武善鋒，曹艷杰

（南京師范大學(xué)泰州學(xué)院體育系，江蘇泰州 225300）

1 引 言

運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)是一種用于準(zhǔn)確測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體在三維空間中運(yùn)動(dòng)情況的高新技術(shù).從技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)捕捉的實(shí)質(zhì)就是要測(cè)量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡[1].典型的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備一般由傳感器、信號(hào)捕捉設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理設(shè)備這四大部分共同構(gòu)成.其中，傳感器是固定在運(yùn)動(dòng)物體特定部位的跟蹤裝置，用于向系統(tǒng)提供運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)的位置信息，是運(yùn)動(dòng)捕捉實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一.利用該技術(shù)可以幫助教練員從不同的角度觀察運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作，配合數(shù)據(jù)采集技術(shù)，搜集某類技術(shù)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)參數(shù)及運(yùn)動(dòng)員生理生化指標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)訓(xùn)練過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)的診斷和分析，為科學(xué)訓(xùn)練提供規(guī)范化的技術(shù)指導(dǎo).

2 現(xiàn)有成型定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介

所謂定位是指被定位物體具體的物理或數(shù)學(xué)層面上的位置數(shù)據(jù).現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)中，應(yīng)用比較廣泛的是成像式采集系統(tǒng)和電磁式采集系統(tǒng)，如表1中對(duì)三種典型定位系統(tǒng)進(jìn)行了多位比較.

表1 三種定位系統(tǒng)性能比較情況統(tǒng)計(jì)表

成像式采集系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理工作的，通過(guò)多個(gè)攝像機(jī)同時(shí)、高速、連續(xù)拍攝，獲取運(yùn)動(dòng)參數(shù)[2].成像式采集系統(tǒng)雖然可以捕捉實(shí)時(shí)動(dòng)作，但是對(duì)目標(biāo)的識(shí)別、跟蹤、定位的計(jì)算量較大，容易出錯(cuò)，而且對(duì)于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地有一定的限制，只適用于技巧類的體育項(xiàng)目（如蹦床、跳水、體操等）.

電磁式采集系統(tǒng)是基于電磁感應(yīng)原理工作的，將發(fā)射源附近規(guī)則分布的電磁場(chǎng)的變化測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，以有線方式交給后臺(tái)計(jì)算機(jī)處理，得到運(yùn)動(dòng)員的速度、角度和位置信息.信息采集的實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)，但是有線方式傳輸給場(chǎng)館的布線帶來(lái)麻煩，而且在使用過(guò)程中極易受到場(chǎng)館周?chē)姶艌?chǎng)的干擾、作用范圍和強(qiáng)度受到發(fā)射源位置和強(qiáng)度的限制，只適合于在仿真訓(xùn)練中使用.

隨著無(wú)線技術(shù)的日益普及和成熟，運(yùn)用無(wú)線定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度、高實(shí)時(shí)性、廣距離的運(yùn)動(dòng)捕捉具有廣闊的應(yīng)用前景.無(wú)線定位技術(shù)是通過(guò)對(duì)無(wú)線電波的一些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)特定的算法來(lái)判斷被測(cè)物體的位置[3].測(cè)量參數(shù)一般包括無(wú)線電波的傳輸時(shí)間、幅度、相位和到達(dá)角等.通過(guò)給運(yùn)動(dòng)員或者運(yùn)動(dòng)器械安裝定位傳感器或者定位標(biāo)簽，結(jié)合無(wú)線定位技術(shù)（如GPS、紅外、藍(lán)牙、超聲波、Wi-Fi等），將位置參數(shù)信息通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)送到后臺(tái)可視化服務(wù)器軟件進(jìn)行處理，如圖1所示.

圖1 無(wú)線定位技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)圖

在競(jìng)技體育領(lǐng)域中，無(wú)線室內(nèi)定位算法是目前比較成熟的，比如說(shuō)LANDMARC算法，其在室內(nèi)定位的精度可以達(dá)到厘米級(jí)，可以應(yīng)用于室內(nèi)競(jìng)技運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，如排球、羽毛球等.成功的無(wú)線室外定位系統(tǒng)卻不多，比如美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo以及我國(guó)自行研制的北斗系列導(dǎo)航系統(tǒng).這些系統(tǒng)進(jìn)行室外定位的精度為數(shù)十米，經(jīng)過(guò)修正后，可以達(dá)到厘米級(jí)；采用GPS載波相位測(cè)量技術(shù)，精度可以達(dá)到厘米級(jí)[4].在室外競(jìng)技運(yùn)動(dòng)，如足球、沙灘排球、橄欖球、帆船等項(xiàng)目中，可以以該技術(shù)為核心構(gòu)建室外運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng).

