伍 勰

基于紅外光點捕獲系統(tǒng)實現(xiàn)抓舉技術(shù)的快速反饋

伍 勰

目的:以舉重抓舉動作技術(shù)的快速反饋為實現(xiàn)目標(biāo),探索解決由于技術(shù)指標(biāo)結(jié)果反饋周期過長而造成運動技術(shù)分析在科研服務(wù)中的實際效果欠佳的問題。方法:利用V ICON紅外光點捕獲系統(tǒng),同步采集抓舉動作的三維運動學(xué)及地面反作用力數(shù)據(jù)并導(dǎo)入至自編的分析軟件進(jìn)行實時運動模式識別與數(shù)據(jù)修補,快速再現(xiàn)抓舉動作的三維棍圖與一系列相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)。結(jié)果:通過對兩名優(yōu)秀舉重運動員共計20次抓舉動作的反饋測試表明,所建立的抓舉運動模式識別方法準(zhǔn)確有效、反饋用時短,能滿足技術(shù)訓(xùn)練的實踐需求。結(jié)論:在紅外光點捕獲系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)上開發(fā)相應(yīng)的自動識別與反饋系統(tǒng)是一種值得嘗試的運動技術(shù)分析方法,有較好的應(yīng)用前景。

舉重;抓舉;技術(shù);紅外光點捕獲系統(tǒng);快速反饋

1 前言

在運動生物力學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中,一項重要的任務(wù)就是利用各種先進(jìn)的測量手段和方法來分析運動員的動作技術(shù)從而幫助他們改進(jìn)技術(shù),提高運動成績。在動作技術(shù)分析過程中,最為基本的三個步驟包括數(shù)據(jù)采集、計算分析和結(jié)果反饋。由于這三個步驟都需要占用一定的時間,使得技術(shù)分析結(jié)果往往要經(jīng)過較長時間(幾天甚至幾周)才能反饋到教練員手中,這就大大降低了技術(shù)分析的實踐應(yīng)用價值,特別是對于那些需要對動作技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)的運動員,如果能在技術(shù)訓(xùn)練課中快速地給予技術(shù)反饋,無疑將對運動員建立良好技術(shù)的動力定型產(chǎn)生積極的效果。

為實現(xiàn)動作技術(shù)的快速反饋,關(guān)鍵是解決人體運動的自動跟蹤與識別問題。王向東[5]曾利用灰度識別技術(shù)對抓舉視頻圖像中的杠鈴端點進(jìn)行了自動識別,劉國翌等[4]提出了一種基于優(yōu)化框架并融合多種圖像特征的三維人體運動跟蹤算法來對舉重動作進(jìn)行了三維重建。然而,基于視頻圖像的自動跟蹤與識別在技術(shù)上存在很大的難度,且得到的是某種數(shù)學(xué)優(yōu)化的結(jié)果,因此,在跟蹤準(zhǔn)確性及識別精度方面仍未能很好地滿足實際應(yīng)用的需求,也正是這個原因。近年來,利用紅外光點運動捕獲系統(tǒng)對人體運動進(jìn)行三維運動學(xué)采集已逐漸普遍,這類系統(tǒng)的最大優(yōu)點在于能自動實時跟蹤布置于人體上的反光Marker球的三維空間位置,從而大大縮短了獲取原始運動學(xué)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的時間,而且精度也遠(yuǎn)高于在運動序列圖片上進(jìn)行人工標(biāo)定關(guān)節(jié)點位置的傳統(tǒng)方法。然而,要借助紅外光點運動捕獲系統(tǒng)平臺來真正實現(xiàn)動作技術(shù)的快速反饋仍需解決兩個技術(shù)問題,一是,Marker球的自動識別(運動模式識別)問題,雖然紅外光點捕獲系統(tǒng)能自動跟蹤Marker球,然而,所有布置于人體上的Marker球都必須在數(shù)據(jù)采集結(jié)束后逐一進(jìn)行人工標(biāo)識(Label),并要對數(shù)據(jù)采集過程中由于各種原因所引起的跟蹤中斷和光點串?dāng)_等情況進(jìn)行人工修復(fù)與處理,這一過程往往需要花費較長的時間才能完成。另一項必須的工作是建立針對性的動作技術(shù)指標(biāo)體系,由于當(dāng)前所有的運動分析商用軟件都是屬于通用性軟件,很少有專門針對某項具體運動項目的獨立分析模塊(除有些軟件帶有步態(tài)分析模塊外),所以,要想實現(xiàn)動作技術(shù)的快速反饋,還必須建立針對性的技術(shù)指標(biāo)評價體系和分析模塊。

