自動(dòng)視覺捕捉技術(shù)在功能動(dòng)作評(píng)估與訓(xùn)練中的應(yīng)用

左伊鵬

(河北師范大學(xué),河北 石家莊 050024)

基于視覺的人體動(dòng)作識(shí)別相關(guān)領(lǐng)域近年來得到高度關(guān)注,動(dòng)作捕捉技術(shù)已被應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域[1-3],主要包括運(yùn)動(dòng)分析、智能視頻監(jiān)控、虛擬現(xiàn)實(shí)、用戶接口等。運(yùn)用視覺捕捉技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化功能動(dòng)作評(píng)估,從而降低評(píng)估時(shí)的人為誤差,便于進(jìn)行量化分析。此外,可實(shí)時(shí)分析運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技狀態(tài),量化評(píng)價(jià)關(guān)鍵指標(biāo),結(jié)合人體生理學(xué)、訓(xùn)練學(xué)原理,為運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練提供參考和指導(dǎo),使體育訓(xùn)練擺脫經(jīng)驗(yàn)依賴模式,進(jìn)入理論化、數(shù)字化時(shí)代,科學(xué)提高運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技水平[4]。因此,基于視覺的運(yùn)動(dòng)分析對(duì)競(jìng)技訓(xùn)練及大眾健身均具有重要意義。

1 人體動(dòng)作識(shí)別

人體動(dòng)作識(shí)別是通過在時(shí)域上跟蹤一些關(guān)鍵點(diǎn)的動(dòng)作以記錄人體運(yùn)動(dòng),并轉(zhuǎn)換為可用的數(shù)學(xué)方式表達(dá),傳統(tǒng)的動(dòng)作識(shí)別技術(shù)有機(jī)械式、聲學(xué)式、光學(xué)式等,均存在局限性[5]?；谝曈X的人體動(dòng)作識(shí)別打破了傳統(tǒng)識(shí)別技術(shù)的局限,利用攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行捕捉、跟蹤、測(cè)量,并通過人工智能算法實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)作的自動(dòng)識(shí)別。因此,基于視覺的人體動(dòng)作識(shí)別與分析從根本上說是人工智能的范疇,涉及機(jī)器視覺、圖像處理、模式識(shí)別、人工智能等多個(gè)學(xué)科。

2 人體功能動(dòng)作評(píng)估與訓(xùn)練方式

功能性動(dòng)作評(píng)估是通過功能性測(cè)試來檢測(cè)受試者者靈活性、穩(wěn)定性、對(duì)稱性及動(dòng)作模式的評(píng)價(jià)技術(shù)。目前有多種運(yùn)動(dòng)評(píng)估方案,包括FMS、TPI、SFMA及 YBT 等,被廣泛運(yùn)用于歐美國(guó)家的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中[6]。以FMS(功能性動(dòng)作篩查)為例,該篩查系統(tǒng)通過7個(gè)測(cè)試動(dòng)作發(fā)現(xiàn)受試者的功能障礙,然后有針對(duì)性地加以訓(xùn)練,降低運(yùn)動(dòng)損傷的風(fēng)險(xiǎn),幫助運(yùn)動(dòng)員達(dá)到最佳競(jìng)技水平。近年來,對(duì)專業(yè)運(yùn)動(dòng)員開展功能性動(dòng)作評(píng)估的重要性被逐漸認(rèn)識(shí),但評(píng)估仍以傳統(tǒng)方式為主,其存在的主要問題有:過于依賴評(píng)估人員的專業(yè)能力;肉眼觀察和主觀判斷影響測(cè)試精度;需借助定性觀測(cè)手段,未形成量化評(píng)估體系;專業(yè)評(píng)估人員數(shù)量較少,難以有效普及與推廣;教練員難以實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練;等等。因此,功能動(dòng)作評(píng)估與訓(xùn)練須從主觀定性化評(píng)估轉(zhuǎn)化為自動(dòng)定量化評(píng)估,由此實(shí)現(xiàn)數(shù)字化體能訓(xùn)練。

