室外競(jìng)技狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)攝像測(cè)量及應(yīng)用

馬少鵬，郝肖冉，王壽旭，馬沁巍，葉雪辀， 楊夏，陳雪，蔣量，霍波 (. 北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 0008； . 中山大學(xué) 航空航天學(xué)院，廣東，廣州 50006)

在體育競(jìng)技項(xiàng)目中，運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作姿態(tài)是決定其比賽成績(jī)的重要因素之一. 對(duì)運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)進(jìn)行定量化的測(cè)量可為教練員開(kāi)展技術(shù)動(dòng)作分析、了解受訓(xùn)隊(duì)員與高水平運(yùn)動(dòng)員之間的動(dòng)作差異、糾正運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作、尋找正確的訓(xùn)練方法、提高比賽成績(jī)提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持[1-4].

人體姿態(tài)一般通過(guò)由多個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接而成的剛體的集合予以表示[5-11]，因此人體姿態(tài)測(cè)量實(shí)質(zhì)上是對(duì)人體上各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量. 對(duì)于關(guān)節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)的測(cè)量，目前有接觸式和非接觸式兩類(lèi)方法：接觸式方法的典型代表是可穿戴MEMS傳感[12-14](包括微加速度計(jì)和微陀螺儀)，該方法雖然測(cè)量精度高、速度快，但是需要在被測(cè)量的關(guān)節(jié)上捆綁傳感器，嚴(yán)重束縛肢體運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)員的實(shí)際訓(xùn)練和比賽中難以使用；非接觸式方法的典型代表是基于圖像處理和視覺(jué)捕捉的攝像測(cè)量方法[15]. 該方法通過(guò)解析圖像中人體關(guān)節(jié)信息對(duì)關(guān)節(jié)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，具有非接觸、觀測(cè)范圍可變等優(yōu)勢(shì). 如JANUROV等[16]利用二維攝像測(cè)量方法獲得了跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員身體上的8個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，分析了其身體運(yùn)動(dòng)鏈中相鄰段之間的關(guān)系. 二維攝像測(cè)量雖簡(jiǎn)單易實(shí)施，但是只能獲取運(yùn)動(dòng)員的面內(nèi)運(yùn)動(dòng)信息，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在局限性. VIRMAVIRTA等[17]采用三維攝像測(cè)量方法，手動(dòng)識(shí)別關(guān)節(jié)點(diǎn)，對(duì)跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員三維關(guān)節(jié)信息進(jìn)行了觀測(cè)，分析了運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和生理學(xué)參數(shù)對(duì)成績(jī)的影響規(guī)律. 但手動(dòng)識(shí)別關(guān)節(jié)點(diǎn)的方式無(wú)法短時(shí)間內(nèi)快速處理大量比賽數(shù)據(jù)，且其識(shí)別精度受人為干擾較大. 此外針對(duì)人體三維姿態(tài)測(cè)量需求，市場(chǎng)上已有成熟設(shè)備，例如人體姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)(Motion Qualisys、Vicon、Optitrack、Simi)等，利用雙目立體視覺(jué)原理來(lái)獲取三維信息[18]，被大量應(yīng)用于影視拍攝等領(lǐng)域[19]. 但為了保證測(cè)量精度，需要在人體上粘貼專用的反光標(biāo)志點(diǎn)并采用特殊波段的光源進(jìn)行照明，受室外環(huán)境影響較大.

綜上可知，目前已有的測(cè)量方法和設(shè)備雖可以完成室內(nèi)高質(zhì)量環(huán)境下利用合作目標(biāo)的人體姿態(tài)測(cè)量，卻無(wú)法滿足室外競(jìng)技狀態(tài)下非合作目標(biāo)快速自動(dòng)化測(cè)量運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)的需求. 本文發(fā)展了室外快速獲取比賽數(shù)據(jù)的方法，同時(shí)研制了高環(huán)境適應(yīng)性攝像測(cè)量系統(tǒng)，利用深度學(xué)習(xí)的方法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員關(guān)節(jié)圖像高精度自動(dòng)化識(shí)別與定位. 利用所發(fā)展的方法及系統(tǒng)，對(duì)跳臺(tái)滑雪冬季奧運(yùn)項(xiàng)目開(kāi)展了實(shí)際測(cè)量應(yīng)用，獲得了很好的測(cè)量效果.

