论生物力学下三维人体运动模型构建范文

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摘要:在计算机中显示的运动生物力学运动技术动作是以为三维立体运动生物力学解析影像为主，三维立体机具有复杂的人机对话功能，同时也能反馈三维形式的动画，这样运动员或是教练员就可以直接进行影像解析，从而服务于体育运动。想要建立直观的三维运动生物力学动作技术立体效果，不仅需要建立人体运动技术动作模型，同时也需要使用计算机三维编程技术。所以，本文将会针对构建运动生物力学中三维人体运动模型进行分析。

关键词:三维计算机立体显示;运动生物力学;三维计算机编程技术;人体模型

引言

三维人体模型在网络虚拟环境、动画、影视中使用比较多，而且具有一定的标准规范。但是关于人体模型的标准缺少不统一的，这对系统的兼容性提出了很高的要求。最早的三维人体模型是应用在计算机动画中的，随后开始有研究提出各种人体结构仿真软件。对于运动员来说更好的掌握人体运动技术动作，是提高自身技术和体能的关键。

1运动生物力学解析影像和软件系统概述

在多数运动生物力学研究中，主要是针对这几中问题进行研究:(1)技术完善对策;(2)运动员身体特征、结构和运动技能;(3)最佳运动技术。这几个问题都是存在联系的，也就说针对考察运动员的运动机能和身体结构需要探索更好的技术，所以，关于运动生物力学相关技术的研究成为重要方向。在研究运动技术动作中，需要获取运动员每个环节的运动信息，但是在实际试验操作中，不能直接在运动员身上进行分析，所以，它需要接受一定的摄影技术，比如:生物运动力学解析影像的软件系统，利用计算机进行试验。目前，使用比较多的运动分析系统是有美国公司ArielDynamics和德国SIMI公司研发的设备。生物运动力学解析影像软件分析系统可以实现测量技术动作的能力，从而得到关节运动常用的参数。随着体育运动竞技的发展，人们对于测量运动数据，建立人体三维运动模型越来越重视，而且在生物运动力学诊断，这项技术的使用还是比较广泛的，它能够通过计算机进行三维动态立体展示。

2运动生物力学三维计算机立体显示

三维计算机运动生物力学运动技术动作立体显示，首先需要进行生物运动力学分析，建立一个相对复承系统，从杂的人杂的人而实现三馈，将机维动画快速反对话继机动技术动作直接显示出来。这种方法是利用数据对话继运、曲线和三同协作，利用维图像一三维图像，直接反馈视觉信息，从而指导运动员训练。通过进行数据分析，可以精确进行运动员技术动作相关参数的分析。利用曲线，可以反映每位运动员动作的角度和轨迹等参数。在英国SheffHallam大学相关员提出了一种体育拟体操运动科研人虚模拟系统(见图1)，该系统可以将运动员动作表现展现出来，这对运动员不断完善动作技术有很大的帮助。体操运动员也可以直接虚拟器械接触这样计算机才能更好的进行运动员人体动作模拟，从而输出三维立体结果，这不仅能够知道运动进行动作完

2.1三维立体计算机显示的操作过程在建立三维计算机立体显示过程中，需要完成以下操作:(1)根据人体模型理论为基础，建立针对某类动作的简单人体模型;(2)通过多个摄像机从不同角度捕捉运动员技术动作，完成现场摄像;(3)通过解析影像软件，得到三维空间人体关节坐标和其他运动参数相关数据;(4)通过骨骼图、刚体图、棍图、实体人体图，在计算机上限制人体运动技术动作(见图2)。

2.2选择人体模型在建立整个三维立体显示中，首先就是进行人体模型的选择，针对某类简单的动作建立模型。在体育运动中，分体比较复杂运动动作是的析的人，一般都进行简化是将人体，多是选择刚体系统来构成人体模型运动动相应的数学模力学型。选择刚体形式的人体模型，一般都是选择一些圆柱体、球体或是椎体表示。在1984年注明的Hanavan科研人员提出了一种navanHa模型，他将人密15个实心刚度不同体分成的体(见图3左图)。建立这种模型使用相对方便，而且在模型的质量每个和集合环节尺寸，都可以根据测量人体25个参数数据，建立回归方程确定。通过这种模型可以快速计算中人体运动环节的质心、重量、转动惯量等相关数据。VanGheluwe研究人员提出了对运动员空翻转体动作的模拟，该研究反应了髋关节扭曲成都和手臂不对称摆动会影响空翻转体整个动作过程。Hubbarel等人模拟了撑杆跳动作，他对撑杆的最佳刚度和长度，以及人体最佳的运动初始状态等。关于hanavan模型存在几点比较严重的缺陷:(1)环节和环节之间是相互独立的;(2)在假设人体环节中见人体作为刚体进行分析;(3)每个环节内部密度是相同的。这对于现实中的人体来说完全不合理，而且人体运动动作是相对复杂的。南非Hatze提出了一种针对人体详细的模型构建(见图3右图)，它建立是一种包括人体神经系统、肌肉、骨骼的综合刚体模型。该模型中的神经系统传递、肌肉功能可以通过合理的力学模型和数学形式来描述。从理论上分析，这种模型具有很强的严密性、完整性，比普通的刚体具有的优势多，而且与现实人体特征比较接近。在1975年国际生物力学第五届大会中，Hatze发表了一篇踢脚动针对优化作的论途径文，经过发现该实际测试计算结果理论预测和实际非常吻合。为了增强模型的实用性，Haze还进行了现场同步测量，建立了一个较为完善的运动系统，包括内部阻尼系数、各项系统惯性参数测量等。他的研究方法就是将计算、理论推到、建模、实测融为一体。在1981年，Haze发表了一篇关于跳远的论文，他针对人体17个分解跳远动作进行模拟，这位Hatze方法的建立提供了基础。Hatze经过大量的数据计算和推到，Hatze模型被广泛应用。

