运动生物力学中运动捕捉技术和体育系统仿真的应用分析

王文军

(陕西邮电职业技术学院,咸阳,712000)

运动生物力学中运动捕捉技术和体育系统仿真的应用分析

王文军

(陕西邮电职业技术学院,咸阳,712000)

随着计算机技术的发展，运动捕捉技术和体育系统仿真在体育训练中思维应用范围越来越广。本文分析了运动捕捉技术以及运动捕捉设备的组成和MEMS传感器的工作原理，介绍了运动捕捉技术和体育系统仿真的应用。

运动捕捉技术；MEMES；体育系统仿真

运动捕捉技术和体育系统仿真都是交叉渗透性的科学技术，它们都运动生物力学的发展完善都有着非常重要的作用，由于这两项技术的应用，丰富了运动生物力学的测试手段，扩大了运动生物力学的研究领域，增加了运动生物力学的科研任务，为运动生物力学的发展提供了更加广阔的空间。本文详细的介绍了这两种技术，旨在为这两项技术的发展提供理论依据。

1 运动捕捉技术

1.1 运动捕捉技术简介

运动捕捉技术就是在运动生物体的关节部位比如说肘关节，设置安装一个追踪的芯片，这样生物体的运动信号就会被采集传输到计算机上面，然后计算机再对这些信号进行高效处理，转化为坐标数据，得出生物体的三维运动图的一项技术。运动捕捉系统主要有机械电动式、光学式、声学式和电磁式四种。①机械电动式运动捕捉系统的主要构成部件就是机械传感器。②光学式捕捉系统主要包括包括光源、摄像机以及反光点3部分。③声学式运动捕捉系统的主要构成部件是接收器、发送器和处理器。④电磁式运动捕捉系统由接收器、发射器和数据处理单元三部分组成，接收器的主要作用就是检测磁场，放置在生物体上的是发射器和数据处理单元，它们两个之间使用电缆连接。随着科学日新月异的发展产生了MEMS微传感器，这种传感器的成本低廉，灵敏度高，误差小，将它放置在生物体的待测部位，比如肘关节，然后再应用无线传输技术将得到的数据传输到计算机上面，操作简单，安全可靠。

1.2 运动捕捉系统设备

1.2.1 传感器

传感器就是固定在运动生物体上的一些特定部位的装置，它将向运动捕捉系统提供生物体运动部位的信息。

1.2.2 信号捕捉设备

信号捕捉设备的作用使捕捉和识别传感器的信号，然后将这些数据快速而准确的传到计算机系统上，信号捕捉设备根据不同系统而配置，对于机械捕捉系统来说是一块线路板，而对于光学运动捕捉系统来说则是高分辨率的红外摄像机。

1.2.3 数据传输设备

数据传输设备就是将大量数据从信号捕捉设备准确迅速的传送到计算机系统，将这些数据进行处理。

1.2.4 数据处理设备

经过数据传输设备将这些数据传送到计算机系统上，计算机就会将这些数据进行修正和处理，通过与三维模型的结合，完成计算机动画制作，并对这些动画进行分析，完成数据的运算。

1.3 MEMS传感器工作原理

由于MEMS传感器在现代运动捕捉系统中应用极广，本文详

细介绍了MEMS传感器。

1.3.1 MEMS惯性传感器

对于人体来说，每个关节都有其独特的运动方式，角速度和加速度是关节在空间中的主要运动姿态，这些运动姿态的信息主要是通过MEMS惯性传感器来测量获取的。惯性传感器有加速度传感器和陀螺仪两个主要部件。MEMS惯性传感器和外部对象典型的作用图，如图1所示，由图1可知，各种光、电、力、声学的信号先经过传感器转换成电信号，再经过模拟信号处理，最后这些信号信息到达执行器进行相关的操作。

图1 MEMS传感器和外部对象相互作用图

1.3.2 加速度传感器的作用原理

加速度传感器的作用原理是牛顿的惯性定律，加速度传感器主要用来测量振动、加速度和机械冲击三种。加速度传感器的组成主要包括质块和弹性元件2部分。质块和弹性元件相互挂接在一起，弹性元件悬在支架上面，当物体发生运动时，因为加速度的原因，质块就会发生移动，测量物体移动的距离，移动的距离和加速度成正比。加速度传感器的典型内部结构图如图2所示，由图2可知，加速度传感器的内部结构有质量块、弹簧和阻尼器3部分，其中K代表弹簧系数，D代表阻尼因数，据牛顿惯性定律：

