【正文】 中需要對兩臺攝影機(jī)的的數(shù)據(jù)進(jìn)行正交合成，一般通過專用的影像解析軟件 [12]系統(tǒng)來完成。原則上要通過兩臺攝影機(jī)從不同角度同步進(jìn)行拍攝，這樣就能把物體或人體運(yùn)動的空間特征描述出來。 圖 影片數(shù)字化原理 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 14 頁 共 39 頁 通過上述的原理介紹可知，一臺攝影機(jī)只能對物體或人體運(yùn)動進(jìn)行平面分析，而且當(dāng)遇到遮擋或進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動作時，只能對測量點(diǎn)進(jìn)行估算。 光學(xué)測量方法 為了對采集到的圖像 信息進(jìn)行分析，需要對其進(jìn)行數(shù)字化處理，對于高速攝影所得到的運(yùn)動信息一般通過影片解析儀，完成影片的數(shù)字化過程，圖 4所示為影片數(shù)字化原理的示意圖。人體運(yùn)動分析的過程主要由運(yùn)動的跟蹤測量、信號處理、數(shù)據(jù)分析所組成 [11]。人體在運(yùn)動過程中所表現(xiàn)出來的運(yùn)動信息主要體現(xiàn)在 身體位置 、關(guān)節(jié)角度、身體和肢體的位移、速度和加速度、力的大小和方向、動態(tài)力的變化 速率等方面。絕對坐標(biāo)系的建立減少了不必要的計(jì)算及因測量誤差帶來的積累偏差。本章根據(jù)當(dāng)前人體運(yùn)動分析主流的棒狀人模型，建立了由 10個環(huán)節(jié)構(gòu)成的人體棒狀模型。 人體運(yùn)動主要是人體各環(huán)節(jié)圍繞關(guān)節(jié)的運(yùn)動。人體運(yùn)動分析涉及速度、加速度、力等多項(xiàng)基本運(yùn)動參數(shù)，大部分運(yùn)動參數(shù)之間存在著數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系。 運(yùn)動生物力學(xué)、人體解剖學(xué)、電子信息技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了人體運(yùn)動分析的進(jìn)步，各學(xué)科的發(fā)展提高了人體運(yùn)動分析的技術(shù)，提出了 更為科學(xué)的分析方法。 圖 人體運(yùn)動的絕對坐標(biāo)系 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁 共 39 頁 2． 4 小結(jié) 人體是具有特定形態(tài)結(jié)構(gòu)的活體，運(yùn)動形式多樣，動作結(jié)構(gòu)不一，各肢體協(xié)調(diào)動作，其運(yùn)動過程相當(dāng)復(fù)雜。如果需要監(jiān)測人體整體運(yùn)動，只需在基于由 10個環(huán)節(jié)組成的棒狀模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行 12 個點(diǎn)的測量就可完成運(yùn)動的分析。由于人體關(guān)節(jié)和環(huán)節(jié)的約束性，根據(jù)每一個關(guān)節(jié)的坐標(biāo)位置，即可推算出該環(huán)節(jié)在空間中的姿態(tài)及位置。 本文在參考了大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，以人體運(yùn)動空間建立絕對坐標(biāo)系，如圖 3所示。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁 共 39 頁 圖 手臂運(yùn)動的模型 雖然建立相對坐標(biāo)系有利于人體運(yùn)動的分析，但是人體的運(yùn)動一般是 各關(guān)節(jié)、環(huán)節(jié)聯(lián)動，而相對坐標(biāo)系計(jì)算的方法是要基于一個基坐標(biāo)，向最 末端環(huán)節(jié)依次進(jìn)行坐標(biāo)的變換，這便給運(yùn)動的分析帶來不便，并且在進(jìn)行坐標(biāo)變換及分析計(jì)算時，由于采集精度、誤差等原因，都會帶來一定的偏差，這樣，經(jīng)過的關(guān)節(jié)、環(huán)節(jié)越多，其偏差積累也會越大。