人体运动仿真

人体运动仿真（精选十篇）

人体运动仿真 篇1

关键词：人体模型,ADAMS,步态,仿真

0引言

步态是人最基本的运动形式之一,对人体进行建模和步态仿真在机器人、康复工程、步态识别等学科领域具有重要的意义［１］。国内外很多研究机构都以人为研究对象,并对其进行建模和仿真,这一研究的深入程度关系到仿人机器人的设计效果。本文在人体解剖学的基础上建立人体的三维模型,分析人步态行走的特点,设定关节角度变化的函数和各部件的受力使其在地面上行走,得到腿部的运动轨迹和足部与地面接触力的变化曲线。

1人体的结构分析

根据人体解剖学的研究,人体主要由骨骼、关节以及肌肉组成。其中骨骼起到支撑身体的作用,关节和肌肉能够使人体做各种运动。在人体步态运动中,主要是下肢在起作用,包括大腿、小腿、足部等［２］。

在建模过程中需要对肩关节、肘关节、髋关节、膝关节、踝关节进行研究。肩关节用来连接上臂和上躯干,在步态运动中起到保持人体平衡的作用。肘关节是上肢活动中较为重要的关节,起到连接手臂的作用, 对于下肢的运动也有一定的影响。髋关节的自由度较多,能够做内旋、屈伸等多种运动,运动的角度比肩关节小,但是稳定性比较好,所以能够连接好上下躯干。 膝关节在人体下肢运动中起到非常重要的作用,其承受着人体的大部分重量,而且起到带动小腿运动的作用;在人体的步态运动中,膝关节主要做屈伸运动,具有少量的翻转运动。踝关节用于连接小腿和足部,踝关节在步态中的主要运动是屈伸,也有小幅度的旋转运动。

2人体模型的建立

建立人体模型需要考虑人体的形状结构特点、连接关系及其物理性质。人体模型的参数包括:人体各部件的尺寸参数、质量、转动惯量、密度等。 采用SolidWorks建立人体三维模型,通过数据转换导入到ADAMS中。人体建模的过程有:

(1)确定人体各部件的尺寸外形、关节的约束等。

(2)得到人体模型的空间位置、几何和运动参数。

(3)确定坐标系,将各部件进行简化,以便分析和计算。

(4)对模型进行校核并限定关节的运动范围。

(5)添加人体模型的约束。

2.1模型数据的获取

人体模型中的主要参数有身高和体重,不同地区、 种族的人的身高体重有一定差别。本课题研究的主要对象是中国人的步态,根据王继先等［３］做的调查,我们得到了成年男性的身高大约是170cm,体重大约是60 kg,选取这一身高体重作为一参考值,具有一定的代表性。对人体结构按照解剖学的结构比例进行建模［４］。

ADAMS提供了一些建模的模块,对于人体比较复杂的部分,ADAMS的建模功能不如一些专用的建模软件。在步态运动中,人的活动主要体现在四肢的摆动上,所以本文将人体分成多个刚体［５］,将人体的骨骼肌肉等认为是刚体。

利用SolidWorks按照人体的尺寸建立各部分的三维模型,然后将其中若干部分组成装配体,人体的三维模型如图1所示。

2.2在ADAMS中建立地面模型

由SolidWorks建立的模型数据格式需要转化成Parasolid格式,这样转化效率高而且可实现模型的完整转换。在ADAMS中,虚拟的三维尺寸应能够反映真实环境中相应的三维尺寸与位置关系,由于AD- AMS的建模功能并不是十分强大,故只建立一个简单的地面模型,如图2所示。

3步态仿真研究

人体的步态运动是一个较为复杂的过程,需要有较为合理的坐标系才能对其进行分析。坐标系有圆柱坐标系、球坐标系、笛卡尔坐标系［６］,为了能更准确地描述方位,选用笛卡尔坐标系。

步态的仿真是对人体模型进行动力学和运动学分析,动力学分析法分为正向动力学和逆向动力学［７］。 正向动力学分析是指直接在各部件上施加驱动力,然后求刚体的运动轨迹。逆向动力学是指先指定其运动,然后分析刚体上的驱动力。人体模型的结构相对复杂,构件上的力也较为复杂,因此采用逆向动力学分析的方法更为准确。

3.1人体模型各部分参数的设定

将模型导入到ADAMS后,设定各部分的名称和参数。人体模型各部件的参数如表1所示。

3.2创建约束

首先将头部、颈部、躯干合成一个整体,肩关节建立铰接,肘部关节加入球铰接副,髋部关节为球副,膝关节建立铰接副,踝关节建立球副。地面设置一个固定副。

仿真人体步态行走,对各关节进行运动的规划以及平衡的控制,在研究人体动力学的基础上,加载驱动器,足部和地面应设置接触并且使足部在地面上方,设置为碰撞,并设置碰撞的刚度、阻尼等参数,然后施加重力,创建出符合实际条件下的步态运动模型。图3为添加了约束后的模型。

3.3关节角度变化控制函数设计

使用STEP函数对角度进行控制,它的基本形式为:STEP(x,x0,h0,x1,h1)。其中:x为自变量,可以是时间或任一函数;x0为自变量的开始值;x1为自变量的结束值;h0为STEP函数的初始值;h1为STEP函数的最终值。

使用STEP函数来模拟肢体角度的变化,x、x0、 h0、x1、h1分别用来表示时间、初始时间、初始转动角度、结束时间、终止转动角度。

人的行走是一个一个周期活动,一个步态周期是指从脚跟着地到脚跟再次着地的时间。步态周期分为支撑相和摆动相,支撑相是指脚跟着地到脚离地,每只脚的支撑相分为首次触地、支撑初期、支撑中期、支撑末期4个部分,占整个步态周期的60%左右。摆动相是脚尖离地到脚跟着地,分为摆动早期、摆动中期、摆动末期,大约占整个步态周期40%。人体行走步态周期见图4。

3.4人体模型运动仿真

设置仿真时间为2.5s,步长为100步,图5为模型的运动仿真。图6为大腿、小腿质心在水平方向上的运动轨迹。图7和图8分别为大腿质心和小腿质心在竖直方向上的运动轨迹。图9为足底压力曲线。为了验证数据的准确性,将测量好的数据和真实数据进行比对。通过对比发现,模型的仿真是合理的,符合生物力学的原理。

4结论

《人体与运动》学案 篇2

一、教学目标：

①知识与技能目标：通过本课学习，使学生了解骨骼、关节、骨骼各肌的构造和

功能；掌握青少年骨骼、关节、肌肉的发育特点。

②过程与方法目标：通过本课学习，让学生想出一种发展身体某一肌肉群的方法。能力目标增加了一定难度，但是大多学生可以通过努力实现这一目标，并体验到成功。这种积极的体验，有助于增强学生的自信心，可以提高学生的动机水平。

③情感态度与价值观目标：充分调动学生的学习情绪。提高学生学习的主动性。教学重点、难点：

①重点：骨骼、关节的基本构造和功能；

②难点：骨骼、关节、肌肉如何相互协调完成运动过程。

三、课程资源：教具资源：人体骨骼模型。

四、教学模式：采用探究式教学模式

五、教学过程：

（一）、先了解学生预习的情况，提问：人体的运动系统主要包括那几个部分？最后在黑板上写出运动系统的分支图：人体运动系统——骨骼、关节、肌肉。

（四）、介绍骨骼

1、展示人体骨骼的正面图。

骨骼: 正常成年人的骨骼数为206块,可以分为附肢骨骼和中轴骨骼两部分,其中附肢骨骼包括上肢骨和下肢骨，中轴骨包括椎骨、胸廓骨和颅骨。（主要人学生能了解什么是中轴骨什么是附肢骨）