3 基于視覺的人體動(dòng)作識(shí)別

1958年,Johansson[7]最早提出人體動(dòng)作識(shí)別技術(shù)并取得探索性研究成果。1994 年 ,研究[8]利用運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)來建模行人的步態(tài)運(yùn)動(dòng)。此外,采用一種二維紙板模型描述人體姿勢(shì),但此模型只能描述人體在圖像中的大概位置,無法實(shí)現(xiàn)精確定位。1999年,有研究[9]提出基于動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的切換線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型,該模型在人體運(yùn)動(dòng)跟蹤方面取得了良好成績(jī)。2004年,研究提出一種基于學(xué)習(xí)的三維人體姿態(tài)恢復(fù)算法,該算法利用非線性回歸函數(shù)從視覺觀測(cè)數(shù)據(jù)中推斷三維人體姿態(tài)。2011年,微軟發(fā)布的Kinect,直接采用 RGBD 攝像機(jī)采集的深度數(shù)據(jù)生成人體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),不需要人佩戴任何傳感設(shè)備。Kinect的出現(xiàn)大大促進(jìn)了基于視覺的人體動(dòng)作研究進(jìn)展。隨后,深度卷積神經(jīng)網(wǎng)(DCNN)的異類多任務(wù)學(xué)習(xí)框架用于單目圖像的人體姿態(tài)評(píng)估[10],但不足是僅適用于二維人體評(píng)估,無法處理圖像中肢體遮擋問題。2016年,有人應(yīng)用深度學(xué)習(xí)框架Caffe 來學(xué)習(xí)圖像中每個(gè)關(guān)節(jié)的二維熱點(diǎn)圖(2D heatmap),然后從所有2D heatmap中推斷完整的三維姿態(tài)。

國(guó)內(nèi)關(guān)于人體動(dòng)作識(shí)別技術(shù)的研究與國(guó)外有一定差距,但也取得一些成果。例如:中科院計(jì)算機(jī)研究所將人體運(yùn)動(dòng)識(shí)別的研究成果運(yùn)用到競(jìng)技訓(xùn)練;上海交通大學(xué)計(jì)算機(jī)視覺實(shí)驗(yàn)室對(duì)圖像中人體姿態(tài)特征及運(yùn)動(dòng)進(jìn)行識(shí)別與分析;圖像處理與模式識(shí)別實(shí)驗(yàn)室也對(duì)圖像處理、目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、行為分析等方面進(jìn)行了研究,取得了大量研究成果。此外,北京交通大學(xué)、北京郵電大學(xué)、微軟研究院等多所院校與研究機(jī)構(gòu)均在該領(lǐng)域投入了大量研究,取得了許多成果。

4 基于視覺的人體功能動(dòng)作評(píng)估與訓(xùn)練及其應(yīng)用

任何完美、復(fù)雜的競(jìng)技動(dòng)作都是由最簡(jiǎn)單的功能動(dòng)作組合而成的。高水平運(yùn)動(dòng)員存在的身體功能問題具有個(gè)性化、復(fù)雜性特點(diǎn),個(gè)性化訓(xùn)練是提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)的有效途徑。應(yīng)用基于視覺的功能動(dòng)作評(píng)估體系代替?zhèn)鹘y(tǒng)肉眼觀察方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)員關(guān)節(jié)活動(dòng)度、功能動(dòng)作、身體對(duì)稱性、平衡等素質(zhì)的精確檢測(cè)與量化分析,發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員存在的問題。

通過評(píng)估發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員功能動(dòng)作的局限,接下來就是為運(yùn)動(dòng)員提供個(gè)性化的訓(xùn)練方案,幫助其改善功能動(dòng)作。針對(duì)身體功能動(dòng)作的糾正訓(xùn)練,國(guó)外已有學(xué)者將其概括為肌肉筋膜放松、肌肉牽拉、肌肉激活和動(dòng)作整合4個(gè)環(huán)節(jié),但此訓(xùn)練模型缺少了呼吸模式練習(xí),而呼吸訓(xùn)練有著協(xié)調(diào)腹部核心肌群的重要作用。因此,將呼吸訓(xùn)練作為糾正訓(xùn)練的重要內(nèi)容,對(duì)防止運(yùn)動(dòng)損傷、提高訓(xùn)練效率都有積極意義。

呼吸練習(xí)。日常生活習(xí)慣使很多人養(yǎng)成錯(cuò)位呼吸模式,本該參與呼吸的肌肉卻喪失了呼吸功能。科學(xué)高效的呼吸模式可以激活深層穩(wěn)定肌群,放松過于緊張的肌群,重新建立缺失的腹內(nèi)壓,提高運(yùn)動(dòng)效率。常見的呼吸訓(xùn)練方法有鱷魚式呼吸和90/90腹式呼吸。