考慮到舉重是一種室內(nèi)項目,可滿足紅外光點捕獲系統(tǒng)的工作環(huán)境要求。同時,舉重項目一直是我國傳統(tǒng)的優(yōu)勢項目之一,而且,其抓舉動作技術(shù)要求高,建立抓舉動作技術(shù)的快速反饋系統(tǒng)在可行性與應(yīng)用性兩方面都有著較好的現(xiàn)實意義。

2 研究方法

2.1 基本技術(shù)路線

抓舉動作技術(shù)快速反饋的實現(xiàn)方案見圖1。測量設(shè)備包括8臺V ICON MX13紅外光點捕獲系統(tǒng)和1臺與之同步測量的Kistler 9287B三維測力臺,將測力臺嵌入至舉重臺中央鏤空部分(兩者表面平齊),并固定于地面。V ICON拍攝頻率為250 Hz,測力臺的采樣頻率為1 250 Hz。動作過程的運動學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建后形成C3D文件(國際標(biāo)準(zhǔn)的運動生物力學(xué)測試數(shù)據(jù)文件格式),將C3D文件導(dǎo)入至自編軟件進(jìn)行運動模式識別及數(shù)據(jù)修補,最后快速反饋三維棍圖及一系列相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)。選取4名優(yōu)秀舉重運動員(男、女各2名)作為實驗對象,在舉重臺上完成不同重量(男:40～80 kg,女:30～65 kg)的抓舉動作。實驗分為兩個階段,第一階段,選取2名運動員(男、女各1名)進(jìn)行實驗,所采集的動作數(shù)據(jù)主要為程序調(diào)試服務(wù),即針對抓舉動作的運動學(xué)特征完善程序中有關(guān)運動模式識別的工作;第二階段,選取另2名運動員進(jìn)行實驗,目的為考察反饋系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性與實時性。軟件系統(tǒng)利用OpenGL與VC++6.0編制完成。

2.2 Marker球的配置

在人體上粘附反光Marker球(標(biāo)志點)是紅外光點捕獲系統(tǒng)工作原理的需求,人體模型的選擇與研究目標(biāo)的設(shè)定直接決定著Marker球的配置方案。本研究在計算人體總重心位置時采用Dempster等人的人體測量學(xué)參數(shù)[10],按相應(yīng)的環(huán)節(jié)定義在主要關(guān)節(jié)的兩側(cè)骨性標(biāo)志處粘附Marker球,用于確定關(guān)節(jié)中心位置(圖2)。頭部、踝部與足面上的Marker球分別粘貼于彈力頭帶、運動襪及舉重鞋表面,其余Marker球均直接粘附于皮膚表面,由于舉重動作速率相對較慢、活動范圍小,在運動員身體關(guān)節(jié)處粘貼Marker球并不對運動本身造成過多妨礙。為考察杠鈴的運動,杠鈴桿兩端也被粘貼了Marker球。這樣,整個反饋系統(tǒng)的Marker球配置共包含了28個Marker球(直徑為14 mm)。

需要指出的是,在人體運動過程中由于關(guān)節(jié)處皮膚的運動會導(dǎo)致Marker球的位置偏差,一些學(xué)者推薦采用區(qū)分標(biāo)定Marker與跟蹤Marker的方法對一個具體的動作對象實施靜態(tài)捕捉與動態(tài)捕捉兩次測試,來減小這種偏差[11]。但考慮到快速反饋的時間要求,同時也考慮到舉重動作本身的運動速度相對較慢的特點,圖2所示的Marker球在運動過程中的這種位置偏差將被忽略。

圖1 抓舉動作快速反饋系統(tǒng)的基本工作流程圖Figure 1. The Basic Working Procedures of Quick Feedback System for Snatch Technique

圖2 抓舉動作的Marker球配置方案圖Figure 2. The Marker Set Configuration for Snatching Action

圖3 抓舉提鈴階段開始瞬間的Marker球位置分布(前視)圖Figure 3. The Spatial Position of Markers at Onset of Snatching Action(frontal view)