1 室外競(jìng)技狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)攝像測(cè)量方法及系統(tǒng)

1.1 室外競(jìng)技狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)攝像測(cè)量方法

室外競(jìng)技運(yùn)動(dòng)一般具有速度快、運(yùn)動(dòng)范圍廣的特點(diǎn)，對(duì)測(cè)量分辨率要求較高，故本文采用陣列式攝像測(cè)量方法，根據(jù)室外競(jìng)技運(yùn)動(dòng)范圍，合理布置相機(jī)的數(shù)目對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行圖像采集. 室外競(jìng)技運(yùn)動(dòng)高幀率、長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量需求會(huì)帶來(lái)較大數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜背景下人體關(guān)節(jié)非合作目標(biāo)的高精度快速自動(dòng)識(shí)別是需要克服的難題.本文發(fā)展了一種考慮人體幾何約束的深度學(xué)習(xí)改進(jìn)方法解決圖像中運(yùn)動(dòng)員關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的自動(dòng)化識(shí)別和定位，可快速自動(dòng)化處理大量比賽數(shù)據(jù).

首先使用SSD算法進(jìn)行人體的目標(biāo)檢測(cè)，將圖片輸入到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，提取人體圖像特征，生成特征圖片.從背景圖像中檢測(cè)出人體的區(qū)域，從而形成若干個(gè)人體候選框. 然后利用堆疊沙漏網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)若干人體候選框中的人體關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)估計(jì). 人體目標(biāo)上不同的關(guān)節(jié)點(diǎn)，并不在同一個(gè)特征圖上具有最好的識(shí)別度，例如，人體的胳膊可能在第3層的特征圖上容易識(shí)別，而人體頭部可能在第5層上更容易識(shí)別. 堆疊沙漏網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)勢(shì)就在于能夠提取多個(gè)多尺度的特征，利用多尺度特征來(lái)識(shí)別人體姿態(tài)，分析出給定人體框的姿態(tài)估計(jì)識(shí)別框. 最后將若干個(gè)姿態(tài)估計(jì)作參數(shù)化非極大值抑制，用來(lái)消除冗余的姿態(tài)估計(jì)識(shí)別框. 運(yùn)算過(guò)程如式(1)所示

f(Pi,Pj|Λ,η)=1,d(Pi,Pj|Λ,λ)≤η

(1)

式中將最大置信度姿態(tài)Pj作為參考基準(zhǔn)，根據(jù)消除標(biāo)準(zhǔn)，消除靠近該參考姿態(tài)的識(shí)別框Pi. 這個(gè)過(guò)程多次重復(fù)，每一個(gè)識(shí)別框都是唯一的出現(xiàn). 直到冗余的識(shí)別框一一被消除. 其中，消除標(biāo)準(zhǔn)中的距離函數(shù)d包括姿態(tài)距離KSim和空間距離HSim，運(yùn)算如式(2)所示

d(Pi,Pj|Λ)=Ksim(Pi,Pj|σ1)+

λHsim(Pi,Pj|σ2)

(2)

式中σ1，σ2，λ，η為需要被訓(xùn)練獲取的參數(shù). 根據(jù)大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練，達(dá)到優(yōu)化效果，從而準(zhǔn)確地去掉冗余姿態(tài)識(shí)別框，留下人體最佳姿態(tài)識(shí)別結(jié)果，其結(jié)果顯示為不同置信度的關(guān)節(jié)坐標(biāo)區(qū)域，最后將最高置信度的關(guān)節(jié)坐標(biāo)作為最終值.