肌肉筋膜放松(抑制技術(shù))。肌肉筋膜放松是對(duì)筋膜、肌腱和韌帶等軟組織進(jìn)行梳理,有效緩解肌肉緊張導(dǎo)致的不適感和疼痛感的一種放松方法。常見的筋膜放松通常采用泡沫滾軸、筋膜球、按摩棒與花生球等器材對(duì)肌肉與筋膜進(jìn)行按壓。筋膜放松可有效提高人體組織細(xì)胞的可塑性和關(guān)節(jié)的活動(dòng)幅度,降低組織纖維的黏連性,以及主動(dòng)和被動(dòng)關(guān)節(jié)的僵硬度。

肌肉牽拉(拉長(zhǎng)技術(shù))。肌肉牽拉是通過拉長(zhǎng)過度活躍或縮短的肌肉組織,改善關(guān)節(jié)靈活性,增強(qiáng)組織延展性,加強(qiáng)神經(jīng)肌肉效率。常見的肌肉牽拉技術(shù)有動(dòng)靜態(tài)拉伸、神經(jīng)肌肉拉伸、PNF拉伸等。

肌肉力量訓(xùn)練(激活技術(shù))。肌肉力量訓(xùn)練用于激活與強(qiáng)化評(píng)估中發(fā)現(xiàn)的不夠活躍或肌力弱的肌肉,主要通過分離強(qiáng)化訓(xùn)練及定位等長(zhǎng)訓(xùn)練的方式進(jìn)行。分離強(qiáng)化訓(xùn)練指分離出特定肌肉通過向心和離心活動(dòng)機(jī)制達(dá)到增強(qiáng)其力量輸出的效果。定位等長(zhǎng)訓(xùn)練是指在關(guān)節(jié)活動(dòng)末端進(jìn)行等長(zhǎng)收縮,由于等長(zhǎng)收縮比向心收縮產(chǎn)生更高的肌肉張力,因此可進(jìn)一步激活與強(qiáng)化目標(biāo)肌肉。

運(yùn)動(dòng)控制練習(xí)(動(dòng)作整合技術(shù))。由于肌肉發(fā)力順序不正確,運(yùn)動(dòng)員的穩(wěn)定肌被激活較晚,或者根本沒有動(dòng)用穩(wěn)定肌,導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)控制功能障礙。因此,目標(biāo)肌肉被激活即可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制訓(xùn)練,該練習(xí)強(qiáng)調(diào)神經(jīng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)參與,通過多平面多環(huán)節(jié)訓(xùn)練提高神經(jīng)肌肉的控制能力,增強(qiáng)人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的功能。

最后,將功能動(dòng)作訓(xùn)練邏輯與內(nèi)容以計(jì)算機(jī)可識(shí)別的方式錄入系統(tǒng),運(yùn)用視覺捕捉技術(shù)獲取人體運(yùn)動(dòng)信息完成對(duì)功能動(dòng)作的評(píng)估,根據(jù)評(píng)估結(jié)果提供個(gè)性化的糾正訓(xùn)練方案,并對(duì)訓(xùn)練過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,避免因訓(xùn)練動(dòng)作質(zhì)量不佳導(dǎo)致二次傷害,幫助運(yùn)動(dòng)員糾正問題,改善功能,降低損傷風(fēng)險(xiǎn),提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)評(píng)估與訓(xùn)練一體化,推動(dòng)體能訓(xùn)練的個(gè)性化與數(shù)字化發(fā)展。

基于視覺的人體功能動(dòng)作識(shí)別與分析有巨大的應(yīng)用價(jià)值,對(duì)專業(yè)運(yùn)動(dòng)員和運(yùn)動(dòng)參與者均具有關(guān)鍵作用。Human trak運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)將3D紅外攝像頭數(shù)據(jù)與來自腕部和腳踝傳感器的IMU數(shù)據(jù)相結(jié)合提高位置精確度,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人體平衡、關(guān)節(jié)活動(dòng)度及功能性動(dòng)作的測(cè)試與分析,并量化關(guān)鍵指標(biāo)?；诳纱┐魇絺鞲衅髋c視覺捕捉技術(shù)相結(jié)合的動(dòng)作評(píng)估系統(tǒng)還有數(shù)字化FMS(功能性動(dòng)作篩查)評(píng)估及訓(xùn)練系統(tǒng),通過5個(gè)可穿戴的傳感器進(jìn)行功能動(dòng)作篩查及其他運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估,根據(jù)評(píng)估結(jié)果提供個(gè)性化糾正訓(xùn)練方案,并結(jié)合三維動(dòng)作的視覺反饋進(jìn)行訓(xùn)練幫助功能受限者糾正問題,提高訓(xùn)練的趣味性。目前該系統(tǒng)被應(yīng)用于FIFA(國(guó)際足聯(lián))及多支意甲俱樂部球隊(duì),并取得優(yōu)異的成果。