3 GPS載波相位差分定位技術(shù)

3.1 GPS定位

目前，GPS是室外定位和導(dǎo)航使用的主要方法.GPS全球定位系統(tǒng)的空間由24顆工作衛(wèi)星（其中三顆為備用衛(wèi)星）構(gòu)成.GPS的空間星座部分和地面監(jiān)控部分是運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)應(yīng)用GPS進(jìn)行定位的基礎(chǔ)，目前只能通過(guò)GPS接收機(jī)才能實(shí)現(xiàn).GPS接收機(jī)的主要任務(wù)是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，以獲得定位所需要的數(shù)據(jù)，如圖2所示.如果要實(shí)現(xiàn)精確定位，只需要一個(gè)歷元（指定天球坐標(biāo)或軌道參數(shù)而規(guī)定的某一時(shí)刻）內(nèi)對(duì)四顆衛(wèi)星的觀測(cè)量即可得到接收機(jī)準(zhǔn)確的三維位置.

圖2 GPS系統(tǒng)組成

GPS定位技術(shù)主要是測(cè)量測(cè)碼偽距（由碼相位觀測(cè)所確定的偽距）或者測(cè)相偽距（由載波相位觀測(cè)所確定的偽距），如圖3所示.利用碼相位（C/A碼）得到偽距的方法應(yīng)用比較早，但定位精度比較差，目前定位誤差為5米左右，根本無(wú)法滿足競(jìng)技體育的高精度要求.實(shí)驗(yàn)證明，由于載波波長(zhǎng)比較短，將其作為測(cè)量信號(hào)，精度可以達(dá)到0.2mm.GPS載波相位差分定位方法就是為了提高定位精度而產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的.

圖3 GPS定位

3.2 GPS載波相位差分定位原理

GPS載波相位差分（相對(duì)）定位系統(tǒng)是由基準(zhǔn)站、移動(dòng)站（GPS接收機(jī)）兩個(gè)部分組成，它將基準(zhǔn)站采集到的載波相位信號(hào)發(fā)給移動(dòng)站，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站載波相位觀測(cè)量的差分定位方法，如圖4所示.對(duì)應(yīng)到競(jìng)技體育中，就是將基準(zhǔn)站設(shè)定在固定點(diǎn)上，為所有運(yùn)動(dòng)員佩戴GPS接收機(jī)，在運(yùn)動(dòng)中利用載波相位差分實(shí)現(xiàn)定位.利用GPS載波相位差分定位技術(shù)可以在厘米量級(jí)精度上確定空間任意兩點(diǎn)之間的距離誤差，差分技術(shù)可以大大削弱相關(guān)誤差的影響，在高精度測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用.

圖4 GPS載波相位差分定位原理圖

GPS載波相位定位中求解坐標(biāo)方法包括單差、雙差和三差三種數(shù)學(xué)模型，其中雙差觀測(cè)方程構(gòu)成的數(shù)學(xué)模型使用最為普遍.雙差觀測(cè)方程將兩個(gè)不同測(cè)量站測(cè)得的數(shù)據(jù)求站間星間差，若移動(dòng)站和基準(zhǔn)站之間相隔距離比較近的時(shí)候，利用雙差方程可以就消除兩站之間的公共誤差和站接收機(jī)鐘差[5].

求解得到雙差相位觀測(cè)量:

在構(gòu)建賽場(chǎng)的時(shí)候，可以在賽場(chǎng)周?chē)胖霉潭ɑ?當(dāng)移動(dòng)站和基站間距離較近時(shí)，可以假設(shè)，這時(shí)：

移動(dòng)站相對(duì)基準(zhǔn)站的坐標(biāo)改變量為 ，當(dāng)基準(zhǔn)站坐標(biāo)已知的情況下，可以很容易的求得移動(dòng)站的坐標(biāo)；移動(dòng)站對(duì)于同步觀測(cè)兩顆GPS衛(wèi)星的方向矢量之差可以表示為：

其中，

表示觀測(cè)噪聲.等式（1）的位置參數(shù)

和雙差整周模糊度

，求解等式（1）的關(guān)鍵是

初始值的確定，確定完

后，就可以實(shí)現(xiàn)載波相位差分定位，在觀測(cè)過(guò)程中如果出現(xiàn)新的衛(wèi)星，需要在運(yùn)動(dòng)中重新確定

初始值，以確保載波相位差分定位的有效實(shí)現(xiàn)

[5]

.