本文基于人體幾何約束方法，對(duì)深度學(xué)習(xí)的識(shí)別結(jié)果開(kāi)始進(jìn)一步的調(diào)整和優(yōu)化. 人體的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)允許每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍有限且個(gè)人肢體長(zhǎng)度恒定，例如在正常情況下，某運(yùn)動(dòng)員膝蓋和肘部不應(yīng)過(guò)度伸展，軀干也不能任意傾斜或扭曲，各肢體長(zhǎng)度恒定. 根據(jù)以上特點(diǎn)對(duì)運(yùn)動(dòng)員關(guān)節(jié)施加約束，根據(jù)深度學(xué)習(xí)獲取的運(yùn)動(dòng)員二維關(guān)節(jié)信息計(jì)算單張圖片的三維關(guān)節(jié)角度且將關(guān)節(jié)坐標(biāo)與前一張關(guān)節(jié)坐標(biāo)的改變量進(jìn)行對(duì)比，若不符合運(yùn)動(dòng)事實(shí)或關(guān)節(jié)坐標(biāo)的變化發(fā)生突變，則引入預(yù)測(cè)關(guān)節(jié)點(diǎn)二維信息，作為該時(shí)刻運(yùn)動(dòng)員關(guān)節(jié)點(diǎn)的二維坐標(biāo). 若符合運(yùn)動(dòng)事實(shí)且關(guān)節(jié)坐標(biāo)的變化并沒(méi)有發(fā)生突變，則將深度學(xué)習(xí)獲得的坐標(biāo)區(qū)域內(nèi)多個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)一同參與三維重建的過(guò)程中，利用肢體長(zhǎng)度恒定的信息獲取最優(yōu)關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，獲取過(guò)程如式(3)所示

(3)

dnp3=|t-d(dnp3,dn q3)|

(4)

式中：p為具有連接關(guān)系的關(guān)節(jié)點(diǎn)；snp2為第n幀圖像中關(guān)節(jié)點(diǎn)p的二維坐標(biāo)；pnp2為根據(jù)其運(yùn)動(dòng)信息預(yù)測(cè)的第n幀關(guān)節(jié)點(diǎn)p的二維坐標(biāo)；snp2為式(4)值最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)二維坐標(biāo)；anpqrs為第n幀時(shí)關(guān)節(jié)點(diǎn)p連接的肢體與關(guān)節(jié)點(diǎn)r、s連接的肢體之間的夾角；(a,b)為肢體夾角的合理范圍值；ψ(n)為同一關(guān)節(jié)相鄰幀之間的距離函數(shù)；ε為閾值；dnp3為深度學(xué)習(xí)獲得的第n幀點(diǎn)p三維坐標(biāo)維坐標(biāo)；t為肢體長(zhǎng)度的真實(shí)值；d為兩者之間的距離. 肢體長(zhǎng)度的真實(shí)值是三維攝像測(cè)量方法獲得的. 即通過(guò)在運(yùn)動(dòng)員關(guān)節(jié)處粘貼標(biāo)志點(diǎn)的方式獲得關(guān)節(jié)點(diǎn)二維圖像坐標(biāo)，標(biāo)定的相機(jī)參數(shù)進(jìn)而獲得關(guān)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，計(jì)算各肢體真實(shí)長(zhǎng)度.

確定重建后關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的距離與肢體長(zhǎng)度實(shí)際值差距最小的關(guān)節(jié)點(diǎn)二維像素坐標(biāo)后，由于有些關(guān)鍵關(guān)節(jié)點(diǎn)不止和一個(gè)關(guān)節(jié)有連接關(guān)系，因此可能會(huì)因不同肢體的同一關(guān)鍵關(guān)節(jié)點(diǎn)定位發(fā)生沖突，根據(jù)多個(gè)肢體和各自真實(shí)人體肢體長(zhǎng)度的距離差，對(duì)出現(xiàn)沖突的關(guān)鍵關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)偏移. 如式(5)所示

(5)

最后根據(jù)雙目立體視覺(jué)對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，獲取室外競(jìng)技狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)員整個(gè)過(guò)程中的關(guān)節(jié)點(diǎn)三維坐標(biāo).

1.2 室外運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)攝像測(cè)量系統(tǒng)

