秦國輝

摘 要： 傳統(tǒng)的運(yùn)動合理性判斷方法判斷效率和判斷準(zhǔn)確度不高，為此，提出基于三維圖像的運(yùn)動合理性判斷方法。利用三維圖像人體運(yùn)動模型采集人體運(yùn)動數(shù)據(jù)，并以人體的新陳代謝速度和肌肉中乳酸含量為分類依據(jù)，對隱含運(yùn)動損傷數(shù)據(jù)和人體合理運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。分類結(jié)果經(jīng)由人體狀態(tài)特征解析函數(shù)，解析出分類結(jié)果中的人體狀態(tài)是否合法。將解析出的合法數(shù)據(jù)輸入到運(yùn)動合理性判斷仿真模型中，利用正逆向動力學(xué)確定人體結(jié)構(gòu)參數(shù)、給出運(yùn)動合理性判斷結(jié)果。實(shí)驗結(jié)果證明，所提方法的運(yùn)動仿真誤差較低、判斷效率和判斷準(zhǔn)確度較高。

關(guān)鍵詞： 三維圖像； 運(yùn)動合理性判斷； 運(yùn)動數(shù)據(jù)采集； 仿真模型

中圖分類號： TN911.73?34； TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0022?03

Study and simulation of motion rationality judgment method based on 3D image

QIN Guohui

（Baoshan University， Baoshan 678000， China）

Abstract： As the judgment efficiency and the accuracy of movement rationality of the traditional judgment method are not high， a motion rationality judgment method based on 3 d image is put forward. A 3D image human motion model is used to acquire human motion data. Taking the body's metabolism speed and lactic acid content in his muscle as the classification basis， the implicit sport injury data and reasonable human motion data are classified. The human body state characteristic analytic function is used to analyze whether the human body state in the classification results is legal. The acquired legal data is input into the simulation model of movement rationality judgment. By means of direct and inverse dynamics， the human body structural parameters are determined and the motion rationality judgment result is given. The experimental results show that the proposed method has low motion simulation error， and high judgment efficiency and accuracy.

Keywords： 3D image； motion rationality judgment； motion data acquisition； simulation model

運(yùn)動合理性判斷是電子科技領(lǐng)域極具創(chuàng)造性的研究項目，同時也是醫(yī)療領(lǐng)域中疾病預(yù)防與診治的重要手段。近年來，運(yùn)動合理性判斷方法的研究與仿真已逐漸成為學(xué)術(shù)界共同探討的前沿課題[1?3]。在學(xué)術(shù)界以往提出的方法中，均是根據(jù)人體的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律對運(yùn)動合理性進(jìn)行判斷的，這些二維的判斷方法使用起來較為抽象，導(dǎo)致方法的運(yùn)動仿真誤差偏高，并無法取得較高的判斷效率和判斷準(zhǔn)確度。為此，提出基于三維圖像的運(yùn)動合理性判斷方法[4?6]。

1 運(yùn)動合理性判斷方法研究與仿真

1.1 三維圖像人體運(yùn)動模型

在日常生活中，由于受到體質(zhì)和運(yùn)動規(guī)律的影響，人體的反應(yīng)能力和防御能力忽高忽低，導(dǎo)致運(yùn)動損傷情況時有發(fā)生，為此，三維圖像人體運(yùn)動模型所需進(jìn)行重點(diǎn)提供的數(shù)據(jù)應(yīng)是隱含運(yùn)動損傷數(shù)據(jù)和人體合理運(yùn)動數(shù)據(jù)。根據(jù)上述情況構(gòu)建三維圖像人體運(yùn)動模型，如圖1所示。

由圖1可知，三維圖像人體運(yùn)動模型先對人體運(yùn)動三維圖像的隱含運(yùn)動損傷數(shù)據(jù)和正常運(yùn)動數(shù)據(jù)（“人體運(yùn)動數(shù)據(jù)”）進(jìn)行采集，并將其輸入到人體運(yùn)動數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行運(yùn)動數(shù)據(jù)類型的分類。

由于人體在運(yùn)動中的新陳代謝較為迅速，并且肌肉中將會匯聚大量乳酸，以上兩點(diǎn)均是重要的運(yùn)動合理性數(shù)據(jù)。因此，基于三維圖像的運(yùn)動合理性判斷方法對運(yùn)動損傷數(shù)據(jù)庫的分類工作，將以人體的新陳代謝速度和肌肉中乳酸含量為分類依據(jù)，對隱含運(yùn)動損傷數(shù)據(jù)和人體合理運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，組成人體運(yùn)動數(shù)據(jù)分類結(jié)果，該分類結(jié)果將會使用函數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步解析。

1.2 基于三維圖像的人體狀態(tài)特征解析函數(shù)

三維圖像的運(yùn)動合理性判斷方法利用基于三維圖像的人體狀態(tài)特征解析函數(shù)，判斷人體運(yùn)動數(shù)據(jù)中的人體狀態(tài)是否合法，這一解析過程是運(yùn)動合理性判斷仿真模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的保障，對提高所提方法的判斷準(zhǔn)確度和判斷效率具有重要作用，如圖2所示。