3.3 GPS載波相位差分定位誤差分析

由于GPS載波相位差分定位是使用GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位的，因此，偽距測(cè)量誤差主要來(lái)源于衛(wèi)星、GPS接收器以及傳輸過(guò)程.其中，傳輸過(guò)程中衛(wèi)星星歷、電離層效應(yīng)、對(duì)流層效應(yīng)等對(duì)誤差的影響，可以通過(guò)差分算法完全消除[6].而基準(zhǔn)站、移動(dòng)站本身具備的誤差有些是可消除，有些是不可消除的.比如說(shuō)接收機(jī)安裝位置、天線相位中心變化誤差，可以完全消除或者通過(guò)人為干預(yù)進(jìn)行減?。欢邮諜C(jī)本身由于運(yùn)行的環(huán)境因素，如熱噪聲和多徑效應(yīng)（衛(wèi)星信號(hào)被地表或者障礙物多次反射），不可能通過(guò)差分系統(tǒng)消除.這些都是造成定位誤差的原因[7].但是這一部分誤差相比較其他GPS定位方法，已經(jīng)小了很多.所以，應(yīng)用在對(duì)精準(zhǔn)度比較高的室外競(jìng)技運(yùn)動(dòng)中是非常合適的，例如帆船、滑雪、足球（圖5、圖6）等.

圖5 帆船運(yùn)動(dòng)中3D運(yùn)動(dòng)捕捉

圖6 足球競(jìng)賽中運(yùn)動(dòng)員的定位

3.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)部署和儀器選擇

為了達(dá)到較好的定位精度，不影響運(yùn)動(dòng)員正常比賽，選擇將GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)部署在賽場(chǎng)周邊，共計(jì)3個(gè)基準(zhǔn)站，這樣可以全方位對(duì)運(yùn)動(dòng)員的行為進(jìn)行定位分析.衛(wèi)星高度角大于15°，采樣時(shí)間間隔為10s，如圖7.

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)部署

運(yùn)動(dòng)員佩戴的GPS接收機(jī)選用麥哲倫switch手表GPS.該接收機(jī)防水、耐摔、持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，靈敏度高可以使用于不同的賽事，并且可以通過(guò)無(wú)線方式和監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行通信，定位精度可以達(dá)到米級(jí).

3.5 數(shù)據(jù)處理和測(cè)量分析

后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)上安裝Solutions 3.3.2圖形處理軟件[8]，預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)站地理位置已知，通過(guò)GPS腕表采集地理位置參數(shù)，利用GPS載波相位差分定位原理，進(jìn)行運(yùn)算，得到如下計(jì)算坐標(biāo)和實(shí)際坐標(biāo)值，如表2.

表2 地理位置參數(shù)計(jì)算坐標(biāo)和實(shí)際坐標(biāo)值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

采用GPS載波相位差分定位技術(shù)對(duì)表2所得數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到表3數(shù)據(jù)，可以看出，實(shí)際測(cè)量產(chǎn)生出現(xiàn)誤差，但是誤差范圍可以縮小至mm單位以內(nèi).

表3 實(shí)際測(cè)量誤差統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 論

GPS技術(shù)由于具備全天候、全球性的定位能力，在當(dāng)前的導(dǎo)航定位之中應(yīng)用非常廣泛.如在競(jìng)技體育中的越野比賽、野外拓展訓(xùn)練、野外生存等用的非常多.但是，GPS也會(huì)受到天氣、地理位置等環(huán)境的影響，可能導(dǎo)致信號(hào)丟失或者精度不夠的問(wèn)題.文章提出了GPS載波相位差分定位方法，對(duì)其進(jìn)行了原理分析及定位誤差分析.通過(guò)計(jì)算，載波相位的觀測(cè)量雖然誤差是客觀存在的，然而可以縮小到到mm單位，從而提高了測(cè)量成果的可靠性和精確性[9].通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)該方法具有實(shí)效性高、定位精度高、范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)、成本低等的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于競(jìng)技體育運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)中，對(duì)提高運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)技能水平有著重要的作用.

在競(jìng)技體育運(yùn)動(dòng)中，運(yùn)用GPS載波相位差分定位方法，配合實(shí)時(shí)傳感器傳回的數(shù)據(jù)，可以對(duì)室外競(jìng)技體育賽后的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，也可以通過(guò)賽后或運(yùn)動(dòng)后數(shù)據(jù)建立模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)環(huán)場(chǎng)景，進(jìn)行實(shí)時(shí)的模擬訓(xùn)練.在訓(xùn)練過(guò)程中，及時(shí)將運(yùn)動(dòng)的參數(shù)傳回，有利于對(duì)運(yùn)動(dòng)技術(shù)要領(lǐng)進(jìn)行全面的分析和及時(shí)的修正，以便更好的改進(jìn)并提高運(yùn)動(dòng)員技術(shù)水平.通過(guò)對(duì)此方法的推廣，期望此方法能夠在體育訓(xùn)練和比賽中發(fā)揮重要作用.

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