2、概念传授：骨骼按形态可分为长骨、短骨、扁骨和不规则骨。

分别向学生展示四种骨头的形状，介绍各种骨头的特点与特定的作用： 长骨：由股骨所代表的那种长大的骨，主要存在于四肢，呈长管状。

短骨：为形状各异的短柱状或立方形骨块，多成群分布于手腕、足的后半部和脊柱等处。短骨能承受较大的压力，常具有多个关节面与相邻的骨形成微动关节，并常辅以坚韧的韧带，构成适于支撑的弹性结构。

扁骨：呈板状，主要构成颅腔和胸腔的壁，以保护内部的脏器，扁骨还为肌肉附着提供宽阔的骨面，如肢带骨的肩胛骨和髋骨。

不规则骨：形状不规则且功能多样，有些骨内还生有含气的腔洞，叫做含气骨，如构成鼻旁窦的上颌骨和蝶骨等。

（五）、介绍关节

1、试一试：膝盖不弯曲跑步，手指不弯曲写字。从中体会关节的重要性。

2、关节的基本分类：球窝关节、滑车关节与微动关节。

依次展示三种关节先介绍球窝关节：让学生理解球窝关节的特殊型：可以向各个方向转动或旋转。

思考:为什么球窝关节可以向各个方向转动或旋转? 关节头呈圆形,关节窝为项应的凹面.圆球体的接口为关节的旋转提供了良好的形态基础。再滑车关节：只能向前或后转动，让学生自己找找身体上哪些是球窝关节哪些是滑车关节？球窝关节与滑车关节的明显区别在哪里？ 最后讲微动关节的特点：只允许平面间或往返的运动。

思考：是不是微动关节活动的范围小就表示此关节不如前面两种关节？它有什么特定的作用？

（六）、介绍肌肉：

1、依次展示三种肌肉，依次介绍三种肌肉。

骨骼肌通过收缩，牵拉骨绕关节运动轴转动，因而是运动系统中的动力源。

骨骼肌是体内最多的组织，约占体重的40%。在骨和关节的配合下，通过骨骼肌的收缩和舒张，完成人和高等动物的各种躯体运动。大多数骨骼肌借肌健附着在骨骼上。分布于躯干和四肢的每块肌肉均由许多平行排列的骨骼肌纤维组成，它们的周围包裹着结缔组织。

（以上内容不需讲得太细，但重点是要让学生知道骨骼肌对人体运动的重要性）再讲平滑肌：广泛分布于血管壁和许多内脏器官，又称内脏肌。主要功能：通过收缩和舒张来推动食物通过消化道。平滑肌纤维呈长梭形，无横纹。广泛分布于血管壁和许多内脏器官,又称内脏肌。主要分布于血管、气管、胃、肠等壁内。最后介绍心肌：心肌是组成心脏的一种特殊的肌肉，它一天24小时都在收缩和舒张，推动血液流遍全身。

算一算：如果一个人心脏每分钟跳60次，那么：每个小时跳：3600次。一昼夜夜跳：86400次。每年跳：31536000次。如果这个人的寿命是80年，那么他的心一共跳了：2522880000次

（通过运算，体会心肌的重要性，知道体育锻炼能提高心肌功能，从某种意义上来说就是延缓了一个人的寿命。）

（七）、总结：

骨骼 : 赋予了人体基本形态，并起着保护、支持和运动的作用。

关节: 人体的骨骼主要以关节的形式连接在一起，每一个关节都有其特定的作用。

肌肉 : 大部分的运动都是由骨骼肌的收缩得以实现，同时肌肉还起到了保护骨骼、关节及其他器官的功能。

（八）、思考：骨骼、关节和肌肉在运动中的关系？

如射门动作，首先是以大腿的股骨以髋关节为轴转动，同时带动小腿转动，当转动到一定的程度时髋关节运动幅度达到了极限，就由股四头肌带动小腿的胫骨和腓骨以膝关节为轴转动，带动脚去踢球。（自己也可以一边示范一边讲解。）

（九）、体育运动对运动系统的促进作用

首先是体育运动对骨的影响：

1、促进骨骼的生长发育，经常进行体育活动，能促进血液循环加快，改善骨的营养供给及新陈代谢加强，从而促进骨的生长发育。

2、改善骨的结构与功能：研究发现：举重运动员的肱骨骨体横径较粗，骨体外侧壁明显增厚。跳跃运动员下肢骨明显增粗、骨壁明显增厚。

以举哑铃为实例，让学生思考，增加了最大收缩力与张力对运动效果的影响。（能够举起更重的哑铃，能够举更多的次数。）

运动对人体产生哪些影响 篇3

对运动系统的影响

运动时人体加速了周身的血液循环，使正处于造骨时期的骨组织的血液供应大大改善，使之得到更多的营养物质，促进造骨过程进展加快。运动中，肌肉紧张地工作，为了保证肌肉对氧及营养物质的需要，肌肉开放的毛细血管数量达安静时的15～30倍以上。经常参加运动，能促使肌肉内毛细血管数量增加。由于肌肉长期供血良好，肌纤维逐渐变粗、体积增大、弹性增加、肌肉工作的能力及耐力也都相应地得到提高。经常运动，还可以使关节韧带变得更加坚韧、结实，关节自身也更加灵活、牢固。此外，在室外活动，日光照射可以促进体内维生素D的生成，加速骨的钙化，使骨质更加坚实。

对心脏血管系统的影响

人在运动时，心脏的工作负荷加大，致使心率适当增加，血液流量增大，全身血循环得到改善。在心肌得到锻炼、冠状动脉循环也得到改善的情况下，心肌获得充足的营养，心肌发达、心室壁增厚。

对呼吸系统的影响

当人体在运动时，肌肉活动所产生的二氧化碳，能刺激呼吸中枢，使呼吸加快、加深，以促进二氧化碳的排出及氧气的吸入。运动时，一般人的呼吸频率可达40～50次/分（安静时为12～16次/分），深度为安静时的5倍，通气量每分钟可达70～120升（安静时为6～8升）。经常运动能促使锻炼者提高呼吸系统功能水平，这主要表现在呼吸差增大，呼吸深度、肺通气量及肺活量增大，以及安静时呼吸频率相应地减慢等方面。

对神经系统的影响

积极参加各种运动，可以使锻炼者掌握多种运动技能，改善肌肉工作的协调关系，提高运动的能力和技术水平，这些都促进了神经系统功能的改善和发展。这是由于在运动中，运动器官的每一个动作，都以刺激的形式作用于神经系统，使神经系统的兴奋与抑制过程得到增强，神经活动的平衡性与灵活性得到提高，使神经细胞反应迅速、灵活且不易疲劳。通过适当的运动性积极休息，可以降低疲劳，恢复精力。因此，运动后人们会感到精神愉快、思维敏捷。此外，睡前适当的放松活动，还可以使原来兴奋的神经细胞，得到更好的抑制，使人体休息睡眠得更充分。

