三维运动解析系统在生物力学中的应用与发展趋势

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摘要：研究方法和研究设备一直以来都是制约生物力学研究发展的重要因素。为了了解三维解析系统在生物力学中的应用及发展，通过查阅文献资料等方法，探讨目前国内外生物力学研究中常用的几种三维运动解析系统的性能与优点，以及三维解析系统在生物力学研究中的发展趋势。

关键词：运动解析系统；生物力学；发展趋势

中图分类号：G804.6

文献标志码：A 文章编号：2095-5383（2016）02-0071-04

Abstract：Research methods and equipment are always t important factors which restrict the development of the biomechanical study. In order to understand the three-dimensional analytical system application and development in the biologicalmechanics， through the review of methods such as literatures， the authors discusses the performances and advantages at several kinds of the three-dimensional motion analysis system commonly used in China and research on biomechanics in other countries， and the development trend of the three-dimensional analytical system at biomechanics study.

Key words：movement analysis system；biomechanics；development tendency

近年来，三维运动解析系统在生物力学中的应用越来越广，人体的三维数据呈现及处理手段也越来越高端，已成为生物力学研究中的重要部分。本文通过探讨国内外运动解析系统在生物力学中的出现、应用与发展，比较目前国内常用的3种运动解析系统的功能，对比了国内外各运动解析系统的性能，为未来的改进提供参考。

1 三维运动解析系统在生物力学中的研究现状

1967年，生物力学才从生物学、物理学等学科中独立出来。随着生物力学对人体运动研究的不断深入，对研究方法和设备的要求越来越高，直接测量运动的需求也越来越大。由于体育活动中人体运动大多是三维运动，所以为了深入揭示人体运动规律，从20世纪60年代后期起，多维分析法被引进运动生物力学的研究中。伴随着电子计算机的兴起和光电技术在运动检测分析中的应用，三维摄影测量被用于人体形态和运动技术研究[1]。20世纪70年代就有国家开始了对运动生物力学解析软件的研究。在七八十年代出现了瑞典的SELSPOT系统、美国力学高技术的COD系统、英国VI-CON，并不断完善。由于这些设备比较昂贵，所以国内学者在80年代使用全息摄影方法来分析动作的运动学及动力学数据[2]。

国内在20世纪80年代中后期才开始引进一些国外的设备和软件，并开发研制相应的软件。90年代出现了利用运动录像解析的三维运动解析系统，到90年代后期就普遍采用录像解析的方法进行运动分析[3]，并可以使用计算机对图像直接进行定量和定性分析，具有相当的优越性。21世纪，随着科学技术的发展，红外光学捕捉系统和高速高清摄像机不断发展和应用。在2008年举办奥运会时，我国就引进和研制了一些设备，如高速同步摄像系统（KODAK、JVC）、录像影片解析系统（Ensine、Peak）和一次测量元件应变片、加速度传感器和角度传感器等，同时运动技术实现了可视化，大屏幕上可以在很短时间里显示出具有结果意义的图像帧等等。这些科技产品大大提高了比赛结果的公正性，也促进了生物力学研究的发展。

2 常用的三维解析系统

在生物力学中，对人体和物体运动的完整分析主要包括：运动学分析、动力学分析、人体肌电分析等方面。因此某些系统就集合了这三大系统，应用越来越先进的可同步的高速高清摄像机，使运动影像解析系统的功能、质量、测试速度和测试精度等都有了很大程度的提高，越来越完善地服务于生物力学的研究。目前国内外出现的运动解析系统有：德国的SIMI-motion系统，美国的PEAK系统、ARIEL运动图像分析系统、Noraxon生物力学综合采集分析系统，英国的Vicon采集和分析系统，瑞典的Qualisys三维运动采集与分析系统，日本的NAC系统，韩国的Kwon3D XP三维运动分析系统、意大利的ELITE系统和我国的爱捷解析系统、MAX3D三维录像解析系统等[4]。这些系统通过不断完善，基本能满足简单的运动学动力学分析，但是一些复杂的研究分析还是必须借助更高端的设备。

