成熟的動(dòng)捕技術(shù)服務(wù)商。國(guó)內(nèi)有幾家公司虛擬動(dòng)點(diǎn)，它們的Optitrack產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)動(dòng)捕領(lǐng)域?qū)儆陬I(lǐng)先水平，而且是自己研發(fā)的，產(chǎn)品性價(jià)比非常高，很多國(guó)產(chǎn)、國(guó)際電影都有所運(yùn)用，已經(jīng)成為好萊塢電影發(fā)展的基石［15-17］。

4 動(dòng)捕技術(shù)游戲應(yīng)用

游戲方面尤其是一些體育類游戲在這方面的應(yīng)用也非常廣泛和接地氣。在家庭娛樂方面，很多人都接觸到了體感游戲。微軟的Kinect 也為開發(fā)人員提供了完善的開發(fā)環(huán)境，可以很方便地進(jìn)行體感游戲內(nèi)容開發(fā)。行業(yè)中運(yùn)用較多的動(dòng)作捕捉是在Unity中結(jié)合OpenPose 的數(shù)據(jù)來開發(fā)。OpenPose 是一個(gè)能識(shí)別圖像中人體動(dòng)作骨骼的開源人工智能框架。其對(duì)大量的人體圖像進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，對(duì)人體識(shí)別準(zhǔn)確度很高，如圖4所示。

5 動(dòng)捕技術(shù)在醫(yī)療健康、體育中的應(yīng)用

隨著消費(fèi)觀念的升級(jí)，人們對(duì)于自身健康比較注重，對(duì)健身器材的需求也越來越多，健身器材已經(jīng)不再是健身房、體育場(chǎng)館的專屬，越來越多的家庭也開始購置健身器材。這就使得健身器材這類通用性極高的健身產(chǎn)品獲得了非常龐大的市場(chǎng)需求。在人體健康領(lǐng)域中，人體特性參數(shù)中，與產(chǎn)品設(shè)計(jì)和操縱機(jī)器有關(guān)的人體特性參數(shù)很多，歸納起來有如下4 類：（1）靜態(tài)參數(shù)；（2）動(dòng)態(tài)參數(shù)；（3）生理學(xué)參數(shù)；（4）生物力學(xué)參數(shù)。健康方面典型設(shè)備為如圖5 所示的手環(huán)表，其可以集成血壓、血氧指數(shù)、運(yùn)動(dòng)步數(shù)、呼吸狀態(tài)、心率、即時(shí)通信等，實(shí)現(xiàn)功能較為全面的人體健康狀態(tài)動(dòng)捕功能。

圖2 人體捕捉技術(shù)在電影制作中的應(yīng)用

圖3 人體捕捉技術(shù)在電影制作中的應(yīng)用

圖4 動(dòng)捕在游戲中的實(shí)現(xiàn)過程

6 可穿戴式下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)捕捉裝備設(shè)計(jì)

圖5 健康運(yùn)動(dòng)腕表

對(duì)于體育運(yùn)動(dòng)或者需要醫(yī)療康復(fù)的個(gè)人而言，肢體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的捕捉需要設(shè)計(jì)特殊的姿態(tài)捕捉裝置來進(jìn)行肢體運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)采集，為了降低數(shù)據(jù)采集誤差，利用CATIA 進(jìn)行采集器機(jī)械骨架的設(shè)計(jì)；下肢隨動(dòng)機(jī)構(gòu)主要考慮自由度的設(shè)置，根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)特征，設(shè)置了6個(gè)自由度，每條下肢按髖部關(guān)節(jié)和膝部關(guān)節(jié)設(shè)置3 個(gè)自由度，髖關(guān)節(jié)位于人體后側(cè)，可以做屈伸運(yùn)動(dòng)和伸展運(yùn)動(dòng)，保障人體運(yùn)動(dòng)時(shí)下肢的支撐作用；伸展運(yùn)動(dòng)時(shí)，2 個(gè)關(guān)節(jié)自由度軸線交匯于髖關(guān)節(jié)中心，屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，則2 個(gè)關(guān)節(jié)軸線正交垂直。膝關(guān)節(jié)與人體關(guān)節(jié)一樣為一個(gè)自由度，可做屈伸運(yùn)動(dòng)。為此，本裝備的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 可穿戴式下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)捕捉裝備

機(jī)構(gòu)成左右對(duì)稱設(shè)置，以右邊一半的結(jié)構(gòu)為例，從腰部到腳跟處分為4 節(jié)，由Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ3 層關(guān)節(jié)連接。第Ⅰ層關(guān)節(jié)為右側(cè)鉸鏈上連接板4 和右側(cè)鉸鏈下連接板5之間的鉸鏈連接；第Ⅱ?qū)雨P(guān)節(jié)之間的連接為右側(cè)腰部大腿連接板6和右側(cè)大腿支撐板8之間通過銷軸連接，且該關(guān)節(jié)設(shè)置有右側(cè)髖關(guān)節(jié)角度傳感器7；同樣，右側(cè)大腿支撐板8和右側(cè)小腿約束帶下13之間也通過銷軸來連接，同樣也設(shè)置了關(guān)節(jié)角度傳感器7。件9、件10、件12、件14 為約束帶，將機(jī)構(gòu)件約束于下肢大腿和小腿上，如圖7所示。

7 結(jié)語

文章分析并總結(jié)了人體動(dòng)捕技術(shù)在行業(yè)中的運(yùn)用，重點(diǎn)介紹了動(dòng)捕技術(shù)在影視領(lǐng)域、動(dòng)漫制作、游戲、醫(yī)療健康、體育等方面的應(yīng)用。依據(jù)動(dòng)捕技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種可穿戴式下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)捕捉裝備，用于下肢功能失能患者健康恢復(fù)，機(jī)構(gòu)成左右對(duì)稱設(shè)置，單邊結(jié)構(gòu)從腰部到腳跟處分為4 節(jié)，關(guān)節(jié)聯(lián)結(jié)之處設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳感器，以傳遞患者運(yùn)動(dòng)功能參數(shù)，機(jī)構(gòu)已在醫(yī)療實(shí)踐中獲得了較好的運(yùn)用，具有較好的推廣價(jià)值。

圖7 穿戴式腿部數(shù)據(jù)采集器模型示意