叢曉丹,劉曉曦,馬艷超

(1.黑龍江省科學(xué)院智能制造研究所,哈爾濱 150001; 2.哈爾濱漢碩體育科技有限公司,哈爾濱 150001)

0 引言

為穩(wěn)固冰雪運動人口基數(shù),需進(jìn)一步進(jìn)行冰雪運動推廣實踐,保障滑雪教學(xué)安全[1]。運動科學(xué)研究是提升滑雪教學(xué)手段的關(guān)鍵,滑雪姿態(tài)運動學(xué)分析通過研究運動員與運動器械位置姿態(tài)隨時間變化的規(guī)律及軌跡,揭示滑雪運動姿態(tài)的內(nèi)在機(jī)制,建立正確的動作技術(shù)模型,為滑雪教學(xué)動作診斷及體術(shù)提升提供數(shù)據(jù)支持[2]。但由于滑雪運動場地條件苛刻、技術(shù)動作復(fù)雜,體育科學(xué)和工程研究對滑雪運動狀態(tài)的感知及監(jiān)測研究較少,缺乏相應(yīng)的理論模型。

本研究采取室內(nèi)四季滑雪機(jī)實驗環(huán)境,以滑雪運動員為研究對象,搭建三維運動捕捉平臺,采集滑雪運動員初級滑雪教學(xué)中犁式直滑降、犁式制動、犁式轉(zhuǎn)彎技術(shù)動作姿態(tài),建立運動員及雪板3D運動學(xué)模型,從運動學(xué)角度對技術(shù)動作進(jìn)行數(shù)據(jù)評價。結(jié)合滑雪教學(xué)標(biāo)準(zhǔn),探討多項數(shù)據(jù)指標(biāo)對滑行技術(shù)動作效果的影響。

1 室內(nèi)滑雪三維運動捕捉平臺

選取Qualisys高精度光學(xué)三維運動捕捉系統(tǒng),搭建室內(nèi)滑雪三維運動捕捉平臺。整套系統(tǒng)由多部近紅外線高感攝像機(jī)、高速三維數(shù)據(jù)捕捉工作站、獲取單元、校準(zhǔn)設(shè)備、標(biāo)識球(Marker)套裝及設(shè)備固定裝置組成,能夠準(zhǔn)確捕捉到高速運動人體上Marker的空間坐標(biāo)變化,通過運動學(xué)分析實現(xiàn)人體運動動作重建。室內(nèi)滑雪三維運動捕捉過程如圖1所示,主要包括實驗準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等步驟。

2 人體姿態(tài)建模方法

三維運動姿態(tài)控制的核心是骨骼結(jié)構(gòu)建模。虛擬運動員的人體骨骼是由身體主要部位的關(guān)節(jié)點組成,連接兩個相鄰的關(guān)節(jié)點得到相應(yīng)的骨骼。關(guān)節(jié)點位置由標(biāo)識球計算獲得,建模過程定義了每個關(guān)節(jié)點的名稱、ID及父子繼承關(guān)系,所有關(guān)節(jié)點關(guān)聯(lián)構(gòu)成一套完整的骨骼模型。骨骼模型如圖2所示,通過各關(guān)節(jié)點之間協(xié)同運動,復(fù)現(xiàn)人體運動的基本特征。

圖2 三維骨骼模型Fig.2 3D skeleton model

3 實驗設(shè)計

3.1 實驗準(zhǔn)備

3.1.1 場地準(zhǔn)備

滑雪三維運動捕捉以室內(nèi)四季滑雪機(jī)為實驗環(huán)境。室內(nèi)四季滑雪機(jī)雪毯區(qū)域長12 m,寬5 m,坡度約25°,穩(wěn)定運行速度設(shè)定為15 km/h。結(jié)合攝像機(jī)視角需求及場地空間結(jié)構(gòu)共安裝8部近紅外線高感攝像機(jī)和1部影像攝像機(jī),攝像機(jī)位置安排如圖3所示。攝像機(jī)架設(shè)好后,調(diào)整攝像頭角度、光圈、焦距,確保視角覆蓋運動員所有運動范圍,畫面亮度均勻,圖像清晰。

圖3 攝像機(jī)位置Fig.3 Camera position

3.1.2 貼標(biāo)識球

標(biāo)識球位置布置對應(yīng)人體骨骼建立,直接影響人體運動數(shù)據(jù)精度。需采集滑雪運動員全身關(guān)節(jié)點運動情況,故采用圖4中全身標(biāo)識球布置方式[3]。全身共貼設(shè)45個標(biāo)識球,將人體部位簡化為不同半徑的圓柱體剛體。2塊雪板前后各一個標(biāo)識球,捕捉雪板位姿變化。貼標(biāo)識球時,人體應(yīng)處于自然站立狀態(tài),根據(jù)初始狀態(tài)下的標(biāo)識球相對位置對后續(xù)運動數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