2.3 運動模式識別與數(shù)據(jù)修補

所謂運動模式識別在本研究中就是指根據(jù)抓舉動作的運動學(xué)特征,通過計算機(jī)程序?qū)λ鵐arker球進(jìn)行自動識別的過程,這個工作也是本研究最為關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)。在運動過程中,由于紅外光點捕獲系統(tǒng)本身硬件能力的不足或由于肢體遮擋的原因會造成Marker球跟蹤中斷,當(dāng)某一Marker球出現(xiàn)跟蹤中斷并再次被捕獲時,采集系統(tǒng)將為其重新開設(shè)新的數(shù)據(jù)通道來紀(jì)錄后續(xù)的數(shù)據(jù),其默認(rèn)的標(biāo)識名稱也隨之更改,因此,一個Marker球在運動過程中可能會產(chǎn)生多個數(shù)據(jù)片斷并分散在不同的數(shù)據(jù)通道中,確定所有數(shù)據(jù)通道的Marker球歸屬就是運動模式識別的具體任務(wù)。本研究在模式識別中所采用的基本方法如下: 1)根據(jù)杠鈴長度及杠鈴片半徑等參數(shù)尋找杠鈴端點Marker球,并將杠鈴端點開始運動時刻設(shè)為整個抓舉動作的起始幀(圖3);2)根據(jù)第一階段實驗數(shù)據(jù)(本研究第一階段的數(shù)據(jù)樣本為30例)建立各Marker球的基本運動學(xué)特征曲線及相對位置關(guān)系,通過擬合比對的方法對運動過程中的Marker球進(jìn)行識別。在Marker球識別過程中,剔除“鬼點”(ghost)也是必須的工作。所謂“鬼點”是指除真實Marker球外,由于紅外線反射異常所形成的冗余點,這些點會給識別工作造成干擾。剔除“鬼點”的工作分為3次,第1次是在起始幀處,第2次與識別工作同步進(jìn)行,第3次在識別工作結(jié)束后。由于“鬼點”并不產(chǎn)生運動,其坐標(biāo)變化微小,因此,可根據(jù)這個特點結(jié)合對其坐標(biāo)的合理性分析來進(jìn)行剔除。在識別工作完成后,最后一項任務(wù)就是對缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行修補,本研究采用3次樣條插值的方法中斷空白進(jìn)行了數(shù)據(jù)填充。

2.4 反饋指標(biāo)的確定

在對原始數(shù)據(jù)的后處理中,本研究采用Butterwo rth二階低通濾波器對所有Marker球的原始三維坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑(截止頻率為10 Hz),測力臺數(shù)據(jù)不作平滑處理。采用Dempster等人的人體測量學(xué)參數(shù)計算人體重心,線或角運動的速度參量采用有限差商法計算得到[10]。

對于動作技術(shù)的快速反饋而言,在篩選指標(biāo)時不僅要注重指標(biāo)的關(guān)鍵性,并且應(yīng)盡可能地選擇簡單明了的指標(biāo),這將有利于教練員和運動員的理解,這一點是影響反饋效果的一個重要因素。對于抓舉動作,人鈴位置關(guān)系、各關(guān)節(jié)角運動變化、運動各階段時間比等都是常用的運動學(xué)評價指標(biāo)[2,3,6,7],對于動力學(xué)指標(biāo),垂直地面反力、對杠鈴的作用力以及對杠鈴的輸出功率則能有效反映運動員發(fā)力特點及專項能力[1,8,9,12]。在查閱有關(guān)抓舉動作的生物力學(xué)分析文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,本研究確立的主要運動學(xué)反饋指標(biāo)有:人體重心與杠鈴中心的軌跡線及其水平距離、杠鈴垂直及水平速度、抓舉動作過程的各階段時間分配、膝角-時間曲線。主要動力學(xué)反饋指標(biāo)有:垂直地面反作用力、對杠鈴的作用力和對杠鈴的輸出功率,其中,對杠鈴的作用力及輸出功率由杠鈴的質(zhì)量、加速度以及速度指標(biāo)派生獲得。所有上述指標(biāo)及更多的其他相關(guān)指標(biāo)在測試結(jié)束后都被保存成表格形式的數(shù)據(jù)文件,可選擇性打印輸出。