室外測(cè)量時(shí)環(huán)境差異較大，一些冰雪項(xiàng)目訓(xùn)練和比賽大多是在冬季戶外的環(huán)境下舉行，現(xiàn)場(chǎng)條件較惡劣，故需要考慮天氣變化、設(shè)備的便攜性及布設(shè)簡(jiǎn)便性等需求. 本文針對(duì)復(fù)雜多變的室外環(huán)境設(shè)計(jì)并研制了一套室外圖像采集系統(tǒng)，可應(yīng)用于低溫環(huán)境，可防風(fēng)、防水、防塵、防沖擊，可長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用于室外競(jìng)技狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)測(cè)量中. 該系統(tǒng)利用GPS授時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)操作系統(tǒng)之間的精準(zhǔn)對(duì)時(shí)，采集系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)時(shí)后對(duì)采集到的圖像進(jìn)行時(shí)間編碼，可檢驗(yàn)和校正是否實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)，為圖像的同步性提供雙重保障. 此外為提高標(biāo)定效率及保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，在傳統(tǒng)全站儀的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)可以產(chǎn)生與原有激光同軸的強(qiáng)激光束的裝置，節(jié)省了設(shè)置和尋找標(biāo)志點(diǎn)的時(shí)間，提高了標(biāo)定效率，并配備了具有無(wú)線傳輸功能的藍(lán)牙模塊，使其能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，便于利用非線性標(biāo)定方法現(xiàn)場(chǎng)處理標(biāo)定結(jié)果，確保標(biāo)定數(shù)據(jù)的可靠性及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性. 該系統(tǒng)如圖1所示，其軟件界面如圖2所示，包含標(biāo)定算法及人體關(guān)節(jié)識(shí)別與定位算法. 經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證室外運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)攝像測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)如表1所示.

圖1 室外運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)攝像測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 Photogrammetric system for outdoor athlete attitudc measurement

圖2 室外運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)攝像測(cè)量系統(tǒng)軟件界面圖Fig.2 Software interface diagram of photogrammetric system for outdoor athlete posture measurement

表1 室外運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)攝像測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

本研究所研制的系統(tǒng)在功能層面上與SIMI Motion Shape 3D人體全輪廓實(shí)時(shí)捕捉系統(tǒng)類(lèi)似，兩者的區(qū)別主要體現(xiàn)在相機(jī)標(biāo)定方法、識(shí)別算法原理及系統(tǒng)組成的差異性：不同于SIMI系統(tǒng)利用標(biāo)定框架及線性標(biāo)定算法實(shí)現(xiàn)相機(jī)標(biāo)定的方法，本文利用具有藍(lán)牙傳輸功能的強(qiáng)激光全站儀及非線性標(biāo)定算法完成相機(jī)的標(biāo)定，標(biāo)定精度不受拍攝范圍的約束；算法上本文采用考慮人體幾何約束的深度學(xué)習(xí)改進(jìn)方法識(shí)別與定位人體關(guān)節(jié)信息，對(duì)背景圖像穩(wěn)定性的要求相對(duì)較低；所研制的系統(tǒng)可以根據(jù)拍攝需求自由設(shè)置相機(jī)的數(shù)量(>2)且環(huán)境適應(yīng)強(qiáng). 同時(shí)本文研制的室外運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)攝像測(cè)量系統(tǒng)亦可作為SIMI測(cè)量系統(tǒng)的硬件配置，于室外嚴(yán)峻的環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理.

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 跳臺(tái)滑雪現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

利用本文發(fā)展的方法和系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量了8名運(yùn)動(dòng)員(分別以A～H表示)在日本秋田現(xiàn)場(chǎng)訓(xùn)練狀態(tài)下起跳至飛行初始階段運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地如圖3所示. 基于觀測(cè)結(jié)果分析了運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中部分關(guān)節(jié)點(diǎn)位移特征、速度特征及肢體間各夾角特征的變化情況.

圖3 秋田跳臺(tái)圖Fig.3 Ski jumping diagram in Akita

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖4所示，在K90起跳臺(tái)附近采用兩臺(tái)數(shù)字CCD相機(jī)(德國(guó)Xieam相機(jī))搭配Computar 8 mm定焦鏡頭，采集幀率為200 fps，分辨率為1 280×1 024像素. 拍攝范圍約為6 m，采集助滑與飛行初始階段的圖像序列.

圖4 實(shí)驗(yàn)布置現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.4 Experimental layout scene

標(biāo)定已經(jīng)布置好的兩臺(tái)相機(jī)之間的相互位姿關(guān)系并現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果，同步觸發(fā)兩臺(tái)相機(jī)，采集原始圖像序列.

2.2 跳臺(tái)滑雪現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

① 三維姿態(tài)結(jié)果及分析.

人體姿態(tài)一般通過(guò)由多個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接而成的剛體的集合予以表示，因此人體姿態(tài)測(cè)量實(shí)質(zhì)上是對(duì)人體上各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量. 將人體關(guān)節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化成16個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)來(lái)表征人體運(yùn)動(dòng)，利用本文算法識(shí)別與定位原始圖像序列中各關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置. 如圖5所示.