（摘自人民卫生出版社《慢性支气管炎的护理与康复》 主编：包家明）

人体运动仿真 篇4

三维人体建模是当前一大研究热点, 它在人机系统工程、医学研究、服装CAD 以及虚拟现实等领域有着广阔的应用前景。在人体的几何造型方面, 通常采用棒模型、表面模型、体模型和多层次模型等方法, 在不同程度上对人体外形特征进行描述。由于这些方法通常利用的是常规测量数据和统计资料, 对外形尺寸做了大量简化,因而所建立的人体模型缺乏足够的真实感。随着人体非接触测量技术的发展, 可借助全身扫描仪方便地获取特定人体的表面数据,使得用真实人体扫描数据来建立个性化特征人体的表面模型已成为现实, 但是,其所建立的仍然是静态人体模型, 无法表现人体的动态效果。

由于人体是一种复杂的多关节形体,建立具有真实性的人体动态模型方法仍在探索之中。笔者提出了一种建立人体动态模型的新方法,把人体动态模型分成表面模型和骨骼模型两个层来构建,针对特定人体的三维扫描数据,用逆向工程软件Geomagic Studio实现个性化的三维人体NURBS曲面模型构建,将完成后的人体曲面模型导入Poser软件,利用人体特征点确定关节位置,可建立相应的人体骨骼运动模型。所构成的人体骨骼模型是一个多关节运动学模型,可用来控制人体的各种姿态动作,将人体表面模型与骨骼模型相匹配后,即可实现人体运动仿真。

系统框架如图1 所示。

1 个性化的三维人体曲面模型的构建

基于人体扫描数据的三维人体曲面模型的构建分为两步:

1.1 人体点云数据的获取

本项目采用的是Telmat的SYMCAD非接触式三维人体扫描仪,在20s内自动完成整个人体扫描过程,捕捉到人体500000个数据点,测量精度达到0.2cm,所测数据可以IV文件格式输出,但所输出的IV文件不能被Geomagic软件直接读取,利用文本编辑软件打开IV文件,把文件头和文件尾修改为WRL文件格式,并保存为WRL格式的文件就可以被Geomagic软件读出,所测得的点云图形如图2所示。

1.2 构建人体NURBS曲面

将测得的人体点云文件,读入Geomagic Studio,通过对人体点云数据进行优化处理、人体多边形的编辑、人体曲面网格线的定义、人体曲面的拟合等操作,生成高质量的人体NURBS曲面,如图3所示,将构建的人体NURBS曲面模型以OBJ格式文件输出。

2 由人体曲面模型建立人体骨骼模型

使用Poser的Import/Wavefront OBJ命令,将在Geomagic Studio软件中完成的人体NURBS曲面模型导入Poser软件中,打开Hierarchy Window窗口,用Create New Figure命令将导入的人体曲面模型改变为Poser的形体对象,再根据形体对象的关节特征建立体骨骼模型。

2.1 人体骨骼模型的建立

在Poser中有一套骨骼制作系统,可以方便直观地为形体对象构建骨骼,用鼠标选中人体,点击主介面右上角的Setup Room,进入到Poser的Setup Room,为人体曲面构建骨骼,激活Bone Creation工具,在人体模型的臀部位置按下鼠标左键向下拖动鼠标,就为模型建立了第一根骨骼,如图4所示。

第一根骨骼放置的位置是相当重要的,因为这个骨骼会变成将要创建的其它所有骨骼的父骨骼。

接下来继续为人体模型绘制骨骼,绘制骨骼的时候要注意,必须选中当前的骨头才能绘制和它相连的下一根骨头。把光标移动到第一根骨骼的底部,按住鼠标左键向下拖动鼠标,建立第二根骨骼,使用移动工具和旋转工具也可以对骨骼进行调整,激活移动或旋转工具,将光标放置到骨骼两端的起点,当光标变为圆圈时,按住左键拖动鼠标,修改骨骼的位置,完成后的人体骨骼如图5所示。

2.2 人体骨骼的命名

建立好所有的骨骼后,需要为每根骨骼命名,为了能使用Poser系统中包含的大量现成姿势以及套用特殊效果,必须使用Poser 命名规则为人体模型的骨骼命名,Poser中标准的人体模型骨骼的命名规则如图6所示。

在工作视图中双击其中一块骨骼,在打开的Element Properties窗口中有两种命名方式,在Internal Name文本框中,使用Poser 命名规则进行命名;在Name文本框中输入用户自定义的名称,如果使用了Poser 命名规则对人体的骨骼进行命名,那么Poser将自动为骨骼建立父子链接关系,如图7所示,使人体骨骼模型成为一个多关节运动学模型,以实现人体骨骼的正确运动仿真。

2.3 实现人体曲面模型与骨骼模型的拟合

在建立好人体骨骼模型之后,为了实现人体的运动仿真,必须建立人体曲面模型与骨骼模型之间的对应关系,将人体曲面模型按关节特征分割成多个曲面区域映射到相对应的骨骼段上,打开Poser “组”面板Group Editor,按“自动分组”Auto Group按钮,Poser将根据骨骼的数量自动为每段骨骼分配相应的人体曲面区域,实现人体骨骼模型与人体曲面模型的拟合。

3 人体模型运动仿真实验

当正确地建立了人体骨骼之间的父子链接关系和人体曲面模型与骨骼模型之间的对应关系后,人体模型就变成了一个虚拟的人,可以实现摆出各种人体姿态和人体行走等非常复杂的动作,在奔腾®D 805处理器和512MB RAM的PC机上,在Windows xp操作系统下,使用Poser的行走设计器,可以进行人体模型的行走仿真实验,而且可以方便地控制人物模型行走的姿态。

图8为人体模型沿着设定路径的运动仿真的实验结果,运动姿态能充分地表现人体行走的真实性。

4 结论及应用

本文所提出的基于三维扫描数据,利用Poser骨骼系统建立的人体动态模型在外观形状和运动姿态上都有充分的真实性, 操作简便,易于掌握。在此动态人体的模型的基础上,如将服装设计师设计的服装导入Poser,可以实现人体的三维试衣和服装动态模拟,依照本文方法建立的人体动态模型在服装行业中具有相当广泛的应用前景。

摘要：根据服装工业对数字化动态人体模型的需要,提出了一种建立人体动态模型的新方法。该方法针对特定人体的三维扫描数据,用逆向工程软件GeomagicStudio实现个性化的三维人体NURBS曲面模型的构建,将完成后的人体曲面模型导入Poser软件,利用人体特征点确定关节位置,建立相应的人体骨骼模型,并将人体表面模型与骨骼模型相匹配,实现人体运动仿真。实验证明,所建立的人体动态模型在外观形状和运动姿态上具有较高的真实性,操作简便,易于掌握。

关键词：三维人体扫描,人体曲面模型,人体骨骼模型,Poser

参考文献

[1]李强,王红梅.实物反求工程中的模型重建技术[J].机械制造与研究,2003(4):17-20.

[2]黄诚驹,齐荣.基于GeoMagic的异形曲面快速数字建模技术研究[J].机械与电子,2004(9):19-21.

[3]锐思创作室.Poser4.0三维造型设计与动画制作[M].北京:人民邮电出版社,2000.

