基于运动生物力学的人体运动建模方法研究

　　摘    要：　运动生物力学层次化走立人体运动模型是以运动生物力学影像解析为基础, 它能将复杂化的人机对话简单的集成在一个系统中, 并且快速的以三维动画的形式展现出, 直接的将影像分析结果展现在运动员及教练面前, 为体育运动带来便捷服务, 从运动生物力学方面进行分析, 探讨三维仿真虚拟人体标准模型定义的不统一问题, 分析建立层次化人体运动模型的方法。先是分类运动人体关节, 之后分析人体通用模型的数据结构和定义, 并分析人体运动特殊器官手、足、脊柱等定义, 然后构建运动状态方程进行人体运动建模关键数据的捕获和特征分析;最后进行仿真实验, 结果表明, 该方法提高了人体运动分析的准确率, 对运动步行、跳跃、侧手翻等人体运动的重构能力好, 结果具有一定的合理性。本文分析的人体模型在人体运动生物力学特征描述上比较常用。

　　关键词：　人体模型; 运动生物力学; 自由度;
 

　　Abstract：　The hierarchical human motion model of motion biomechanics is based on the analysis of motion biomechanics images.It can simply integrate complex human-machine dialogues into a system and quickly demonstrate it in the form of three-dimensional animation. The results of image analysis are directly displayed in front of athletes and coaches, which brings convenient services to sports.From the aspect of sports biomechanics, the inconsistent definition of three-dimensional virtual human model is discussed, and the method of establishing hierarchical human movement model is analyzed.First, it classifies the movement of human joints, then analyzes the data structure and definition of the general model of the human body, and analyzes the definition of the hand, foot, and spine of the human body movement special organ, and then constructs the motion state equation to capture and analyze the key data of human motion modeling;Finally, the simulation results show that the method improves the accuracy of human motion analysis, and reconstructs the ability of human movement such as walking, jumping, and turning.The results are good.

　　Keyword：　human body model; sports biomechanics; degree of freedom;

　　0、 引言

　　随着虚拟技术和计算机技术的发展, 在人体模型构建中建立三维运动虚拟空间变得更加方便, 而且运动生物力学三维模型等技术是目前应用比较多的。人体模型就是根据人体关节挂机结构运动, 给人提供视觉上皮肤和表面肌肉的模型, 这些一般都是利用计算机进行显示。

　　目前在三维人体模型建立中虚拟现实技术、影视、计算机动画等技术还没有建立统一的应用标准, 一般都是根据人体模型进行定义。但是因为这些应用技术在系统中存在不兼容性, 比如:一个软件捕捉某个运动的数据, 无法在其他系统中使用。关于人体模型使用标准常用的是VRML中的H-Anim标准, 以及人体定义MPEG4模型标准。

　　H-Anim标准和对应的兼容应用可以对人体各个环节连接关系进行描述, 比如:对人体整个身体进行H-Anim虚拟定义, 可以构成一个关节嵌套, 每个关节会个若干个部件存在联系, 将环节运动简化为简单的铰链运动。这样计算运动的方式比较方便, 但是描述运动的真实感不高, 同时无法满足生物力学运动就算要求。所以, 将人体运动生物力学与人体解剖学集合, 利用应用软件建立人体模型, 提高模型的实用性非常重要。针对当前人体运动建模准确度低的问题, 提出基于运动生物力学的人体运动建模方法。仿真实验结果表明, 本文提高了人体运动分析的准确率, 对步行、跳跃、侧手翻等人体运动的重构能力好。

　　1、 三维人体模型分析

　　关于三维人体模型的建立, 早在计算机动画软件中就被应用, 其中张美珍[1]等在仿真软件分析中, 提出了一种Peabody结构, 这种结构可以进行人体组成环节描述, 而描述的环节是相连的。Peabody结构数据包含关节角度、环节维数等数据, 而且Peabody可以实现快速计算、湖区和保存需要的集合数据功能。