確定了大臂的位置以后，就可以用附著在大臂上的相對坐標(biāo)系，根據(jù)小臂繞 X軸和 Z軸的旋轉(zhuǎn)量，確定小臂的運(yùn)動姿態(tài)。模型的建立是將手臂各個環(huán)節(jié)獨(dú)立化，即每個環(huán)節(jié)基于其父環(huán)節(jié)建立坐標(biāo)系，在進(jìn)行運(yùn)動的檢測時只需要考慮該環(huán)節(jié)與父環(huán)節(jié)之間關(guān)節(jié)的運(yùn)動情況。同理，如果我們 檢測出各環(huán)節(jié)的空間位置關(guān)系，同樣可以得到各關(guān)節(jié)的角度信息。 在人體運(yùn)動的研究領(lǐng)域，建立坐標(biāo)系有多種方法，如絕對坐標(biāo)系、相對坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系等。 圖 棒狀人體模型示意圖 人體運(yùn)動坐標(biāo)系的建立 人體運(yùn)動可以分解成各肢體的特征點(diǎn)在空間中位置的變化過程。 圖 是 棒狀人體模型示意圖當(dāng)分析人體各種動作時，注意力就集中在對于姿式的分析上，這時候，人體各部分之間的相對位置就顯的尤為重要。建立人體模型后，可以通過三維測量技術(shù)，如多維攝像系統(tǒng)，生物力測量系統(tǒng)等得到的人體的運(yùn)動數(shù)據(jù) （往往是特征點(diǎn)或標(biāo)志點(diǎn)等的空間坐標(biāo)），分析處理人體運(yùn)動信息。各種懸垂動作，屬于支點(diǎn)在人體重心上方的上支撐平衡運(yùn)動；站立、手倒立、體操后橋等動作，屬于支點(diǎn)在人體重心下方的下支撐平衡運(yùn)動。 當(dāng)我們把解剖學(xué)和力學(xué)結(jié)合起來分析人體運(yùn)動時，不僅要考慮到人體運(yùn)動的力學(xué)特征，還要考 慮到人體運(yùn)動的解剖學(xué)特征，因此，我們把人體運(yùn)動分為以維持平衡為主的靜力性運(yùn)動和變化復(fù)雜的動力性運(yùn)動。人體平動可以分為直線運(yùn)動和曲線運(yùn)動。轉(zhuǎn)動是人體圍繞著轉(zhuǎn)動軸所做的運(yùn)動。從純力學(xué)觀點(diǎn)來說，除了平衡運(yùn)動以外，對于位移運(yùn)動，大致可以分為平動和轉(zhuǎn)動兩類。所有的體育運(yùn)動被分為田徑、體操、球類、游泳、滑冰和武術(shù) 等大的項(xiàng)目。行動和行為最主要的是感知和理性認(rèn)識的區(qū)別。它是一些基本動作的組合。其中，基本動作是運(yùn)動的最基本單元，它可以用人體關(guān)節(jié)在一段時清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁 共 39 頁 間內(nèi)的時空軌跡表示。在真實(shí)的世界中，人體的運(yùn)動非常復(fù)雜，如果不做限制，任何人體部位的空間位置變化都可以被當(dāng)做人體運(yùn)動。 人體肢體通過環(huán)節(jié)圍繞關(guān)節(jié)的各種運(yùn)動的組合實(shí)現(xiàn)不同的基本動作，所以當(dāng) 充分了解了各環(huán)節(jié)與關(guān)節(jié)的相對位置、角度的信息，即可推算出人體所處的姿態(tài)。 外展內(nèi)收：肢體在額狀面內(nèi)，繞矢狀軸運(yùn)動，遠(yuǎn)離正中面為外，靠近正中面為內(nèi)收。關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動根據(jù)轉(zhuǎn)軸種類和轉(zhuǎn)動方向的不同，分為五種： 屈伸：肢體在矢狀面內(nèi)繞額狀軸轉(zhuǎn)動（運(yùn)動）向前運(yùn)動為屈，向后運(yùn)動為伸。因?yàn)槿梭w的所有運(yùn)動都是通過關(guān)節(jié)的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，所以最關(guān)鍵的是分析各個關(guān)節(jié)的自由度、相應(yīng)的運(yùn)動幅度以及多個關(guān)節(jié)之間的約束和聯(lián)動 。