运动人体科学专业介绍 篇5

2011年05月13日来源:本站原创

一、院系概况

运动人体科学系成立于2004年，与运动医学研究所一套建制，具有独立的院系建制，是全国医学院校开设运动人体科学专业最早的院系之一。有1个运动人体科学本科专业和1个运动医学硕士研究生培养点。教学机构有运动创伤康复教研室、营养学教研室、运动生化教研室、体育理论教研室、运动生理教研室、运动解剖教研室和运动人体科学综合实验室。

运动人体科学系在编教职工53人，其中教师中兼职中华医学会运动医疗分会委员、山东省医学会运动医疗分会副主任委员、中华医学会营养学分会委员以上职务3人，国家教育部运动医学研究生评审专家1人，山东省学术骨干与山东省中青年重点科技人才2人。运动人体科学专业教学师资70人，其中教授14人，副教授22人；博士9人，硕士36人，受聘运动医学硕士生导师12人。多名中青年教师到美国、澳大利亚、比利时、新加坡等发达国家及北京、上海等国内著名高校进修。外聘10余名北京、上海等地的专家（如：解放军总医院卢世璧院士、国家体育总局杨则益教授、复旦大学运动医学中心陈世益教授等）为名誉教授。

近6年来，教师在教学研究改革、科学研究、专业建设、精品课程建设、教材建设等方面取得突出成绩。专业课程中，省级精品课程4门，校级精品课程7门。专业教师中承担国家级课题4项，省部级科研课题5项，厅局级科研课题28项，获得山东省科学技术进步奖2 项，厅局级科研奖励5 项，主编运动医学研究生教材1部，其他教材6部。培养指导硕士研究生20名。运动人体科学系十分重视学生的实践技能培养，注重实验和实践教学基地建设。综合实验室面积500平方米，仪器设备总值超过300万，拥有双能X线骨密度仪、功率自行车、运动录像解析系统等关键教学科研设备。

在“实习就业一体化”理念指导下，我系充分挖掘社会现有资源，通过与医院康复科、大型健身俱乐部、国民体质监测中心等单位联合培养的途径，拓展学生的专业技能，努力把他们培养成为德才兼备、能力突出的专业技术人才。主要实习基地有我校12所附属医院的康复中心、山东中医药大学二附院、山东省交通医院以及国家体育总局、山东省体育局、济南市全民健身中心，上海一兆韦德健身俱乐部、济南黑骏马健身俱乐部、泰安市明珠健身俱乐部等，实验实习资源丰富，条件好，学生可按照将来的就业方向选择实习单位。

二、专业介绍

运动人体科学：本科，学制4年

主要课程：运动疗法学、作业疗法学、运动创伤学、运动营养学、运动生物力学、运动心理学、运动医学、运动处方学、健美运动、系统解剖学、运动解剖学、人体生理学、运动生理学、生物化学、运动生物化学、教育学

专业要求：运动人体科学本科专业是医、体结合的交叉性专业，培养具有良好职业道德和素质，掌握医学、生物学、体育学基础理论知识和基本技能，掌握运动性伤病的预防与康复方法，掌握人群运动健身与训练的身体技能诊断与评价方法，掌握运动人群的体育保健、运动营养与科学运动方法，掌握一定的体育专

项技能。毕业时，如符合学校《学位授予条例》，将授予理学学士学位。

专业特色：注重专业特色建设，经过多年的建设发展，已凸现医体结合的专业特色。

人体下肢动作仿真综述 篇6

在当前的科技研究中, 计算机应用已经得到了飞速的发展, 因此人体在虚拟环境中的运动建模仿真也受到了越来越多的关注。由于人体结构的复杂性、人体运动的多样性等方面的局限性, 我们无法对人体的某些指标和参数进行直接测量, 于是人体运动仿真就成为掌握人体真实的运动系统特征和规律的行之有效的手段。

本文旨在总结国内外人体下肢运动建模仿真的研究结果, 为人体下肢运动研究提供一定的参考数据。

1 人体下肢结构概述

从解剖学的角度来看, 运动系统是由骨、关节和骨骼肌构成。骨连接将全身各骨连接成骨骼, 构成人体的支架。骨、骨连接在运动过程中主要起到杠杆的作用, 关节为运动的枢纽, 而骨骼肌是运动的动力来源和动力器官。

下肢的主要功能是支撑体重、运动及维持身体直立姿势, 其主要参与运动的骨骼有髋骨、股骨、髌骨、腓骨、胫骨、跗骨等。骨头之间相连接的地方叫关节, 下肢主要参与运动的关节有髋关节、膝关节、踝关节。髋关节可做三轴性运动, 即可做前屈、后伸、内收、外展、旋内、旋外及环转运动。由于股骨头藏于髋臼之内, 且关节囊紧张而坚韧, 又受到各种韧带的限制, 因此髋关节运动幅度并不是特别大, 但是具有较大的稳固性。膝关节属于屈戌关节, 主要负责大、小腿间的屈、伸运动以及小腿的旋转运动。踝关节也属于屈戌关节, 主要负责背屈和跖屈运动。

下肢运动的动力来源主要有股直肌、股外侧肌、股内侧肌、股中肌、腓肠肌、胫骨前肌等。其中负责髋关节屈, 膝关节伸和大、小腿的屈、伸, 以及保持人体直立姿势的是股直肌, 骨内、外侧肌, 骨中肌;负责小腿屈、伸和人体直立行走的是腓肠肌和胫骨前肌[1]。

2 人体运动信息的获取

在目前的研究进展中, 获取人体运动信息的主要方法有两种:

一种是通过可穿戴的动作感应设备来获取人体的生理状态, 如心电图、脑电图、肌电图、速度、加速度、关节弯曲角度等生物信号, 为行为识别提供重要的信息。这种方式优点在于速度快、精度高;缺点在于需要在人体上放置动作检测设备, 因此会增加人体活动的障碍。

另一种是利用不可穿戴的动作感应设备来获取运动图像, 再利用图像处理技术对人体的姿态进行有效的分析。但由于这种方式在拍摄角度、范围和动作连贯性捕捉上具有较为明显的缺陷, 因此利用范围并不广泛。

3 人体下肢的建模与仿真

运动学模型和动力学模型是人体下肢的主要数学模型, 是研究人体下肢活动的基础。运动学建模是在已知每个关节角度、角速度和角加速度等参数的情况下得到关节与组成刚体间的运动学关系。动力学建模是在运动学建模的基础上, 研究运动时各个连杆与其关节驱动力矩之间的作用关系。

3.1 人体下肢的运动学建模

人体是一个非常复杂的系统, 因此在当前的研究中一般会将人体近似简化成一个多自由度的刚体系统。在传统的理论力学中, 针对多刚体系统的运动学分析都是以矢量合成的原理, 基于运动副对应的约束方程对系统的位置、速度和加速度进行分析。

运动学建模主要有两个方法, 一个是已知各个肢体参数 (长度、质量、质心等) 、关节的相对转角和起始位置的坐标, 计算出各个关节在空间里相对参考坐标系的坐标, 此为正运动学方法, 在正运动中是已知各个关节的运动状态, 所以各肢体在运动空间坐标系中的坐标是确定且唯一的;二是通过设计合理的步态规划, 得到运动过程中各个运动肢体在空间坐标系中的坐标, 从而得到各个肢体间关节的相对转角, 此为逆运动学方法, 在逆运动中已知各运动肢体在运动空间坐标系中的坐标, 但有多种方法可以达到该坐标, 所以关节变量不一定是唯一的, 但如果规定下肢的关节轴互相平行, 就可以得到唯一的关节变量[2]。正逆运动学方法的关系如图1所示。

3.2 人体下肢的动力学建模

动力学建模方法也可以分为正向动力学和逆向动力学两种。

3.2.1 正动力学

正向动力学建模方法是通过指定关节驱动力和环境作用力, 来计算各个关节和末端效应器的运动轨迹, 从而得到人体的运动轨迹。因此, 如何计算出关节驱动力、环境作用力和关节运动轨迹是该方法的主要问题。

