論生物力學下三維人體運動模型構建范文

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摘要:在計算機中顯示的運動生物力學運動技術動作是以為三維立體運動生物力學解析影像為主，三維立體機具有復雜的人機對話功能，同時也能反饋三維形式的動畫，這樣運動員或是教練員就可以直接進行影像解析，從而服務于體育運動。想要建立直觀的三維運動生物力學動作技術立體效果，不僅需要建立人體運動技術動作模型，同時也需要使用計算機三維編程技術。所以，本文將會針對構建運動生物力學中三維人體運動模型進行分析。

關鍵詞:三維計算機立體顯示;運動生物力學;三維計算機編程技術;人體模型

引言

三維人體模型在網絡虛擬環境、動畫、影視中使用比較多，而且具有一定的標準規范。但是關于人體模型的標準缺少不統一的，這對系統的兼容性提出了很高的要求。最早的三維人體模型是應用在計算機動畫中的，隨后開始有研究提出各種人體結構仿真軟件。對于運動員來說更好的掌握人體運動技術動作，是提高自身技術和體能的關鍵。

1運動生物力學解析影像和軟件系統概述

在多數運動生物力學研究中，主要是針對這幾中問題進行研究:(1)技術完善對策;(2)運動員身體特征、結構和運動技能;(3)最佳運動技術。這幾個問題都是存在聯系的，也就說針對考察運動員的運動機能和身體結構需要探索更好的技術，所以，關于運動生物力學相關技術的研究成為重要方向。在研究運動技術動作中，需要獲取運動員每個環節的運動信息，但是在實際試驗操作中，不能直接在運動員身上進行分析，所以，它需要接受一定的攝影技術，比如:生物運動力學解析影像的軟件系統，利用計算機進行試驗。目前，使用比較多的運動分析系統是有美國公司ArielDynamics和德國SIMI公司研發的設備。生物運動力學解析影像軟件分析系統可以實現測量技術動作的能力，從而得到關節運動常用的參數。隨著體育運動競技的發展，人們對于測量運動數據，建立人體三維運動模型越來越重視，而且在生物運動力學診斷，這項技術的使用還是比較廣泛的，它能夠通過計算機進行三維動態立體展示。

2運動生物力學三維計算機立體顯示

三維計算機運動生物力學運動技術動作立體顯示，首先需要進行生物運動力學分析，建立一個相對復承系統，從雜的人雜的人而實現三饋，將機維動畫快速反對話繼機動技術動作直接顯示出來。這種方法是利用數據對話繼運、曲線和三同協作，利用維圖像一三維圖像，直接反饋視覺信息，從而指導運動員訓練。通過進行數據分析，可以精確進行運動員技術動作相關參數的分析。利用曲線，可以反映每位運動員動作的角度和軌跡等參數。在英國SheffHallam大學相關員提出了一種體育擬體操運動科研人虛模擬系統(見圖1)，該系統可以將運動員動作表現展現出來，這對運動員不斷完善動作技術有很大的幫助。體操運動員也可以直接虛擬器械接觸這樣計算機才能更好的進行運動員人體動作模擬，從而輸出三維立體結果，這不僅能夠知道運動進行動作完

2.1三維立體計算機顯示的操作過程在建立三維計算機立體顯示過程中，需要完成以下操作:(1)根據人體模型理論為基礎，建立針對某類動作的簡單人體模型;(2)通過多個攝像機從不同角度捕捉運動員技術動作，完成現場攝像;(3)通過解析影像軟件，得到三維空間人體關節坐標和其他運動參數相關數據;(4)通過骨骼圖、剛體圖、棍圖、實體人體圖，在計算機上限制人體運動技術動作(見圖2)。

2.2選擇人體模型在建立整個三維立體顯示中，首先就是進行人體模型的選擇，針對某類簡單的動作建立模型。在體育運動中，分體比較復雜運動動作是的析的人，一般都進行簡化是將人體，多是選擇剛體系統來構成人體模型運動動相應的數學模力學型。選擇剛體形式的人體模型，一般都是選擇一些圓柱體、球體或是椎體表示。在1984年注明的Hanavan科研人員提出了一種navanHa模型，他將人密15個實心剛度不同體分成的體(見圖3左圖)。建立這種模型使用相對方便，而且在模型的質量每個和集合環節尺寸，都可以根據測量人體25個參數數據，建立回歸方程確定。通過這種模型可以快速計算中人體運動環節的質心、重量、轉動慣量等相關數據。VanGheluwe研究人員提出了對運動員空翻轉體動作的模擬，該研究反應了髖關節扭曲成都和手臂不對稱擺動會影響空翻轉體整個動作過程。Hubbarel等人模擬了撐桿跳動作，他對撐桿的最佳剛度和長度，以及人體最佳的運動初始狀態等。關于hanavan模型存在幾點比較嚴重的缺陷:(1)環節和環節之間是相互獨立的;(2)在假設人體環節中見人體作為剛體進行分析;(3)每個環節內部密度是相同的。這對于現實中的人體來說完全不合理，而且人體運動動作是相對復雜的。南非Hatze提出了一種針對人體詳細的模型構建(見圖3右圖)，它建立是一種包括人體神經系統、肌肉、骨骼的綜合剛體模型。該模型中的神經系統傳遞、肌肉功能可以通過合理的力學模型和數學形式來描述。從理論上分析，這種模型具有很強的嚴密性、完整性，比普通的剛體具有的優勢多，而且與現實人體特征比較接近。在1975年國際生物力學第五屆大會中，Hatze發表了一篇踢腳動針對優化作的論途徑文，經過發現該實際測試計算結果理論預測和實際非常吻合。為了增強模型的實用性，Haze還進行了現場同步測量，建立了一個較為完善的運動系統，包括內部阻尼系數、各項系統慣性參數測量等。他的研究方法就是將計算、理論推到、建模、實測融為一體。在1981年，Haze發表了一篇關于跳遠的論文，他針對人體17個分解跳遠動作進行模擬，這位Hatze方法的建立提供了基礎。Hatze經過大量的數據計算和推到，Hatze模型被廣泛應用。