Kinetisense體姿與功能動(dòng)作評(píng)估系統(tǒng)無需穿戴設(shè)備即可完成對(duì)人體功能動(dòng)作的測(cè)試與分析,該系統(tǒng)是一款3D運(yùn)動(dòng)捕捉工具,利用高清攝像頭捕捉動(dòng)作,紅外攝像機(jī)感應(yīng)身體熱量分布和“輪廓”,“聲吶式”相機(jī)提供身體深度,專有算法進(jìn)行實(shí)時(shí)3D運(yùn)動(dòng)評(píng)估,測(cè)試結(jié)果會(huì)顯示身體綜合狀態(tài),如平衡能力、關(guān)節(jié)活動(dòng)度、核心穩(wěn)定能力、下肢力量與損傷風(fēng)險(xiǎn)等。目前,該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于美國(guó)男子職業(yè)籃球聯(lián)賽、美國(guó)棒球大聯(lián)盟等,對(duì)專業(yè)運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作評(píng)估提供量化分析,幫助運(yùn)動(dòng)員糾正錯(cuò)誤動(dòng)作模式,改善身體功能,取得出色的運(yùn)動(dòng)成績(jī)。此外,Phsimax身體功能性評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)視覺跟蹤和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)客觀評(píng)估運(yùn)動(dòng)員的靈活性、穩(wěn)定性力量和運(yùn)動(dòng)控制等,以此監(jiān)控運(yùn)動(dòng)員的肌肉骨骼狀況,發(fā)現(xiàn):有60%的受測(cè)者執(zhí)行Physimax制定的訓(xùn)練計(jì)劃后降低了受傷風(fēng)險(xiǎn);有50%的受測(cè)者執(zhí)行Physimax制定的訓(xùn)練計(jì)劃后系統(tǒng)評(píng)估從“危險(xiǎn)狀態(tài)”變?yōu)椤懊撾x危險(xiǎn)”狀態(tài);循環(huán)往復(fù)地進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控的運(yùn)動(dòng)員表現(xiàn)更好。

在我國(guó),運(yùn)用視覺捕捉技術(shù)對(duì)功能性動(dòng)作進(jìn)行評(píng)估,根據(jù)評(píng)估結(jié)果智能推送功能訓(xùn)練方案才剛剛起步。2019年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)與國(guó)家體育總局體育科學(xué)研究所合作研發(fā)的基于視覺捕捉技術(shù)的智能教練系統(tǒng)對(duì)視頻目標(biāo)實(shí)施自動(dòng)追蹤,對(duì)其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的時(shí)空參數(shù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算,實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)活動(dòng)度及功能動(dòng)作的評(píng)估,根據(jù)評(píng)估結(jié)果智能推出個(gè)性化糾正訓(xùn)練方案,并利用視覺捕捉技術(shù)對(duì)糾正訓(xùn)練方案進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,避免因動(dòng)作質(zhì)量不佳產(chǎn)生新的損傷。

5 小 結(jié)

通過闡述基于視覺的人體功能動(dòng)作評(píng)估與訓(xùn)練的重要作用及其應(yīng)用現(xiàn)狀認(rèn)為:視覺捕捉技術(shù)不僅可以解決傳統(tǒng)功能動(dòng)作評(píng)估的局限性,還能實(shí)現(xiàn)對(duì)功能動(dòng)作的量化分析,為專業(yè)運(yùn)動(dòng)員提供個(gè)性化的訓(xùn)練方案,對(duì)幫助運(yùn)動(dòng)員改善功能動(dòng)作,提高運(yùn)動(dòng)成績(jī),實(shí)現(xiàn)體能訓(xùn)練的個(gè)性化與數(shù)字化具有深遠(yuǎn)意義。