在计算运动参数方面, Wilhelms和Amstrong等人[3]通过反复修正输入的关节驱动力来得到满意的人体运动。但是对于合适关节驱动力的确定比较困难, 因此该方法虽简单但难以适用。Amstrong等人[4]和Isaacs等人[5]通过设置关节驱动力得到当前姿态与目标姿态的差异值的函数, 再由当前姿态不断逼近目标姿态, 从而实现目标运动仿真。Raibert和Hodgins等人[6]提出基于控制器的人体运动仿真方法, 该方法先利用有限状态机描述人体的运动, 再用比例微分控制器计算人体关节驱动力, 最后通过正向动力学积分计算出仿真的人体运动。Hodgins等人[7]、Wooten[8]和潘志庚等人[9]利用该方法成功仿真出人的走、跑、骑车、跳马等运动。手工调节方法、模型映射、实力数据匹配、连续方法、随机变换法等可以解决该方法的局限性问题, 反馈误差学习、极限环控制方法、自适应增强学习方法可以解决人体在运动过程中的平衡与稳定性问题。

在另一方面, Walker和Orin[10]的单位矢量法可以解决计算关节运动轨迹的问题。单位矢量法是在假定零瞬时加速度的条件下依次求解广义力与惯性矩阵逆解, 从而求出关节力矩。该方法的优点在于易于实现, 缺点在于性能会随着关节数的增加而迅速下降。为了解决单位矢量法的力学求解复杂度过高的问题, Fijany[11]首先提出了无分支串链结构的正向动力学算法CFA, 但其只能处理串行链。为了解决该算法的局限性问题, Featherston提出了铰接体惯量法ABI、基于旋量理论的正向动力学递推算法ABA和庞大运动链分治算法DCA。ABA算法优点是计算速度快且准确度高, 缺点是无法处理较复杂的运动链结构。DCA算法针对此问题有了较好的扩展, 不仅支持并行计算且能应用于闭式运动链, 缺点是计算开销过大, 并且无法计算约束力。

3.2.2 逆动力学

逆动力学是通过关节和末端效应器的运动轨迹来计算作用于各个关节的力和力矩, 从而满足物理约束和用户指定约束, 如图2所示。以逆动力学为基础的仿真方法是已知运动的初始位置, 运动位移、速度、加速度等约束条件的时间序列, 来建立动力学方程, 再以最小化某个性能指标为前提优化初始人体运动, 从而求解作用于人体各个关节的力和力矩。

在当前的人体运动研究当中, 一般是将人体简化为多刚体系统。目前应用较广的两种动力学方程是Lagrange动力学方程和Newton-Euler动力学方程。Lagrange法的方程比较简单清晰, 并且不需要计算内作用力, 因此计算量较小而且不考虑摩擦带来的损耗, 但是随着人体运动自由度的增加, 计算复杂程度呈指数级增加。而Newton-Euler方法的方程比较复杂繁琐, 由于需要计算内作用力从而增加了计算量, 并且需要考虑摩擦带来的损耗, 但是计算复杂程度并不会随着自由度的增加而增加。

由于Lagrange方程在广义力的计算中计算复杂程度会随着自由度的增加而呈指数级增加, 为了解决此问题, Liu和Guenter[12]提出了符号约减法, 此办法利用公共子表达式约减和贪心算法控制广义力表达式的长度。而Hollerbach[13]和Popovic则利用Lagrange方程的具有递推结构性质推导出Lagrange的递推方程。

Newton-Euler方程是采用隔离法建立每个刚体独立的线速度、角速度、加速度方程, 再建立整个刚体系统的动力学方程, 从而求出作用于各个刚体间的力与力矩。Featherstone采用Plucker向量统一处理刚体的平移与旋转, 从而得到一组高效的多刚体牛顿欧拉动力学方程, 但是该方法存在欧拉角奇异性问题。针对此问题, 中科院计算所的魏毅等人[14]利用单位四元数来描述刚体的旋转, 推导出一组无欧拉角奇异性的逆动力学方程。

4 总结与展望

在当前的研究当中, 人体运动仿真的研究主要集中在对于单个人体的运动仿真研究, 此类研究相对于多个运动仿真的研究而言较为简单, 多个运动仿真的研究需要考虑更多、更为复杂的因素, 因此在多人交互的情况下如何保证人体运动的逼真性可能会成为未来人体运动建模仿真的一个重要方向。

人体运动仿真在许多相关领域中都是一个重要的研究问题, 并且其在各个领域中的应用都具有较大的前景。本文对于人体下肢的运动建模仿真进行了阐述, 希望能够对相关领域的研究人员起到抛砖引玉的作用。

摘要：对国内外人体下肢运动建模仿真的研究情况进行了综述。人体下肢的数学模型主要分为运动学模型和动力学模型, 人体下肢的运动仿真方法分为正向动力学和逆向动力学两种, 现对其发展历程和研究进展进行了详细介绍, 最后对人体下肢运动建模仿真的发展进行了讨论。

人体呼吸系统物理建模与仿真 篇7

关键词：呼吸系统,肺泡,物理模型,仿真

本文根据呼吸系统生理机制建立的模型,采用物理学和数学的知识把呼吸生理过程抽象成物理模型,并对其仿真。在模型中用电阻表示呼吸系统里的各项阻力;用电容表示容积;用电压表示气压。建立出电子电路的数学模型,采用基尔霍夫定律解方程,用MAT-LAB仿真,得出呼吸系统中气体的实时变化。

1 模型的建立

1.1 上呼吸道模型

上呼吸道模型中包括鼻腔、咽、喉器官。在该子模型中,都由硬组织器官组成,质地较坚硬,呼吸过程中弹性形变小,气流阻力,弹性形变都很接近,并且较小。因此可以近似的看作整个上呼吸道模型起着导气的作用,几乎不发生弹性形变。其压力值可以忽略不计。所以将上述几个气管构成一个子模型。

1.2 气管模型

整个肺部从第0~16级的呼吸道因管壁较厚,不具备气体交换功能的气体传导,并且各项参数都较接近,与上呼吸道模型类似,气管的弹性形变也较小,气流阻力也很接近。因此将气管、支气管构成一个气管模型。

1.3 肺泡模型

在肺部剩下的第17~23级的呼吸道当中,进行气体交换,称为肺换气。整个模型中,肺泡的容积变化最大,压力和气流阻力等也变化很大,所以在所有的子模型当中,肺泡模型起着决定作用。其实质是大气压与肺部产生的压力差,提供了呼吸的动力。

基于上述分析,在参考了呼吸系统的物理模型[2]的基础上,提出如图1所示的呼吸系统物理仿真模型。

2 模型的MATLAB仿真

2.1 参数确定

该模型的参数参考了北京大学精品课程生理学的数据[1],并且以下数据都为成人男性平静呼吸时的相关数据。

(1)成人男性平静呼吸时,呼吸时肺的阻力RL为5L/cm H2O,在安静呼吸状态时,弹性阻力是主要因素,约占总阻力的70%,而非弹性阻力占30%。在上呼吸道模型和气管模型主要受非弹性阻力影响,则R1=R2=1500m L/cm H2O.而在肺泡模型主要受的是弹性阻力影响其R3=3500m L/cm H2O;(2)上呼吸道的容积C1=500ml;(3)潮气量(TV):每次呼吸时吸入或呼出的气量,在平静呼吸时,一般以500 ml计算。