圖5 人體三維骨架模型Fig.5 Three-dimensional skeleton model of the human body

圖像的關(guān)節(jié)點(diǎn)識(shí)別結(jié)果如圖6所示. 計(jì)算得到的關(guān)節(jié)三維姿態(tài)信息如圖7所示.

圖6 關(guān)節(jié)點(diǎn)二維信息的識(shí)別結(jié)果Fig.6 Recognition result of two-dimensional joint information

圖7 三維姿態(tài)信息Fig.7 Three-dimensional posture information

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)A運(yùn)動(dòng)員整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中四肢的長(zhǎng)度進(jìn)行三維重建計(jì)算，結(jié)果表明：A運(yùn)動(dòng)員右小腿測(cè)量實(shí)際長(zhǎng)度為451.2 mm，重建平均長(zhǎng)度為444.5 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為5.6 mm，平均絕對(duì)誤差為6.7 mm，相對(duì)誤差為1.48%；A運(yùn)動(dòng)員左小臂測(cè)量實(shí)際長(zhǎng)度為264.5 mm，重建平均長(zhǎng)度為268.3 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為4.2 mm，平均絕對(duì)誤差為3.8 mm，相對(duì)誤差為1.43%，證明了測(cè)量結(jié)果的有效性.

② 關(guān)節(jié)點(diǎn)位移特征分析.

運(yùn)動(dòng)員在起跳階段至飛行初始階段的左右手肘、膝蓋、腳關(guān)節(jié)三維運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8所示. 根據(jù)獲得的關(guān)節(jié)點(diǎn)三維信息，對(duì)比了左右膝蓋、左右手肘位移隨時(shí)間變化如圖9所示. 結(jié)果表明在助滑階段與飛行初始階段運(yùn)動(dòng)員的左右膝蓋、左右手腕的運(yùn)動(dòng)保持良好的一致性. 由手腕和膝蓋的位移隨時(shí)間變化曲線可知，跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)中運(yùn)動(dòng)員身體兩側(cè)處于對(duì)稱狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)路徑基本保持一致.

圖8 左右手肘、膝蓋、腳關(guān)節(jié)三維運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.8 Three-dimensional motion paths of the left and right elbows,knees,and foot joints

圖9 左右膝蓋、左右手肘位移隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Curves of displacements of left and right knees and elbow over time

③ 關(guān)節(jié)點(diǎn)速度特征分析.

理想狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)員助滑至離開(kāi)跳臺(tái)時(shí)雙腿的運(yùn)動(dòng)會(huì)保持一致性，根據(jù)獲取的三維關(guān)節(jié)信息，統(tǒng)計(jì)了離臺(tái)時(shí)刻A～H運(yùn)動(dòng)員3次訓(xùn)練中雙腳的平均滑行速度及其最終的飛行距離，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)，分析了助滑速度與成績(jī)之間的關(guān)系如圖10所示(r=0.7 660，P<0.001，N=24)，結(jié)果表明較快的起跳速度是取得較好飛行距離的一個(gè)重要條件.

圖10 起跳速度與成績(jī)對(duì)比圖Fig.10 Take-off speed and performance comparison

④ 肢體間夾角特征分析.

由助滑到飛行的過(guò)程中，雙腿由彎曲逐漸伸直，手臂與軀干之間夾角增大幫助其過(guò)渡到飛行階段，狀態(tài)穩(wěn)定后雙手貼于身體兩側(cè)以減少空氣阻力. 肢體間夾角定義如圖11所示：LTA表示手臂與肢體之間的夾角，TSA表示大腿與小腿之間的夾角，SBA表示小腿與雪板之間的夾角.

圖11 運(yùn)動(dòng)員肢體間的夾角定義Fig.11 Definition of the angles between athletes’ limbs

各個(gè)運(yùn)動(dòng)員大腿與小腿之間的夾角(TSA)、手臂與軀干之間的夾角(LTA)隨時(shí)間的變化曲線如圖12所示. 結(jié)果表明各個(gè)運(yùn)動(dòng)員腿部運(yùn)動(dòng)有良好的一致性，在起跳至飛行初始階段逐漸伸展，手臂與軀干之間的夾角整體上趨于先增大再逐漸減少，各個(gè)運(yùn)動(dòng)員手臂與軀干之間的夾角變化差異性較大.