　　周慧敏[2]等在模型研究中提出了约束优化方法和分析法, 并将两者进行结合, 在该研究中, 肘关节和膝关节活动是处于冗余臂自由度。其中建立的模型是包括37个自由度, 其中脊柱3个, 四肢28个, 骨盆表示方向和位置有6个等。朱童[3]等在分析人体骨架模型中, 描述了31个关节, 存在自由度62个, 将人体人体脊柱作为坐标原点建立坐标系进行分析, 其中Y方向是人体面对的方向, X方向是人体右侧, Z是人体头部指向。Wittek A[4]等在人体模型的研究中分析了16个环节, 将17个关节进行联系分析, 选择35个参数建立模型描述人体姿态。

　　随着人们对人体模型的研究不断增多, 利用生物力学来描述人体解剖结构的模型研究也不断增多。蒋伟宇[5]等研究了一种分析膝关节运动鲁棒曲线方法。罗炯[6]等在生物力学基础上对人体上肢模型建立, 分析人体左臂运动研究。Photopoulos C D[7]等研究额通过核磁数据对人体臂关节、肩关节运动模型进行精确重建, 该方法有效地描述了这两部分关节的生物力学运动特征。薛瑞婷[8]等研究在别人的经验数据中分析了一种人体全局运动带学走路相关模型。

　　建立人体运动虚拟模型, 可以更加直观的将人体骨骼关节运动进行描述, 而且能够对骨骼之间存在的运动关联进行定义和约束。但是这种方法很难将环节之间约束进行公式化描述, 或是将运动约束过程进行求解、给出冗余参数等。所以, 在人体运动建模中, 需要对人体运动结构模型进行定义, 同时需要从整个人体运动进行分析, 还有采取层次化生物力学特征进行建模, 这样才能满足实际需求。

　　2、 人体运动模型构架

　　目前对于人体模型的描述主要从两个方面进行, 首先, 是几何形体中对肌肉、皮肤的模型, 利用计算机进行表示;其次, 是骨架运动模型描述, 它是通过描述人体每个关节结构数据和运动相对关系来表示。其中几何形态会因为骨架运动而发生变形。

　　2.1、 骨架运动模型

　　由生物力学方面分析, 人体运动就是各个关节的运动, 可以将人体关节模型划分成解剖和现象两种模型, 现象模型对于关节真实机构不过度考虑, 解剖模型比较重视人体关节的结构, 它要求能够详细、清晰的描述解剖关节结构。这里我们将建立层次化运动模型建模。模型建立分为两个层次:首先, 建立一个简单的运动模型为现象模型服务, 这种模型属于连接铰链结构常见模型, 在很多研究中都有使用。其次, 人体精确相对运动模型表示解剖特征, 该模型比较重视运动的真实性, 从而为生物力学专家进行计算提供服务, 可以根据仿真进行研究。

　　构建人体运动模型, 需要人体每个环节的自由度、长度等元素。在建立第二层模型时, 可以根据人体解剖关节结构, 将人体关节进行分类, 这里分成六类:铰链关节、轴状关节、滑动关节、球面关节、球窝关节、鞍状关节等。

　　2.2、 人体几何模型

　　人体几何模型使用计算机图形学进行表示, 可以分为两种:首先, 边界和体模式。表示人体模式中, 一般都是使用曲面片、点、线、多边形等元素进行描述。边界模式描述中, 将物体表面看做是2-维或是0-, 1的元素。在体模式中, 将三维模型分为不同的子体素, 该模式下包括:CSG模型和体素模型, 其中实体模型是由球、椭圆、隐式函数构成。

　　3、 人体运动建模方法实现

　　3.1、 建模力学重构

　　在运动的过程中, 运动的姿态会不断的变化, 需要进行人体运动建模实现对姿态信息的力学重构, 人体的状态处于非加速时, 运动捕获到的信息数据表示为:

　　公式中:fi, =1, 2, …, n表示人体运动过程中的四元素向量;则表示为通过穿戴在人体上的传感器传向回的时序位置。

　　公式中:Dp (om.rm) 则表示为人体在运动过程中相对于世界坐标系中的姿势位置误差;Du (om.rm) 则表示为关节速率之间差距, u则表示为更新中的步数长度。

　　根据上述的实验可得出, 关节的速率之差所占据的比例很小, 本文所设为1, 所得出的人体运动建模的重构生物力学公式为:

　　公式中:d (omi, rmi) 为原始运动的状态第i帧在动态上加速运动下的稳定性中的参数;wi表示为占权值, 是人体的运动关节j在稳定的状态下所占据的占权值, 所代表了关节j的重要性。

　　3.2、 人体数据模型结构定义

　　将相同结构的数据进行定义并储存, 这样方便进行生物力学计算。数据结构建立需要包含转动惯量、质心、质量等参数。其中在每个环节中产生运动的关节是明确的, 数据机构统一定义如表1所示。

　　表1 人体模型数据结构定义

　　在人体运动中足、手、脊柱是比较特殊的运动器官, 这里以右足为例进行单独运动描述, 同时描述其数据结构并储存。

　　(1) 手关节运动分析

　　从第二个手指到第五个手指各个关节都是存在自由度的, 也是就是弯曲运动, 手指关节基部包括旋转和弯曲等两处自由度。大拇指一般进行弯曲运动后, 还会进行外展运动。手掌则是进行平移和旋转运动, 每个运动都存在自由度3个, 这个手存在自由度27个。

　　(2) 脊柱运动分析

　　脊柱是由骶骨1块、椎骨24块、尾骨1块以及连接它们的椎间盘23块、韧带、关节等结构组成。脊柱进行运动的幅度是有限的, 但是其运动的范围比较大。围绕额状轴脊柱可以进行屈伸运动, 围绕垂直轴可以进行环转和回旋等运动, 围绕矢状轴可以进行侧屈运动。

　　(3) 足部运动分析

　　在踝关节中足部主要运动核心, 它与踝关节紧密相连, 而两个足部基本是对称运动的。足部是由骨骼26个工程, 将足部运动可以分成4部分:足跟、脚趾、足中间、踝关节等, 每个部分都存在自由度。足跟活动中心是踝关节后下方中心转动, 踝关节是在胫骨下段中心转动, 足中是在踝和趾尖中间进行中心转动。

　　关于右足运动数据结构描述, 见表2.

　　表2 右足运动结构数据描述案例

　　4、 实验结果及分析

　　在人体进行原始的生物力学采集时佩戴上加速度计和震动传感器和力学传感器采集, 用跳跃、步行和侧手翻越运动这三种运动行为方式进行人体运动建模分析, 当地磁场强度为h=0.45, 最大数则设置为5000。人体运动建模与分层曲线拟合方法、帧序列重构法等与文章中的方法进行对比。比如人体步行运动建模分析如图1所示。

　　图1 人体步行运动建模结果

　　由上图可得出结果, 采用文章中的方法进行运动建模, 能更好的重构原始运动建模, 文章中额方法能更准确的提取出边界帧, 使重构运动及原始运动之间的差距变为较小。

　　5、 结束语

　　文章中通过捕捉人体运动生物力学的数据, 在进行特征压缩和信息的检索及重构, 既实现了对人体运动中的合成及编辑, 达到了人体运动重构的目的, 在人体运动建模中虚拟技术是一项非常重要的研究, 目前比较常用的就是利用计算机动画建立关节运动铰链树型结构模型, 但是真实感不是很好, 计算生物力学参数不方便, 而使用解剖学和生物力学描述人体运动却不能将其直接在计算机动画和图形学中描述[]。本文是基于运动生物力学进行分层人体模型建立, 该方法可以真实表示人体关节结构和数据定义, 同时也提高了人体运动分析的准确率, 可对各种运动进行有效的识别, 具有比较广泛的应用前景。

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