2.1 国内常用的三维运动解析系统的对比

目前国内常用的有德国的SIMI-motion系统、美国的PEAK Motus系统和ARIEL运动图像分析系统。这三大系统主要都是由3个大模块组成：图像采集部分、数据处理部分和外接设备同步显示部分，性能和特点大致相同，但是各有优势，如表1所示。

三维解析系统广泛用于比赛或其他环境的录像视频分析，对生物力学中人体运动技能的研究分析有很大的意义。这些系统分析比赛录像或高水平运动员的动作，常常是利用摄像机采集的录像和标定框架在二维图像中做三维重构，然后根据空间比例的标定重构数据进行运动学及动力学方面的分析[5]。在环境条件允许的情况下，也可以实现一机操作，多设备运行同步采集数据。可以将一个运动动作的运动学、动力学数据以及肌电信号完全同步采集分析。解析系统的计算功能非常强大，如SIMI-motion系统有50多种数据的处理方法，可以计算微分积分、频谱分析、傅立叶处理和样条函数以及自动或交互式确定偏移等[6]；Ariel系统使用逆动力学解决人体下肢的三维运动学和动力学计算[7]；Peak系统有布特沃斯数字滤波器，FFT和5次样条，中央差速算法，数据平均等[8]。

设备的直接测量给生物力学带来了很大的方便，但是由于测量技术或选用的设施不够精准，会导致出现误差，最后的分析也会变得不可靠[9]。因此，这些三维运动解析系统的应用，在一定程度上也促进了生物力学研究方法中设备应用技术的提高。如选用控制点较多或控制点少但分布均匀的标定框架，拍摄时2台摄像机主光轴的夹角在80°～100°范围内，对DLT 法影像解析结果的误差将会减少[10]。可见，多台摄像机采集录像时，位置和标定框架的选用很重要。外部接连设备在选用时要考虑软件和硬件的配置与要求，软件与硬件的兼容性等因素。SIMI-motion系统的兼容性较强，是目前世界上唯一能够同时兼容足底压力分布数据、测力平台数据、肌电数据、模拟和数字录像的系统，并且支持多种型号的摄像机、DV，自动校正光学变形（尤其是广角摄像头）捕获高质量的高帧速率、高分辨率的录像以及标准录像。并且现在SIMI-motion尝试采用来自Aktisys的方法——彩色LED标记法，将可能会带来新的marker追踪方法。进一步改善marker任务的研究也在进行，包括通过更好的自动模型处理可大幅减少工作量。这些人性化的设计将大大提高实用性和输出性[6]。但是，和其他两大系统一样，操作界面都为纯英文式，无中文菜单，导致我国研究者使用不便。因此，国外一些研发者也编定了中文版式分析软件，如MAX3D三维录像解析系统。我国也有自己研发和广泛使用的解析系统，如北京的爱捷运动图像图形测量分析仪等。国内一些高校、体育科研所的学者也编写了一些程序，使数据分析更加方便、简洁、快速。如蔡云飞[11]编写的人体运动三维仿真与分析系统也是第一次采用中国人的模型来计算参数。但这些软件的性能和实用性还有待改进，与常用的国外软件还有较大的差距。

2.2 国外常用解析系统的优点

目前国外较新的运动解析系统有瑞典的Qualisys三维运动采集与分析系统、美国Noraxon生物力学综合采集分析系统[12]和韩国的Kwon3D XP系统。这3个系统都支持从单一设备到复杂的多设备，可进行多种方案的灵活配置，是可以同步采集三维运动、二维视频、压力分布和表面肌电等传感器的数据并进行分析的综合运动三维分析系统。其中，Qualisys三维运动采集与分析系统可选择拍摄速度达10 kHz的超高速红外摄像机，具有红外采集和高速视频采集双重功能，可根据实际情况设定镜头功能，可以调整镜头光圈和焦距，且镜头采用无风扇静音设计，能精确捕捉高速运动物体的轨迹，并进行相关技术参数分析等。软件包含QTM数据管理软件，支持Visual 3D软件分析功能。该系统将红外捕捉系统和录像解析系统结合在一起，并可以输出各种形式的标准数据，实现了有真实的人体模型或个性化设置模型，直观显示动作的数据和运动过程[13]。