圖4 運動員標(biāo)識點位置Fig.4 Athlete identification point location

3.1.3 空間標(biāo)定

在進(jìn)行滑雪三維運動捕捉前,需對測量空間進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定,建立空間坐標(biāo)系。以雪毯區(qū)域中心為空間坐標(biāo)系,原點O,X軸平行于雪毯區(qū)域的短邊,以斜面下端為正前方,向左為負(fù),向右為正。Y軸與X軸同一水平面并垂直于X軸,斜面斜面上端為負(fù)向,下端為正向。Z軸垂直于XOY平面,水平向上為正,向下為負(fù)。在完成系統(tǒng)標(biāo)定后,滑雪運動員站在雪毯中央,采集一組靜態(tài)動作,用于建立人體骨骼模型。

3.2 數(shù)據(jù)采集

實驗準(zhǔn)備工作完成后,啟動室內(nèi)四季滑雪機(jī)逐漸加速至15 km/h保持勻速,滑雪運動員穩(wěn)定滑行。啟動三維運動捕捉軟件,根據(jù)事先設(shè)定的實驗動作進(jìn)行實時采集,包括犁式直滑降、犁式左轉(zhuǎn)彎、犁式右轉(zhuǎn)彎、犁式制動。每次滑行時間3 min,左右勻速往復(fù)滑行,包含所有技術(shù)動作特征,共采集3次。記錄滑行過程中標(biāo)識球時空坐標(biāo)軌跡,如圖5所示。

圖5 標(biāo)識球時空坐標(biāo)軌跡Fig.5 Trajectory of marker time-space coordination

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,確認(rèn)并連接標(biāo)識點,結(jié)合滑雪運動員身高、體重等相關(guān)信息,建立個體骨骼模型。追蹤標(biāo)識點的運動軌跡,對數(shù)據(jù)進(jìn)行缺失標(biāo)記、濾波處理,導(dǎo)出并保存完整的骨骼動作信息。根據(jù)滑雪運動學(xué)特點提出4種能夠體現(xiàn)滑雪技能的特征參數(shù)[4],如表1所示,計算特征參數(shù)變化。

表1 滑雪特征參數(shù)Tab.1 Skiing feature parameters

4 結(jié)果分析

滑雪特征參數(shù)結(jié)果如圖6所示。小腿迎面骨與雪板夾角大小與運動員重心位置變化顯著相關(guān),小腿迎面骨與雪板夾角越小,重心越靠前并向該側(cè)傾斜。實驗過程中,在犁式右轉(zhuǎn)彎階段,運動員重心左移,左小腿迎面骨與雪板夾角減小,右小腿迎面骨與雪板夾角增大。在犁式直滑降階段,運動員重心回到中間,雙腿迎面骨與雪板夾角近似。在犁式左轉(zhuǎn)彎階段,運動員重心右移,右小腿迎面骨與雪板夾角減小,左小腿迎面骨與雪板夾角增大。左右小腿迎面骨與雪板夾角同周期變化,波形相反。雙雪板外刃夾角、雙膝蓋經(jīng)髖關(guān)節(jié)夾角大小與滑行速度顯著相關(guān)。在犁式直滑降階段,運動員加速滑行,雙雪板外刃夾角減小,雙膝蓋經(jīng)髖關(guān)節(jié)夾角減小。在犁式右轉(zhuǎn)彎和犁式左轉(zhuǎn)彎階段,運動員轉(zhuǎn)彎減速,雙雪板外刃夾角增大,雙膝蓋經(jīng)髖關(guān)節(jié)夾角增大。雙雪板外刃夾角和雙膝蓋經(jīng)髖關(guān)節(jié)夾角同周期變化,波形相似。上臂與軀干夾角大小與運動員身發(fā)力顯著相關(guān),輔助身體平衡。在犁式右轉(zhuǎn)彎階段,運動員重心左移,左臂靠近身體,右上臂與軀干夾角減小。在犁式直滑降階段,運動員重心回到中間,雙上臂與軀干夾角近似。在犁式左轉(zhuǎn)彎階段,運動員重心右移,右臂靠近身體,右上臂與軀干夾角減小。左右上臂與軀干夾角同周期變化,波形相反。

圖6 特征參數(shù)Fig.6 Feature parameters

5 結(jié)論

對室內(nèi)滑雪技術(shù)特征和場地特點進(jìn)行探索,搭建三維運動捕捉平臺,結(jié)合人體運動模型獲取運動員姿態(tài)特征數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上分析運動員在每個動作周期內(nèi)滑雪運動特征參數(shù),獲得全身各部位相互協(xié)調(diào)技術(shù)規(guī)律,提高了滑雪教練員及運動員對滑雪動作結(jié)構(gòu)技術(shù)的認(rèn)識,可據(jù)此構(gòu)建滑雪愛好者不同時期的滑行數(shù)據(jù)分析其在一定時期內(nèi)的技能提升水平。

未來,可進(jìn)一步廣泛采集不同水平滑雪運動員技術(shù)運動特征參數(shù),建立關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)三維評價診斷體系,實現(xiàn)滑雪運動訓(xùn)練的數(shù)字化指導(dǎo)。