3 測試結(jié)果

通過第一階段的實驗,在完善反饋系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,本研究又進(jìn)行了第二階段的實用測試,對2名舉重運動員的20次抓舉動作的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了現(xiàn)場反饋。測試結(jié)果表明,本研究所建立的快速反饋系統(tǒng)在運動模式識別方面準(zhǔn)確無誤,并能實現(xiàn)真正意義上的實時性,從運動員動作結(jié)束至輸出反饋結(jié)果只需大約10 s,反饋結(jié)果直接輸出到大屏幕顯示器上。為了比對反饋速度,本研究特意對手工輸出測試結(jié)果所需的時間進(jìn)行了測算,結(jié)果表明,即使是熟練的操作人員對一次抓舉動作的數(shù)據(jù)整理與輸出也至少需要15 min。圖4為第二階段實驗中男性運動員在抓舉80kg時的快速反饋界面,反饋所輸出的三維人體棍圖及各項指標(biāo)能被運動員很好地理解與接受,特別是三維棍圖的實時再現(xiàn)(可從任意視角觀察)能有效幫助運動員準(zhǔn)確把握對該次抓舉動作的技術(shù)感知,運動棍圖中也同步繪出人體重心與杠鈴中心的運動軌跡線。運動學(xué)與動力學(xué)指標(biāo)曲線反饋結(jié)果可通過工具欄中的標(biāo)簽按鈕進(jìn)行切換觀察,運動學(xué)指標(biāo)曲線(圖4A右側(cè))從上至下分別為:杠鈴中心點垂直及水平速度、“兩心”(人體重心與杠鈴中心的)水平距離、各階段時間分配、右膝關(guān)節(jié)角度(對稱性原因,只取一側(cè))。動力學(xué)指標(biāo)曲線(圖4B右側(cè))從上至下分別為:垂直地面反作用力、對杠鈴的作用力及對杠鈴的輸出功率值,所有指標(biāo)的數(shù)值顯示均與運動棍圖同步。綜合相關(guān)文獻(xiàn),結(jié)合圖4中的指標(biāo)曲線圖并參考其他受試者的結(jié)果表現(xiàn),可以大致對該運動員的技術(shù)特點進(jìn)行如下的簡要評判:該運動員的引膝提鈴動作(第二階段)不夠明顯,表現(xiàn)在膝關(guān)節(jié)角度的第一峰值與第一谷值在數(shù)值上很接近(其他運動員在引膝時均有一個明顯的下蹲動作),這也造成了杠鈴垂直速度在此階段沒有出現(xiàn)下降的現(xiàn)象,而是持續(xù)增大。另外,該運動員的“兩心”水平距離尚顯不夠接近,且第一谷值出現(xiàn)在發(fā)力階段(第三階段),而其他運動員的這個谷值均出現(xiàn)在引膝提鈴結(jié)束時刻(第二階段末)。對于杠鈴中心與人體總重心的空間位置關(guān)系,有研究表明,優(yōu)秀運動員可出現(xiàn)杠鈴軌跡線穿越重心軌跡線的現(xiàn)象,但該運動員包括其他3名受試者的所有試舉過程中均未見這種情況。

在動力學(xué)方面,結(jié)合文獻(xiàn)報道并對所有受試對象的反饋結(jié)果進(jìn)行比較后可知,該運動員的垂直地面反作用力曲線在騰空(力值迅速降為零)結(jié)束后形成支撐時所達(dá)到的第二峰值偏小,反映出該運動員下支撐能力尚待加強(qiáng),這從膝關(guān)節(jié)角度曲線及對杠鈴作用力曲線中也可以得到反映,表現(xiàn)為屈膝過于迅速(離心能力不足),杠鈴失重較大。需要指出的是,隨杠鈴重量的上升,所有運動員均會表現(xiàn)出這種趨勢。因此,更具意義的工作是在同一杠鈴重量水平下對不同運動員的表現(xiàn)進(jìn)行比較。鑒于本研究的重點在于反饋系統(tǒng)的建立,因此,本研究不再對各受試者的抓舉動作本身進(jìn)行過多的技術(shù)分析和診斷。