3 三维解析系统在生物力学研究中的发展趋势

目前，在生物力学研究中，三维解析系统在国际上已广泛应用，且已实现了与外接设备的同步数据采集和分析。我国目前仍以引进国外先进的三维解析系统和设备来应用于生物力学研究为主，但由于全套设备系统相对较昂贵，因此只有部分体育院校和体科所有较好的配置。我国自主创新和研发的产品也有很多，但是没有推广到市场，形成自主化产品。因此，国内今后还要加大自主创新，产品与市场接轨，促进其推广使用[14]。

随着科学信息技术的不断发展，计算机的硬软件、高分辨率的摄像机、测力台、足底压力感受器、肌电等外加设备的不断开发与应用，标定框架、采集测量技术的不断提高，三维解析系统对运动数据的处理将更加精确、快速、方便，更接近对所了解动作的真实性。未来三维解析系统将朝着以下方向发展：

1）更智能化：空间标定技术的提高，DLT坐标转化的优化，采集图像的及时帧码标注不错乱传输和保存，基于Pareto多目标遗传算法的关键帧提取方法[15]，关节中心的个性化设计，与Anybody等其他仿真软件相结合将每一块肌肉的力描述出来，数字滤波法的优化等都将会使最后数据结果的精度、准确性提高等。

2）更自动化：外接设备也实现无线化传输，分析系统采用更多的模式化操作；减少手动工作量，实现全自动追踪或标记关节中心；虚拟仪器的使用[16]使传输处理速度加快；增加更多形式的结果展示，如自动生成仿真模型结合数据，应用于结果展示，使操作更加简洁、快速等。

3）更人性化：实现多国人体模型参数自行导入或全部添加（如中国人的模型参数）；实现不同语言的操作界面（如英文、中文、韩语等）或生成不同版本供用户选择；输出的文本可以通用；能在任何电脑上随时操作；更多的自定义，使系统更开放，能满足更多人的需求等。

参考文献：

[1] 吴延禧.国际运动生物力学发展动态和趋势：综观历届国际生物力学讨论会[C]// 中国体育科学学会运动生物力学分会.第二届中国运动生物力学学术会议.杭州，1981：7.

[2] 王国志.全息摄影的发展及其应用概况[J].高速摄影与光子学，1980（3）：46-55.

[3] 杨跃飞，宋跃先，彭支玉，等. 运动影像解析系统在体育领域的应用现状及发展趋势[J].山东体育学院学报，2005（4）：110-112.

[4] 王勤海，帅伟.APAS三维运动解析系统与运动捕捉系统分析跨栏跑过栏技术的对比分析[J].体育科技文献通报，2007（9）：72-73，86.

[5] 王平.运动图像三维解析中空间坐标的确定[J].荆州师范学院学报，1999（5）：93-95.

[6] Simi reality motion systems release their new simi motion 2012 System 8.5！ [EB/OL].（2015-12-26）[2016-03-20].http：///p-6941561945930.html.

[7] Features-ariel dynamic[EB/OL].[2016-03-19].http：///apas/features.

[8] 四维宇宙.Vicon peak-peak motus[EB/OL].[2016-03-20].http：///Intro/020359.html.

[9] 牛晓强.基于APAS影像解析系统的数据误差来源探讨[J].内江科技，2015（9）：121-122.

[10] 王曦.对不同标定条件下DLT法影像解析结果的误差分析[D].沈阳：沈阳体育学院，2012.

[11] 蔡云飞.人体运动三维仿真与分析系统[D].天津：河北工业大学，2004.

[12] NORAXON USA.Biomechanical analysis software[EB/OL].[2016-03-22].http：///products/myoresearch-biomechanical-analysis-software/.

[13] QUALISYS.Analysismodules[EB/OL].[2016-03-20].http：///software/analysis-modules/.

[14] 李旭天.几种运动生物力学分析系统的研究[J].长春师范学院学报，2006（4）：91-94.

[15] 蔡美玲. 三维人体运动分析与动作识别方法[D].长沙：中南大学， 2013.

[16] 李菁川.基于LabVIEW的三维运动测试分析系统的研究[D].武汉：武汉理工大学， 2009.