由圖2可知，三維圖像人體運(yùn)動模型給出的隱含運(yùn)動損傷數(shù)據(jù)和人體合理運(yùn)動數(shù)據(jù)中均含有人體狀態(tài)特征，包括骨骼運(yùn)動特征和肌肉運(yùn)動特征。這些人體狀態(tài)特征就是基于三維圖像的運(yùn)動合理性解析函數(shù)的重點(diǎn)解析內(nèi)容。用集合表示人體運(yùn)動數(shù)據(jù)的骨骼運(yùn)動特征集合， 表示肌肉運(yùn)動特征集合，，分別表示人體內(nèi)骨骼和肌肉的數(shù)量，那么，人體綜合狀態(tài)特征的函數(shù)表達(dá)式為：

式中：表示運(yùn)動時間；表示運(yùn)動區(qū)域面積；表示人體狀態(tài)特征因子。

根據(jù)式（1）的計算結(jié)果將人體結(jié)構(gòu)劃分成段，每段的人體狀態(tài)特征用集合表示，將集合中排序為的人體狀態(tài)特征與式（1）的計算結(jié)果進(jìn)行對比，經(jīng)由式（2）計算出二者的相似度：

根據(jù)式（2）的計算結(jié)果可解析出三維圖像中的人體運(yùn)動是否合法，合法的相似度計算結(jié)果應(yīng)與人體運(yùn)動數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)具有一定的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系。為此，將人體運(yùn)動數(shù)據(jù)庫的人體狀態(tài)特征閾值設(shè)為，當(dāng)時，則可確定三維圖像中的人體狀態(tài)是合法的。此時，所對應(yīng)的人體運(yùn)動數(shù)據(jù)會被輸入到運(yùn)動合理性判斷仿真模型中。

1.3 基于三維圖像的運(yùn)動合理性判斷仿真模型

基于三維圖像的運(yùn)動合理性判斷仿真模型采用三維可視化方法，對用戶所需的運(yùn)動合理性判斷流程和結(jié)果進(jìn)行展示。其以人體運(yùn)動數(shù)據(jù)為輸入，對運(yùn)動中各段人體結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行確定，最終得出運(yùn)動合理性的判斷結(jié)果，如圖3所示。

由圖3可知，基于三維圖像的運(yùn)動合理性判斷仿真模型包括兩個計算機(jī)仿真模型，分別是骨骼、肌肉計算機(jī)仿真模型和正逆向動力學(xué)計算模型。其中，骨骼、肌肉計算機(jī)仿真模型是對1.2節(jié)中計算出的合法人體運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行計算機(jī)仿真建模得到的，可以通過這一仿真模型對人體運(yùn)動中的慣性因子（包括人體重心、運(yùn)動慣量等）進(jìn)行獲取。

正逆向動力學(xué)計算模型通過引入動力學(xué)中的正向判斷方法和逆向判斷方法，對人體運(yùn)動中的慣性因子進(jìn)行正向判斷，確定出運(yùn)動中各段人體結(jié)構(gòu)參數(shù)；對人體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行逆向判斷，可獲取最終的運(yùn)動合理性判斷結(jié)果，進(jìn)而得出此時的人體運(yùn)動是否合理。

2 實(shí)驗結(jié)果分析

2.1 運(yùn)動仿真誤差驗證

對實(shí)驗輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所獲取到的三種方法運(yùn)動仿真誤差數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，本文方法對比對照組1而言，運(yùn)動仿真誤差平均縮減0.142%；對比對照組2而言，運(yùn)動仿真誤差平均縮減0.254%。證明三維圖像能夠有效模擬人眼視覺特點(diǎn)進(jìn)行人體運(yùn)動仿真，為本文方法帶來較低的運(yùn)動仿真誤差。

2.2 判斷效率驗證

對實(shí)驗中三種方法的判斷用時進(jìn)行統(tǒng)計，如表2所示。

由表2可知，兩個對照組中方法的判斷用時基本持平，而本文方法的判斷用時遠(yuǎn)高于其他兩種方法，證明本文方法判斷效率較高。

2.3 判斷準(zhǔn)確度驗證

對實(shí)驗輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所獲取到的三種方法判斷準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)如表3所示（判斷準(zhǔn)確度的單位為1）。

由表3可知，本文方法的判斷準(zhǔn)確度始終高于0.95，該數(shù)值高于其他兩種方法的最高判斷準(zhǔn)確度，證明本文方法具有較高的判斷準(zhǔn)確度。

3 結(jié) 論

三維圖像是當(dāng)今社會最為高級的顯示技術(shù)之一，它根據(jù)人體雙眼視力差異和折射原理為人們展現(xiàn)出逼真的畫面。運(yùn)動合理性判斷通常指對不會造成人體內(nèi)臟功能損傷的運(yùn)動行為的判斷。本文將兩種技術(shù)融合在一起，提出基于三維圖像的運(yùn)動合理性判斷方法。這種方法利用三維圖像構(gòu)建人體運(yùn)動模型、提供人體運(yùn)動數(shù)據(jù)并解析，在很大程度上降低了方法的運(yùn)動仿真誤差。本文最終通過運(yùn)動合理性判斷仿真模型給出運(yùn)動合理性判斷結(jié)果。通過實(shí)驗對判斷結(jié)果進(jìn)行分析，可證明本文方法具有較高的判斷效率和判斷準(zhǔn)確度。

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