圖4 抓舉動作快速反饋系統(tǒng)界面圖(A圖與B圖的指標(biāo)曲線分別為運動學(xué)與動力學(xué)結(jié)果)Figure 4. The Interface of the Quick Feedback System for Snatching (curves in A and B are the kinematics and kinetics parameters results respectively)

除了在交互界面上觀察反饋指標(biāo)外,所有可計算得到的指標(biāo)均可通過對話框選擇性輸出,包括各特征時刻的各種關(guān)節(jié)角(髖、膝、踝及軀干)、兩心距離、杠鈴運動速度、做功及功率等指標(biāo)并備注運動員姓名及抓舉重量,表1選擇性提取了若干指標(biāo)以示說明,數(shù)據(jù)來源仍為圖4中的運動員(表中與時間有關(guān)的參量均以動作總時間的百分比表示)。

表1 抓舉指標(biāo)選擇匯總一覽表Table 1 The Technique Parameters of the Snatch Action

4 討論與展望

對人體運動進(jìn)行測量、分析和評價是運動生物力學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的一項重要工作。在某些情況下(運動員技術(shù)診斷或病患行為能力評估等),測試結(jié)果的反饋速度是影響其應(yīng)用性的一個重要因素。在本研究的第二階段測試過程中,運動員可以實時看到自身動作的反饋結(jié)果,在工作人員對各項指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行解釋后,運動員很快便能理解自身技術(shù)的特點以及存在的技術(shù)缺陷。在測試過程中,當(dāng)加大杠鈴重量出現(xiàn)試舉失敗時,運動員通過觀察反饋結(jié)果也能很快找出導(dǎo)致失敗的主要運動學(xué)原因。這種動作技術(shù)的快速反饋機(jī)制能有效幫助運動員建立準(zhǔn)確的動作技術(shù)感知,這對于技術(shù)學(xué)習(xí)或技術(shù)改進(jìn)無疑將起到良好的輔助作用。

由于本系統(tǒng)是建立在紅外光點捕獲系統(tǒng)的硬件平臺之上的,而此類硬件系統(tǒng)價格較為昂貴,從應(yīng)用的可行性角度考慮,可采用的一種折衷方案是專業(yè)運動隊通過技術(shù)訓(xùn)練營的方式與有條件的實驗室合作,安排1～2周的針對性技術(shù)訓(xùn)練課,在快速反饋系統(tǒng)協(xié)助下完成既定的技術(shù)訓(xùn)練任務(wù)。

對于本研究所開發(fā)的反饋系統(tǒng),也需要在將來的進(jìn)一步應(yīng)用中不斷完善,可改進(jìn)的方面包括:設(shè)計便于運動員穿戴的Marker球定位方案(比如將Marker球固定于彈性護(hù)具上)、反饋指標(biāo)可根據(jù)運動員個體特征進(jìn)行定制、正確動作與錯誤動作的對照疊加反饋等等。

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Quick Feedback of Snatch Techn ique Based on Infrared Motion Capture System

WU Xie

Objective:The aim of this study is to develop a quick feedback system for snatch technique based on infrared motion cap ture system.Methods:the real-time 3D kinematics data of markers and GRF signals were collected synchronously w ith V ICON system and impo rted to motion pattern identify p rocedure.After all markers were identified and all data gaps were filled w ith cube spine interpolation,the 3D stick figure and a series of technique parameters during snatching is p resented by quick feedback system directly.Results:the feedback test on 20 trials of two elite weightlifters show s the quick feedback system developed in this study can identify the snatch action accurately just in few seconds and meet the need of training p ractice quite well.Conclusions:Developing a quick feedback system based on infrared mo tion cap ture system is a p racticable and wo rth p romoting solution for motion analysis.

w eight lif ting;snatch technique;infrared motion capture system;quick feedback

G804.6

A

1000-677X(2010)08-0073-04

2010-01-25;

2010-07-10

上海市教委科研創(chuàng)新項目(08YZ131)。

伍勰(1972-),男,浙江瑞安人,副教授,博士,研究方向為運動技術(shù)分析,Tel:(021)51253239,E-mail:w uxie1115 @yahoo.com.cn。

上海體育學(xué)院,上海200438 Shanghai University of Sport,Shanghai 200438,China.