運(yùn)動系統(tǒng)是由骨骼和固著在骨上的肌肉組成的。 2． 2 人體生理結(jié)構(gòu)及運(yùn)動特點(diǎn) 要進(jìn)行人體運(yùn)動生物力學(xué)參數(shù)的測量及運(yùn)動的相關(guān)研究，需要對人體的生理結(jié)構(gòu)及運(yùn)動特點(diǎn)有一定的了解。 運(yùn)動生物力學(xué)的測量方法 運(yùn)動學(xué)方法中的平面定機(jī)攝影攝像測量方法、平面跟蹤攝影攝像測量方法、立體定機(jī)攝影攝像測量方法、立體跟蹤攝影攝像測量方法、紅外光點(diǎn)攝像測量方法、激光測試儀測量方法、分段計(jì)時測量方法；動力學(xué)方法中的三維測力臺測試方法、等速測力儀測試方法、 和 測力儀測力方法、 測力儀測力方法、賽艇多參數(shù)遙測分析系統(tǒng)測試方法、動態(tài)力的應(yīng)變測試方法、人體運(yùn)動能量測量方清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 8 頁 共 39 頁 法；生物學(xué)方法中的人體形態(tài)學(xué)測量方法、人體重心測量方法、肌電 測量方法、人體柔韌性測量方法、人體環(huán)節(jié)慣性參數(shù)測量方法、轉(zhuǎn)動慣量測量方法等等。運(yùn)動生物力學(xué)常用的參數(shù)主要 有： 位置、位移 、 速度、加速度 、角位移、角速度、角加速度 、 力、功、功率、動量、沖量、動量 、 力矩、動量矩、沖量矩 、 動能、位能 、 質(zhì)量、重量、重心 、 人體環(huán)節(jié)質(zhì)量、重量、重心 、 軀干傾角 、著地角 、 離地角 、 前蹬角 、 后蹬角 、 騰起角 、 出手角 、 姿勢角 、 攻角 、 穩(wěn)定角 等。 運(yùn)動生物力學(xué)通過研究人體在運(yùn)動中表現(xiàn)出的力、速度、加速度等參數(shù)與人體結(jié)構(gòu)特性的關(guān)系，來揭示人體運(yùn)動的基本規(guī)律，獲得有價值的運(yùn)動參數(shù)，從而進(jìn)一步了解復(fù)雜的人體運(yùn)動，為更深入地研究人體運(yùn)動的相關(guān)技 術(shù)提供重要依據(jù)。 運(yùn)動生物力學(xué)應(yīng)用生物學(xué)和力學(xué)的理論、方法，研究人體從事各種運(yùn)動、活動和勞動的動作技術(shù) , 使復(fù)雜的人體動作技術(shù)奠基于最基本的生物學(xué)和力學(xué)規(guī)律之上，并以數(shù)學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)以及動作技術(shù)原理的形式加以定量描述 [8]。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 7 頁 共 39 頁 2 人體運(yùn)動信息采集與分析的理論基礎(chǔ) 2． 1 運(yùn)動生物力學(xué)的相關(guān)理論 運(yùn)動生物力學(xué)的發(fā)展，對人體運(yùn)動測量學(xué)起到了巨大的推動作用，運(yùn)動生物力學(xué)研究的內(nèi)容是人體運(yùn)動中的機(jī)械運(yùn)動規(guī)律。 為了對人體運(yùn)動進(jìn)行較為深入的研究和實(shí)驗(yàn)，研制 基于加速度傳感器的運(yùn)動信息采集系統(tǒng)，本章對于系統(tǒng)的功能、軟件、硬件的構(gòu)成，做了詳細(xì)的介紹。 第四章：人體運(yùn)動信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 。較為詳細(xì)的論述 人體運(yùn)動信息采集的各種方法，并分析它們之間的優(yōu)缺點(diǎn) 。然后是了解人體的生理結(jié)構(gòu)和及其運(yùn)動特點(diǎn)，最終建立人體的運(yùn)動模型 。 第二章： 人體運(yùn)動信息采集與分析的理論基礎(chǔ) 。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 6 頁 共 39 頁 本文的主要內(nèi)容和章節(jié)安排如下： 第一章：緒論。 運(yùn)動信息采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分成兩個部分，即信號采集單元和數(shù)據(jù)處理單元。