补呼气量(ERV):平静呼气末,再尽力呼气所能呼出的气量为补呼气量,正常成人约为900~1200 ml。

余气量(RV):最大呼气末后留于肺中不能再呼出的气量为余气量正常人约为1000~1500 ml。

肺总容量(TLC):是指肺所容纳的最大气量,也即VC与RV之和。正常成人男性约为5000 ml

在肺泡中容积约为C3=2500 ml,在气管中容积约C2=2000 ml剩下500 ml是潮气量,属于呈现一定规律变化的中的参数。

(4)肺泡中的呈现周期性变化的气压即模型中的电压:

普通成人每分钟呼吸12次,周期T=60/12=5s,频率w=2pi*T=0.796.其肺部整个体积在5000~4500ml呈现周期性的运动,由以上可得其电压源函数为

Vp1=250*sin(0.796*t)+4750

另一个电压是依据气压变化,组合成的方程为

2.2 方程求解

利用电子电路中的基尔霍夫电流定律,每个节点流出的电流等于流出电流,得到如下矩阵方程:

2.3 仿真结果

对以上方程求解,运用matlab的M文件进行仿真,得到以下仿真结果:

(1)肺部容积变化如图2所示

肺部容积变化图采用体积变化仿真,横坐标表示时间变化,纵坐标表示肺部体积变化。从肺部容积变化图可以看出,一个成人男性在平静时候的呼吸过程,呈现周期性的变化。平均一次呼吸耗时5s,波形近似正弦波,但又不是完全与正弦波一样光滑平滑地过渡,并且这种仿真出的效果更符合实际呼吸过程中肺部体积的变化。同时可以看到肺部的体积与理论的参数,在500ml内呈现周期性的变化,符合实际的情况。

(2)肺部压力变化如图3所示

肺部压力变化图是按照肺部压力与大气压力差仿真的结果,大气760mm Hg,而肺部的气压变化为757mm Hg~763mm Hg,横坐标表示时间变化,纵坐标表示气压的变化。图3可以看出,平静呼吸的过程肺部的气体压力也随着时间呈现与图5相似的周期性变化,符合整个呼吸过程中所表现出的规律性。

(3)肺气流变化如图4所示

肺气流变化图是根据体积的变化方程

Vp1=250*sin(0.796*t)+4750

得到的仿真结果。横坐标表示时间,纵坐标表示气流变化,在仿真过程中将气流转变成电流。结果与图2和图3类似,在呼吸过程中呈现一样的协同性和一致性。

(4)肺容积和肺部压力变化如图5所示

该图是仿真出的立体效果模型。横坐标表示时间变化,纵坐标表示肺部体积变化,竖坐标表示肺部压力的变化。从上图可以看出,当肺部压力等于大气压时,肺部的容积保持在平衡点4750,并且随着吸气的过程,肺部压力越来越大,到达吸气末时,肺部压力也达到了最大值,慢慢转向呼气,当肺部的气体呼出时,肺部的压力也随之减小,当达到了呼气末时,肺部的压力就达到了最小值,此时又开始吸气,系统一直这样循环的呼吸。在平静呼吸过程一次呼吸的周期总是约等于5s。图5清晰的反应了整个呼吸系统在整个生理过程中肺部压力、肺部体积以及呼吸周期之间的密切关系。

3 结论

本文通过对呼吸系统整个的生理活动过程的了解,结合电子电路学和数学等学科的综合知识,对人体呼吸系统呼吸过程进行较全面的仿真。呼吸过程中,其最主要动力是大气压与肺泡直接形成的气压差,同时还包括人体提供的动力。上呼吸道模型和气管模型起着导管的作用。仿真出肺部压力、肺部气流以及呼吸周期之间的关系,最后利用计算机软件求解。仿真结果显示出各项参数之间的密切关系,改变参数就可以仿真出各项生理参数的变化,从而为临床诊断提供参考依据,对简易的临床诊断有重要意义,为将来医疗器械的简易化,低成本提供参考。

参考文献

[1]北京大学精品课程.生理学.http://jpkc.bjmu.edu.cn/shengli2006/physiology/index02.htm

人体运动仿真 篇8

1 预处理过程

根据人体、流体在世界空间中的范围大小, 设定网格模型的范围。方向与欧氏空间的, 轴方向相同, 体素空间是离散空间, 坐标是整数坐标, 每一个坐标序列对应模型唯一的体素网格。由于体素化存在精度的问题, 网格范围不应该大于实际模型空间范围, 不然一个模型顶点将对应多个网格。

在体素空间中存在拓扑关系, 下面给出定义:

定义1如果两个体素间存在一个公共顶点或一条公共边或一个公共面, 则称两个体素是26-邻接的。

定义2如果两个体素间存在一条公共边或一个公共面, 则称两个体素是18-邻接的。

定义3如果两个体素间存在一个公共面, 则称两个体素是6-邻接的。

这3种邻接体素模型, 约束力关系可以表示为:6-邻接<18-邻接<26-邻接。

从定义中可以看出, 6-邻接体素模型只能表示体素网格周围6个面的邻接关系, 18-邻接体素模型可以表示与体素网格12条棱相接的体素网格, 而26-邻接体素模型则可以额外表示体素网格上8个顶点相接的体素网格。本文采用的是26-邻接的体素模型, 在体素化过程中提高仿真精度, 使仿真更接近真实物理特性。

2 八叉树数据结构

一般的八叉树仅对灰节点 (gray) 进行分解, 在本文中, 需要对所有的节点均进行分解操作, 这样才能对人体与流体的交互信息进行判断。

我们只需要标识体素网格对应模型的实际属性, 如果是-1则表示落在人体外面, 不进行交互;如果是0则表示恰好落在人体边界, 进行交互处理;由于精度问题, 上一次探测失败的点有可能落在人体里面, 表示为1, 仍然进行交互处理。

3 线性编码及算法

体素网格的边界关系由顶点、边、面3种关系组成, 在实际遍历的方便以及效率的考虑, 我们建立一种索引机制来对应这种边界关系。线性八叉树有很好的编码方案, 如Meagher给出了线性八叉树编码方案。设定第个结点的编码为公式 (1) 。

根据公式 (2) , 可以由八叉树的体素化坐标得到编码位的二进制组合。再根据公式 (1) 求得线性八叉树编码。对于不同的编码, 按照建立的索引表中的对应关系找到对应的体素位置。

例如, 三角形的体素化, 由于三维物体大部分是由三角面片组成的, 所以三角形具有代表性。

1) 对于三角形面片的体素化, 可以分为点、边、面的处理。三个顶点分别为。点的体素坐标则表示为:为体素空间的距离大小。根据公式 (1) 、公式 (2) , 由体素空间坐标求得体素网格的索引编码, 然后由索引编码可以得到体素位置。

2) 在对点进行体素化后, 接下来对边进行处理。一般位置的边不垂直和平行坐标面, 处理这样的边时, 相当于在边的一个顶点发出射线, 指向边的另一个顶点, 途中经过的所有网格均被标记。由于已经求得了顶点的体素编码, 可以根据编码找到边的顶点与体素网格相交的方式是点、边或者是面, 然后由得到的相交方式求得相邻的体素网格, 依次递归下去。对于特殊边的体素处理, 只需要将相应坐标忽略掉即可。如垂直于平面, 其体素的分量只需要从第一个体素网格的开始递增或递减。这样就可以得到边所占据的所有体素网格的编号。