2.3计算机三维立体显示选择编程技术完成人体简单动作模型后，进行影响解析需要参考一定的数据，这样才能得到关于运动学相关参数。所以，通过计算机将人体刚体模型三维计算机立体显示出来，关系到三维再现技术，以及计算机三维图形语言。目前，使用比较多的就是3D语言，比如:Java3D、OpenGL、VRML、Direct3D语言等。这些语言可以为3D模型构建提供帮助，同时建立多种多样的3D图形，从而实现三维图形的数据交互。这种4中语言构建图形的操作技术主要包括:着色技术、反走样、物体绘制技术、变换技术、光照模型技术、混合技术、就是处理透明和半透明技术、交互操作、雾化技术、纹理映别技术。也就是说，选择OpenGL、VRML、Direct3D、java3D和编程、三维建模结合，可以实现3D图像的构建。如果是构建的环境不同，建立的模型应用范围和工作原理也会存在差异。从1992年OpenGL开始出现，该技术已经成为了三维开放式图形建设标准。OpenGL具有相对独立的窗口、硬件等操作功能，通过OpenGL程序编写的图形不仅支持SUN、SGI和HP相关的图形工作站，同时也能在微机环境下进行运作。也有很多公司将OpenGL集成到自己公司系统中，在各个窗口都能实现操作，比如:Win-dows和UNIX等。OpenGL支持图形维图件接口，它实际上形模型哭软件，是一种应用程软件和硬就是一个三序的接口(API)。OpenGL自身与硬件是无关的，它只是一种编程接口，能够在多数平台上进行操作。OpenGL具有高级三维造型命令，能够提供一种基于点、多边形、线等图元，可以提供较为复杂的建模构建。DirctX中比较重要它能够在W的一个组件，它能够在Windows各大ect3D平台上提供三维开发工多媒属于Dire微体和具。Direct3D不需要利用专门的设备，即可访问加速视频硬件，而且Direct3D具有保留模式和立即模式两种。相比较三件通信程应用程序来说维加速硬，立即模于设备无一种式属和关的方法，对于开发者，立即封装模式和保留模式使用比较方便。立即模式是针对栅化三维流水线图管理场景，建立、定点和控多边形制命令，从而实现光形的光照、变换、访问。如果硬件系统不具备三维渲染功能，那么Direct3D可以为其提供强大的仿真功能。在开发三维应用程序中，想要保证模型建立达到更好的水平，选择合适的硬件和应用程序是非常重要的。Java美国Sun计算机公司开发的一语言是由种计语言算机，开始年现出从1995以来，很多人利用这种辑计语言来编算机程序，特别是网络相构建与关的程序应用。在OpenGL基础上人们研发了Java3D技术，这种技术也是通过Java语言来建设三维图形的，它其实也属于一种访位置，从而快速软立合理的对件应用程序。根据上述分析为SGI开发的，可以利用OpenGL作三库，该技多的维图形三维韩数据，在三大作用程序具有很维应用。在三维动画软件(比如:3DSMAX)、CAD软件、三维游戏软件、三维可视用OPenGL化软件中是利进行开发，都的。在Microsoft中是通过Direct3D来构建的三维函数哭，Direct3D经常在编制游戏软件中使用，能够支持网络浏览器多媒体功能。Java3D是利用Java语言，根据面向对象，建立复杂的三维程序软件，这种软件可以实现网页功能，具有很好的一致性和安全性。

3三维计算机立体显示存在的问题

关于人体空中动作和步态动作的研究比较少，而且目前的设备和理论无法更好实现该功能。在实际运动技术执行中，还是会存在运动员和器械之间的脑吨，怎样建立更好的人和机械的关系，利用计算机建立三维仿真和模拟，成为了运动生物力学研究者的重点关注问题。在建立三维计算机立体显示中，很多人还是延用Hanava的理论构建人体模型，但是因为该模型本身存在很多缺陷，比如:建立人体旋转环节、弯曲环节的动作，所以，想要更好的进行人分析，还需要体体模型更多的参数控制三维立。想要更好的描述人体三维运动模型，最主要的就是选择运动学准确的参考数据。在试验中，研究者多会选择高速摄像设采非常备，这种设备高，但是很多丢失运动技术动作，而且设备的比较昂贵，也无法实现存储原始集频率数据的功能，还是需要依赖计算机，这对与比赛现场进行测量提供不了帮助。也有一些研究者会选择市场中比较常见的数码摄像机，比如:JVC、SONY等。这些摄像机可以储存一些DV录像带火线I，也能够支持E口EE1394接USB接口等非线性、笔记本电脑、的编辑。这些设备价格比较合理，携带方便，集摄像采，但是采率在50H相对较低，也会出现键帧的丢失情况，如果是选择人工选取关节，需要操作人员具有较高的专业能力。

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作者：孙超 单位：西安航空职业技术学院