無論采用哪 種工作方式，加速度傳感器的工作原理 都是相似的，將由慣性作用產(chǎn)生的機(jī)械運(yùn)動或變形轉(zhuǎn)換為電信號的變化。 其二， 加速度傳感器的原理及應(yīng)用 。 采集人體運(yùn)動信息，關(guān)鍵是要根據(jù)人體運(yùn)動的特點(diǎn)，建立人體運(yùn)動的模型，要考察人體的運(yùn)動特點(diǎn)，需要從運(yùn)動與控制等多個角度來體現(xiàn)生命系統(tǒng)的部分特征。 總的來說，加速度傳感器所獲取的信息能為人體運(yùn)動的仿真研究提供可靠 、準(zhǔn)確的原始信息數(shù)據(jù)。通常采用運(yùn)動生物力學(xué)測試手段，可以得到相關(guān)人體運(yùn)動的數(shù)據(jù)，當(dāng)然還要借助于影像儀、多維測力臺、肌電儀等設(shè)備。 在運(yùn)動生理力學(xué)研究方面，人體運(yùn)動的計(jì)算機(jī)仿真是更高層次的研究內(nèi)容，是研究人體運(yùn)動規(guī)律的有效手段；并具有很高的理論和實(shí)際應(yīng)用價值，如用于碰撞的仿真、分析人的運(yùn)動特 征、醫(yī)療中腦神經(jīng)外科診斷以及步態(tài)研究等。因?yàn)闇y量人體行走時有關(guān)肢體運(yùn)動狀態(tài)等物理量，可以幫助我們分析人體一些部位（特別是關(guān)節(jié)）的運(yùn)動功能，進(jìn)而為醫(yī)療康復(fù)等提供一定的參考依據(jù)。 有關(guān)人體運(yùn)動信息 研究 的應(yīng)用 在骨科醫(yī)療和康復(fù)領(lǐng)域中，為了評價殘疾、診斷疾病和鑒定康復(fù)的效果，客觀而有效的方法就是進(jìn)行步態(tài)分析和人體其它部位的功能評定。 國內(nèi)也有很多單位在此方面進(jìn)行了深入的研究，如西安市第四軍醫(yī)大學(xué)，生物醫(yī)學(xué)工程系的焦純、楊國勝等人利用三維加速度傳感器設(shè)計(jì)并研制了一種訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測儀 [7]用于評估士兵訓(xùn)練狀況和訓(xùn)練效率。 利用加速度傳感器輸出值與人體站、坐、走、跑、跳、騎等日常生活 運(yùn)動能量消耗之間的關(guān)系，結(jié)合 相關(guān)皮膚溫度、心率等測量傳感器，經(jīng)相關(guān)算法軟件分析及實(shí)驗(yàn)標(biāo)定等 [6]。實(shí)現(xiàn)對人體在坐、行走等日?；顒又羞\(yùn)動加速度的測量，進(jìn)而由實(shí)驗(yàn)獲得加速度值與人體運(yùn)動能量消耗的關(guān)系。 國外將加速度傳感器應(yīng)用于體育訓(xùn)練的研究比較領(lǐng)先。 當(dāng)代高科技理論與技術(shù)對運(yùn)動訓(xùn)練領(lǐng)域全面、深入的滲透和介入已成為當(dāng)今競平的體育訓(xùn)練和大賽中，運(yùn)動員的整 套動作都將被詳細(xì)記錄，用于賽后技體育發(fā)展的主要趨勢。學(xué)術(shù)界的研究者己經(jīng)意識到現(xiàn)代測量技術(shù)應(yīng)用于人體運(yùn)動分析的局限性源于對人體運(yùn)動力學(xué)的本質(zhì)認(rèn)識還不夠深入。 人體運(yùn)動信息的應(yīng)用現(xiàn)狀 以測量及同步測量技術(shù)為標(biāo)志的現(xiàn)代運(yùn)動生物力學(xué)測量技術(shù)，己經(jīng)使得人體的運(yùn)動測量可實(shí)現(xiàn)實(shí)時化、可視化以及三維空間范圍內(nèi)的測量分析。高速攝影技術(shù)、傳感測量技術(shù)以及同步測量技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動生物力學(xué)的測量后，使得人體運(yùn)動生物力學(xué)測量的研究進(jìn)入了三維運(yùn)動學(xué)和空間力學(xué)研究的層面上，為全面研究人體運(yùn)動效能提供了良好的保證。