3) 在处理三角面时, 需要先将三角面投射到具有最大阴影面积的平面上, 假设为平面, 投射三角形为。已经找到三角形顶点和边的体素网格和索引, 根据网格坐标分量、的范围来确定三角面的体素网格。具体做法是先在平面上找到满足条件的点集坐标, 然后以点集的点为原点, 垂直平面, 方向朝向原平面的射线, 相交于点, 为轴分量, 交点为体素网格的坐标。最后根据公式 (1) 、公式 (2) , 求出八叉树编码, 并对其进行标记, 计算体素点在人体模型的位置信息。

4 纹理切片

按照上述内外体素化算法流程, 可以对人体、流体所在的体素网格进行体素化。体素化后的信息是离散的, 将数据存入三维数组, 便可得到一组有标识位组成的信息。每一组二维数组对应一层纹理切片。

在计算出纹理切片信息后, 需要遍历所有层, 探测在每层中流体与固体接触的边界位置, 从而得到交互信息。而探测方式则可遍历二维数组, 根据相应的标识值来确定的。

当遍历遇到0标号的时候, 标记进入人体内部, 当再次遇到1的时候标记穿出人体内部。依次递归下去, 即奇数次为0时为进入边界, 偶数次为0时退出边界。遍历所有切片, 找到需要交互的网格, 然后根据网格信息计算出在世界坐标中的位置。假设网格坐标是c (i, j, k) , 对应的世界坐标有表达式 (3)

5 结束语

本文采用的是一种基于八叉树的方法建立模型对应体素单元的索引, 由于我们体素化后的目的是为了判断与人体模型交互的耦合面, 所以不需要建立包含复杂信息的体素模型。我们采用一种相对简单、快捷的办法来建立体素模型。

摘要：体素化 (Voxelization) 模型是为了解决描述模型内部属性如材料、密度等信息时产生的, 体素化则是将物体的几何信息转化成最接近物体的体数据 (Volume Datas) 。体素化后的模型不仅包含模型的表面信息, 而且能描述模型内部的属性。体素是由一组三维的立方体格子组成。

关键词：体素化,尺度空间理论,距离场

参考文献

[1]Jian Huang, Roni Yagel, Fillipov V, et al.An accurat method to voxelize polygonal meshes[C]//.In:IEEE Volume Visualization’98.Chapel Hill, North Carolina, USA, 1998.119~126.

[2]Stijn Oomes, Peter Snoeren, Tjeerd Dijkstra.3D shape representation:transforming polygons into voxels[C]//.In:Proceedings of the First International Conference on Scale-Space Theory in Computer Vision.Haar Romeny, B.ter, etal. (Ed.) , Springer Verlag, 1997.349~352.

人体运动系统知识 篇9

运动系统由骨、关节和骨骼肌三种器官组成。肌肉是运动系统的主动动力装置, 在神经支配下, 肌肉收缩, 牵拉其所附着的骨, 以关节为枢纽, 产生杠杆运动。

教学目标:1.通过学习, 使学生掌握人体运动系统最常用的骨骼、肌肉、关节名称 (上肢包括肩、上臂、肘、前臂、腕、手等六部分;下肢包括髋、大腿、膝、小腿、踝、脚等六部分;躯干包括颈、胸、腹、背等四部分) ;2.使学生掌握正确的动作术语, 并为今后基本身体活动的学习奠定基础。

二、教学绝招

绝招1:骨骼模型游戏。

方法:带领学生通过骨骼模型进行人体骨骼辨认。

实效:提升学生在实践中解决问题的能力, 让学生在独立思考中掌握知识。

要求:对照模型, 小伙伴之间相互指出各部分骨骼所处的位置及名称。

绝招2:人体主要肌肉挂图。

方法:通过挂图让学生了解各部位肌肉的名称, 以及相关运动所对应的肌肉群。

实效:发展学生的协同合作能力, 了解基本运动系统知识。

要求:对照模型, 小伙伴之间相互指出各部分肌肉所处的位置及名称。

绝招3:通过网络视频学习运动系统知识。

方法:学生之间相互设置有关运动系统知识的问题, 利用网络查询相关知识。

实效:利用多媒体能够激发学生对“人体运动系统”内容的兴趣, 让学生开阔眼界, 懂得如何搜集相关知识。

要求:学生自己通过网络完成同伴交予的问题, 并附上相关预防运动损伤的知识同小伙伴一起交流。

绝招4:融入准备活动中的关节操。

方法:设计活动身体各部位关节的体操组成准备活动。在做肩绕环时, 教师一边做操一边问学生:知道这里 (指肩部) 是什么关节吗?“对, 这是肩关节”;在做髋步体操时, 教师问:知道这里 (指髋关节) 是什么关节吗?“噢, 这里不能说是胯, 学名是髋, 是髋关节”。按此方法, 依次活动膝关节、腕关节、踝关节。学生熟悉关节名称后, 在准备活动中可以让学生自己说出关节名称。

实效:这种融合实践教学进行的体育知识的传授不影响身体练习的质量和实践教学的基本性质。虽然每次体育知识的传授量不大, 但日积月累, 最终体育知识的学习是可观的。因为教师把理论知识融入到了运动实践当中, 学生学会的不再是与实践脱节的知识, 而是活的知识。

要求:这样的教学需要教师对教材和教学过程进行深入研究, 并准备好相关知识内容, 还要适当做好语言上的准备, 对教师的语言组织和语言节奏能力有特殊的要求。练习时切忌知识传授与身体练习脱离, 更不能停下练习“干讲”。

绝招5:运动肌定位游戏。

方法:通过挂图使学生了解参与人体运动的主要肌肉名称、部位, 主要介绍胸大肌、三角肌、肱二头肌、肱三头肌、背阔肌、腹直肌、股四头肌等。介绍常见体育活动, 如跑步、仰卧起坐、引体向上、掷实心球等活动的原动肌。教师提前准备好写着肌肉名称的不干胶小贴, 把学生分成小组, 每组一套肌肉卡片小贴, 每组选出一位肌肉模特。教师说出肌肉名称, 各组要把相应的小贴粘在肌肉模特身体的对应部位。完成任务后, 各组对要使这些肌肉变得强健有力可以采取的锻炼方式进行讨论。

实效:了解运动肌的部位及其锻炼方法对学生来说是非常枯燥的内容, 教学中因为引入了肌肉模特和肌肉名称小贴, 小组学生间相互合作、交流讨论, 使得原本枯燥乏味的内容直观生动起来, 帮助学生做到理论联系实际, 尝试选择适宜的活动方式, 有针对性地发展肌肉力量。

基于光学的人体运动捕捉系统 篇10

运动捕捉已经成为目前广泛使用的能够真实再现人体运动细节的方法, 该方法在电影制作、虚拟现实、运动医学、机器人控制、游戏制作等方面有着广泛的应用前景。人体运动捕捉可以分为:电磁式运动捕捉、机电式运动捕捉和光学运动捕捉[1,2]。现在运动捕捉技术已经广泛运用与医学, 工程, 勘测, 体育还有影视娱乐, 伴随着CG产业的飞速发展, 运动捕捉技术, 日趋成熟。与此同时也带动系统制造商朝着提升稳定性、追求操作效率、拓展系统应用弹性以及降低系统成本等方向全面发展。