圖12 腿部夾角、手臂與軀干之間夾角隨時(shí)間變化曲線Fig.12 Curve of the leg angle and the angle between the arm and the trunk over time

⑤ 滑雪板之間的夾角特征分析.

滑雪板之間的夾角定義如圖13所示：BBA表示兩滑雪板之間的夾角. 在助滑階段至飛行初始階段，BBA由平行關(guān)系逐漸呈現(xiàn)一定角度，各個(gè)運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中滑雪板之間的最大夾角呈現(xiàn)較大的差異性，8名運(yùn)動(dòng)員3次訓(xùn)練中滑雪板之間的夾角和飛行距離之間的關(guān)系如圖14所示(皮爾森相關(guān)性分析結(jié)果：r= 0.568，P=0.003 8，N=24). 分析結(jié)果可知，滑雪板之間的夾角不宜過(guò)小.

圖13 滑雪板之間的夾角定義Fig.13 Definition of the angle between snowboards

圖14 滑雪板之間的夾角對(duì)飛行距離的影響Fig.14 Effect of the angle between snowboards on the flight distance

Virmavirta等[20]的風(fēng)洞試驗(yàn)表明，大的滑雪板夾角改善了氣動(dòng)升力系數(shù)，但是張開(kāi)如此寬度的滑雪板夾角的飛行姿態(tài)可能使運(yùn)動(dòng)員飛行變得不穩(wěn)定. 本文結(jié)論中，滑雪板之間的夾角不宜過(guò)小，與上述結(jié)論相符，應(yīng)根據(jù)自身的技術(shù)特點(diǎn)及訓(xùn)練效果來(lái)選合適的滑雪板夾角.

8位運(yùn)動(dòng)員3次比賽中滑雪板之間的夾角對(duì)比如圖15所示. 分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，A、D、F、G4位運(yùn)動(dòng)員滑雪板之間的最大夾角主要介于30°～40°之間，B、C、E、F4位運(yùn)動(dòng)員滑雪板之間的最大夾角主要集中在10°左右，起跳至飛行初始階段8位運(yùn)動(dòng)員滑雪板之間的最大夾角有較大的差異. 運(yùn)動(dòng)員自身之間3次比賽中也存在一定的差異性，但均是在自身平均值附近小范圍波動(dòng)(與自身平均值最大差值為5.88°，最小值為0.80°)，運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作穩(wěn)定性較好. 可根據(jù)自身的習(xí)慣及成績(jī)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整飛行過(guò)程的角度.

圖15 3次訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)員滑雪板之間最大夾角對(duì)比Fig.15 Comparison of the maximum included angle between athletes’ skis in three training sessions

3 結(jié) 論

本文發(fā)展了一種考慮人體幾何約束的深度學(xué)習(xí)關(guān)節(jié)點(diǎn)識(shí)別方法，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜背景圖像中運(yùn)動(dòng)員關(guān)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)化識(shí)別. 研制了適用于室外極端條件觀測(cè)的測(cè)試系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)競(jìng)技狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)信息的快速獲取，便于教練員現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展指導(dǎo).

利用本文方法及系統(tǒng)開(kāi)展了跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)測(cè)量應(yīng)用，取得了很好的效果. 結(jié)果表明：起跳速度與飛行距離之間有較強(qiáng)的相關(guān)性，教練員應(yīng)重視運(yùn)動(dòng)員的助滑姿態(tài)，幫助運(yùn)動(dòng)員提高起跳速度；滑雪板之間的夾角與飛行距離之間呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性，表明為獲得較好的飛行距離，滑雪板之間的夾角不宜過(guò)小.

本文提出的方法和系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于各類(lèi)體育項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)測(cè)量，還能滿足器械運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量需求(如標(biāo)槍出手角度和速度測(cè)量等)，其所獲得的觀測(cè)結(jié)果可為教練員指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作提供精細(xì)化的數(shù)據(jù)支持.

致謝:在此對(duì)東北師范大學(xué)和吉林省體育局雪上運(yùn)動(dòng)管理中心兩個(gè)單位在我方實(shí)驗(yàn)測(cè)試中提供的各項(xiàng)支持工作表示衷心感謝！