2.3計算機三維立體顯示選擇編程技術完成人體簡單動作模型后，進行影響解析需要參考一定的數據，這樣才能得到關于運動學相關參數。所以，通過計算機將人體剛體模型三維計算機立體顯示出來，關系到三維再現技術，以及計算機三維圖形語言。目前，使用比較多的就是3D語言，比如:Java3D、OpenGL、VRML、Direct3D語言等。這些語言可以為3D模型構建提供幫助，同時建立多種多樣的3D圖形，從而實現三維圖形的數據交互。這種4中語言構建圖形的操作技術主要包括:著色技術、反走樣、物體繪制技術、變換技術、光照模型技術、混合技術、就是處理透明和半透明技術、交互操作、霧化技術、紋理映別技術。也就是說，選擇OpenGL、VRML、Direct3D、java3D和編程、三維建模結合，可以實現3D圖像的構建。如果是構建的環境不同，建立的模型應用范圍和工作原理也會存在差異。從1992年OpenGL開始出現，該技術已經成為了三維開放式圖形建設標準。OpenGL具有相對獨立的窗口、硬件等操作功能，通過OpenGL程序編寫的圖形不僅支持SUN、SGI和HP相關的圖形工作站，同時也能在微機環境下進行運作。也有很多公司將OpenGL集成到自己公司系統中，在各個窗口都能實現操作，比如:Win-dows和UNIX等。OpenGL支持圖形維圖件接口，它實際上形模型哭軟件，是一種應用程軟件和硬就是一個三序的接口(API)。OpenGL自身與硬件是無關的，它只是一種編程接口，能夠在多數平臺上進行操作。OpenGL具有高級三維造型命令，能夠提供一種基于點、多邊形、線等圖元，可以提供較為復雜的建模構建。DirctX中比較重要它能夠在W的一個組件，它能夠在Windows各大ect3D平臺上提供三維開發工多媒屬于Dire微體和具。Direct3D不需要利用專門的設備，即可訪問加速視頻硬件，而且Direct3D具有保留模式和立即模式兩種。相比較三件通信程應用程序來說維加速硬，立即模于設備無一種式屬和關的方法，對于開發者，立即封裝模式和保留模式使用比較方便。立即模式是針對柵化三維流水線圖管理場景，建立、定點和控多邊形制命令，從而實現光形的光照、變換、訪問。如果硬件系統不具備三維渲染功能，那么Direct3D可以為其提供強大的仿真功能。在開發三維應用程序中，想要保證模型建立達到更好的水平，選擇合適的硬件和應用程序是非常重要的。Java美國Sun計算機公司開發的一語言是由種計語言算機，開始年現出從1995以來，很多人利用這種輯計語言來編算機程序，特別是網絡相構建與關的程序應用。在OpenGL基礎上人們研發了Java3D技術，這種技術也是通過Java語言來建設三維圖形的，它其實也屬于一種訪位置，從而快速軟立合理的對件應用程序。根據上述分析為SGI開發的，可以利用OpenGL作三庫，該技多的維圖形三維韓數據，在三大作用程序具有很維應用。在三維動畫軟件(比如:3DSMAX)、CAD軟件、三維游戲軟件、三維可視用OPenGL化軟件中是利進行開發，都的。在Microsoft中是通過Direct3D來構建的三維函數哭，Direct3D經常在編制游戲軟件中使用，能夠支持網絡瀏覽器多媒體功能。Java3D是利用Java語言，根據面向對象，建立復雜的三維程序軟件，這種軟件可以實現網頁功能，具有很好的一致性和安全性。

3三維計算機立體顯示存在的問題

關于人體空中動作和步態動作的研究比較少，而且目前的設備和理論無法更好實現該功能。在實際運動技術執行中，還是會存在運動員和器械之間的腦噸，怎樣建立更好的人和機械的關系，利用計算機建立三維仿真和模擬，成為了運動生物力學研究者的重點關注問題。在建立三維計算機立體顯示中，很多人還是延用Hanava的理論構建人體模型，但是因為該模型本身存在很多缺陷，比如:建立人體旋轉環節、彎曲環節的動作，所以，想要更好的進行人分析，還需要體體模型更多的參數控制三維立。想要更好的描述人體三維運動模型，最主要的就是選擇運動學準確的參考數據。在試驗中，研究者多會選擇高速攝像設采非常備，這種設備高，但是很多丟失運動技術動作，而且設備的比較昂貴，也無法實現存儲原始集頻率數據的功能，還是需要依賴計算機，這對與比賽現場進行測量提供不了幫助。也有一些研究者會選擇市場中比較常見的數碼攝像機，比如:JVC、SONY等。這些攝像機可以儲存一些DV錄像帶火線I，也能夠支持E口EE1394接USB接口等非線性、筆記本電腦、的編輯。這些設備價格比較合理，攜帶方便，集攝像采，但是采率在50H相對較低，也會出現鍵幀的丟失情況，如果是選擇人工選取關節，需要操作人員具有較高的專業能力。

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作者：孫超 單位：西安航空職業技術學院