2 人体反光球相关技术

人体的骨架模型主要是由肢体和关节构成, 所以进行人体结构描述的关键是进行人体的肢体选取和人体的关节选取。基于本运动捕捉系统的具体实际情况共选取16个肢体段 (不包括手足的细节) , 分别是腰臀部, 上躯干部 (胸腹部, 左胸肩部, 右胸肩部三者合为一体) , 左大臂、右大臂、左小臂、右小臂、左手、右手、颈部、头部、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左足、右足。各肢体段共由15个关节相连, 分别是臀腹关节, (左胸肩关节、右胸肩关节合一) , 左肩关节, 右肩关节、左肘关节、右肘关节、左腕关节、右腕关节、胸颈关节、头颈关节、左腿根关节、右腿根关节、左膝关节、右膝关节、左蹂关节、右跺关节。同时设定了理论上的人体根关节 (Rootloini) , 包括了3个平移自由度和3个旋转自由度, 来确定人的世界空间位置和朝向。

2.1 单个反光球运动方程

由于人体运动的速度和加速度有限, 在运动捕捉系统采样频率f较高时, 反光球在任意两帧之间的运动轨迹可以看成是直线, 其距离可以用任意两点之间的直线距离公式求得。

在前述相同条件下, 相邻两帧之间反光球的平均速度的大小就可以用两帧之间的直线距离除以这相邻两帧之间的时间得到, 并将这相邻两帧之间的速度变化看成是匀变速的。这样任意相邻的两帧之间的运动速度和加速度就可以得到。这里进行了两个简化, 即反光球在相邻两帧之间的运动是直线运动和匀变速运动, 这样可以得到该时刻该点的运动速度和加速度:

2.2 刚体运动分析

在运动学中, 描述刚体平动至少要知道刚体上在刚体运动平面上投影不重合的任意两点的运动状态, 而作空间运动的刚体则要知道三个点的运动状态[3]。由于运动捕捉过程中各种原因 (主要是遮挡) 可能存在某个反光球的运动轨迹不连续, 为了减少这种不连续造成的误差或使捕捉数据报废, 对于在运动中包含易被遮挡的反光球的刚体一般用4个反光球来定义。

组成肢体的各刚体运动包括平动和绕关节的转动, 由于前面已经求出了组成刚体的各点的瞬时运动学参数, 将它们按照研究目的不同求出刚体平动的速度和加速度或转动的角速度ω和角加速度β。根据运动学的相关知识可以求得。

3 坐标系及三维重建

(1) 立体视觉摄像机定标

在立体系统中, 一般需要用两个摄像机, 因此, 与单个摄像机定标的差别是。需要通过定标, 测量双摄像机之间的相对位置.

(2) 三维重建[4]

对于空间任意一点P, 如图1所示。如果用摄像机C (C是摄像机光心) 观察, 它在C的像平面上的像点为p, 但仅此还无法从p得知P的三维位置。事实上, 在CP连线上任意一点的像点都是p。如果我们同时用C1和C2两个摄像机观察P点, 并且能够确定, 在C的像平面上的p1点和C2的像平面上的p2点是空间同一点P的像点 (这个问题就是对应点的匹配) , 那么我们就可以知道, P点既在Cp上, 又在C 2p2上, 因此它是这两条直线的交点, 即它的三维位置是可以唯一确定的。这就是计算机视觉三维重建的基本原理。

空间任一点在两个摄像机中分别成像, 得到该点在两个图像中的对应坐标, 在知道两摄像机的参数矩阵的条件下, 通过建立以该点的世界坐标为未知数的4个线性方程, 可以用最小二乘法求解得该点的世界坐标。还有一种简化计算的办法, 选取两个内部参数完全相同的摄像机, 将他们平行配置, 使他们的光轴相互平行, 另有一对坐标轴共37线, 两个成像平面共面, 两相机的光心有一个固定的距离。在这种情况下求解图像点的世界坐标时, 计算方法相当简单, 不需要进行外部参数标定。

(3) 平行双目点坐标计算

图2所示为简单的平行双目立体成像原理图[5,6], 假设两个摄像机的焦距相同, 并且内部参数也相同。而且两个摄像机的光轴互相平行, x轴重合, y轴互相平行。因此, 将第一个摄像机沿其x轴平移一段距离后与第二个摄像机完全重合。两个摄像机坐标系分别为O1, X1, Y1, Z1和O2, X2, Y2, Z2两个摄像机坐标系只差x轴方向上的一个平移, 将平移距离记为b, 也称为基线长度。对于任意的空间一点P在C1和C2坐标系下的坐标为 (x1, y1, z1) 和 (x1-b, y1, z1) 。P1, P2分别是P在左右摄像机像平面上的像点。由投影比例关系可得:

其中, u0, v0, ax, ay是摄像机的内部参数; (u1, v1) 是左像素点在图像坐标系下的像素坐标; (u2, v2) 是右像点在图像坐标系下的像素坐标。结合两台摄像头沿基线的相距B和摄像头的焦距, 可以得到x1, y1, z1为:

记u2-u1=d, d称为视差。分析表明, 基线长度越长, 计算相对误差越小。但基线长度不可太长, 否则由于物体各部分的相互遮挡, 两个摄像机可能不能同时观察到P点。视差是由于双摄像机位置不同, 使P点在图像中的投影点的位置不同所引起的, P点的距离越远, 视差越小。事实上, 当P点趋于无穷远时, 视差趋于零。于是计算出了视差, 就可以计算出深度值, 同时也可以求出空间点的三维坐标。

4 运动捕捉的实现

(1) 系统工作流程

(2) 系统功能实现

1) 确定相机间的关系

当所有的设备都已经布置安装好后, 既可以开始进行动作捕捉, 拿带有反光球的铁棒对相机所能拍摄的范围进行挥棒, 尽量使挥棒的轨迹布满整个拍摄空间。

2) 建立世界坐标系与相机的位置关系

3) 捕捉ROM动作建立骨骼系统与动作捕捉

在动作捕捉之前先通过摄像机捕捉一个ROM动作, 捕捉ROM动作的目的是为了记录四肢和身体的最大运动幅度, 并计算相邻标记点之间距离, 也就是说建立一个属于个体的运动信息。

4) 修复还原捕捉的动作

通过VICON摄像机捕捉的初始数据是每一个标记点的三维数据, 要对相邻点整个“人体”进行“连接”确立关系。

5 结束语

本文后续总共捕捉了六组数据分别为:走、跳、跑、滚、打太极、少林长拳。最后通过对照发现像走, 跳, 跑这类简单的动作数据的准确度很高, 而像滚、少林长拳这类相对复杂点的动作偶尔出现类似于有几个点无法识别。总体效果显示, 在拍摄速率达到每秒60帧以上时, 其运动轨迹获取就相对稳定准确了。

参考文献

[1]金刚, 李德华, 周学泳.表演动画中的运动捕捉技术[J].中国图像图形学报, 2000, 5 (3) :264-267

[2]何雪微, 龚光红.虚拟人运动的动力学实现方法研究[C]∥唐淑琴.2003年全国系统仿真学术年会论文集.西安:中国系统仿真学会, 2003:614-619

[3]肖俊, 庄挺越, 吴飞.计算机视觉与机器学习技术在三维人体动画中的应用综述[J].计算机辅助设计与图形学学报, 2008, 20| (3) :201-290.

[4]黄波士, 陈福民, 张金剑.一种改进算法的光学运动捕捉系统[J].同济大学学报 (自然科学版) , 2005, 33 (10) :1372-1376

[5]Silaghi M C, Plankers R, Boulic R, etal.Local and global skeleton fitting techniques for opticalmotion capture[A].In:Lecture Notes in Computer Science.Switzerland.Pringer Berlin/Heidelberg, 1998:26-40