繼阿馬爾 (Amaer)研制了第一臺兩分量測力臺，使運(yùn)動生物力學(xué)進(jìn)入在體動力學(xué)測量后，萊曼德 (Reymond)在伽伐尼 (Galvani)《論在肌肉運(yùn)動中的電力》的基礎(chǔ)上，創(chuàng)立了肌電測量技術(shù)。從此，人體運(yùn)動生物力學(xué)的一個重要領(lǐng)域：肌力與肌肉的生理特性的相關(guān)研究逐漸發(fā)展起來。幾年后，馬勒 (Maler)、德美尼 (Demeni)等提出了運(yùn)動軌跡定位照相法和連續(xù)光點(diǎn)照相法，這些方法直到現(xiàn)在仍被用來研究人體運(yùn)動。后來攝影影像技術(shù)的引入，使運(yùn)動測量手段有了很大的飛躍。他們在 1836 年用時鐘計(jì)時的方法測量了人在走路過程中的時間空間特征，并得出了步速和身體支撐時間成反比關(guān)系的結(jié)論。芬奇從人體解剖和力學(xué)的角度，研究了人體的各種姿勢和運(yùn)動，其中對人體步態(tài)的力學(xué)研究和近代人體運(yùn)動學(xué)研究相仿，首先提出了“一切能夠運(yùn)動的生物體都遵循 力學(xué)定律而運(yùn)動”的重要觀點(diǎn)。十九世紀(jì)末，意大利科學(xué)家列奧納多與笛卡爾同時代的意大利解剖學(xué)家博雷利將解剖學(xué)和力學(xué)結(jié)合起來，比較系統(tǒng)地研究了動物和人體的運(yùn)動，并完成了學(xué)術(shù)著作《論動物的運(yùn)動》一書。 人體運(yùn)動信息采集及應(yīng)用的發(fā)展與現(xiàn)狀 據(jù)人類現(xiàn)有的文字記載，早在公元前 500 年到 300 年，古希臘的哲學(xué)家己經(jīng)有了描述分析人體運(yùn)動的記載，但真正意義上的人體運(yùn)動研究是和人體解剖學(xué)的完善及力學(xué)的發(fā)展分不開的。 相應(yīng)的，人體運(yùn)動學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域也是十分的廣闊，主要包括在以下幾個領(lǐng)域 [2]：醫(yī)學(xué)保健領(lǐng)域，主要應(yīng)用于對人體運(yùn)動功能及損傷做出更直接有效地評估，分析受損原因，以利于更好地救治及預(yù)防 [3]；體育領(lǐng)域，可以通過對運(yùn)動員運(yùn)動時所蘊(yùn)藏的生物力學(xué)信息探測分析來塑造運(yùn)動技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)模式，找到運(yùn)動技術(shù)最佳的途徑，從而改善訓(xùn)練的方式，使運(yùn)動員能夠在運(yùn)動技術(shù)上有所突破，更有力地參與到競技比賽中，獲得更加優(yōu)異的成績；教育交流領(lǐng)域，可以通過對肢體語言所傳達(dá)的信 息去分析人體的內(nèi)部活動，甚至可以解決與聾啞人的交流問題；虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于人與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的交互，將真實(shí)生活中的人體運(yùn)動映射到虛擬環(huán)境。 總所周知，人體的構(gòu)造十分的復(fù)雜，故而對人體運(yùn)動學(xué)的研究也就要涉及的很多的學(xué)科，要找到這些學(xué)科如運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、人體解剖學(xué)等諸多學(xué)科的交叉，采集人體運(yùn)動信息，以及在各種力的作用下，人體內(nèi)部器官系統(tǒng)力學(xué)與人體進(jìn)行局部或者整體運(yùn)動時，人體在時間和空間的位置，姿勢、運(yùn)動狀態(tài)等的變化規(guī)律，繼而進(jìn)行分析研究 [1]。 課程研究目的及意義 在研究人體運(yùn)動時，我們實(shí)際上把人體當(dāng)做一個物質(zhì)的合成體，通過人體的外部運(yùn)動表現(xiàn)出來信息，去分析人體的內(nèi)部運(yùn)動，諸如腦部的運(yùn)動：思維、決策等形成完成外部動作的指令的過程等。而且各種體育賽事已經(jīng)深入到人類活動的每一個角落，體育競技的強(qiáng)度也在不斷提升，整個社會都在努力地尋求突破，需要掌握更多的人體運(yùn)動信息，這也進(jìn)一步促