公式（1）中F代表质块上面的作用力，P代表动量，a代表加速度。如果质块受到外力的作用，质块就会发生移动，弹簧就会变形。系统的动态特性方程如公式（2）所示：

公式（2）中 F外力为支架上的作用力。对于公式（2）利用拉普拉斯变换得到公式（3）：

除了上述一些因素，加速度传感器的性能还和质块热运动有关，小的质块会产生一些大的运动幅度。由总噪声等效加速度即TNEA可以得到如下的结论，以低速运动物体的测量为例，对质块和品质因数的要求都较高。TNEA的计算公式见公式（4）。

图2 加速度传感器的典型内部结构

1.3.3 陀螺仪

陀螺仪的作用原理主要是哥氏效应力，运动物体的旋转速度或者是旋转角主要是利用陀螺仪来测量，陀螺仪的作用的原理如下面所述。

陀螺仪的工作原理如图3所示，在图3中运动物体沿X轴做周期性的运动，而载体以Z轴为中心做角速度为W的旋转运动，物体在沿Y轴方向会产生一个哥氏力，其大小为

公式（5）中 FC为哥氏力，m为物体的质量，w为物体运动的角速度，V为物体的速度向量。

MEMS陀螺仪有分辨率、灵敏度、零角速度输出和测量范围等主要参数。

图3 陀螺仪的工作原理

1.4 运动捕捉系统数据算法研究

运动传感器固定设置在运动生物体上，运动生物体的姿态可以通过传感器确定，在运动捕捉系统中建立传感器和虚拟三维图之间的映射关系，将生物体的运动转移到虚拟三维图上，在研究三维图时，通常将这些数据信息转换到地理坐标系中，地理坐标

系中的主要算法有欧拉角法、方向余弦法、四元数法和等效旋转矢量法。

欧拉角叫法还可以被称为三参数法，坐标系间的相对角位置的确定就是利用独立转角，欧拉角法计算特别繁琐；方向余弦法还可以称称为九参数法，主要是利用方向余弦的概念，物体的角位置通过方向余弦值来描述；四元数法又称为四参数法，它根据数学的方法来求解两坐系间的关系，计算相对于其他方法来说较少，应用最为广泛；等效旋转矢量法描述物体的定点转动是根据用坐标系之间的相对转动的等效转轴和转角来进行描述。

2 体育系统仿真

体育系统仿真是在运动捕捉等虚拟现实技术的基础上产生的，应用此系统，体育教师的丰富教学经验、训练目标以及运动员的训练过程等主要是通过计算机模拟技术来实现的，通过这个系统可以对体育训练进行分析解释以及预测评价，其中运动捕捉系统是体育系统仿真的一个关键设备。体育系统仿真的主要有构建虚拟的训练场景、运动数据的捕获、采集生理生化和心理数据、动作展现和重演等5方面的功能。

3 运动捕捉技术和体育系统仿真的应用

运动捕捉技术和体育系统仿真在体育训练中应用很广泛，运动捕捉技术可以诊断和分析对运动员在训练中出现的问题，然后以图像和量化数据等方式，将这些数据反馈给教练员，使教练员量化训练的指标，提出新的训练意见，科学的纠正运动员的动作。比如在体操项目的训练中，教练先采集体操运动员的一些真实动作，然后对这些动作重新进行编排并产生新动作，最后利用虚拟的体操运动员来重现这些动作，并通过计算机技术进行诊断和量化分析，把理想的技术动作和体操运动员的真实动作进行分析对比，经过研究得到一些改进动作的指导性意见，从而帮助体操运动员动作改进，提高他们的水平。

[1] 王广军.基于运动捕捉数据的交互式智能控制与虚拟仿真[D].安庆师范学院,2013.

[2] 郝卫亚.人体运动的生物力学建模与计算机仿真进展[J].医用生物力学,2011,02:97-104.

[3] 张瑛,薛梅,王阳,成谢锋..基于MEMS传感器惯性测量单元设计与实现[J].计算机技术与发展,2013,08:207-211.

王文军，男，1977.05，陕西渭南人，讲师，研究方向：运动技术生物力学分析

Application of motion capture technology and physical simulation in biomechanics

Wang Wenjun
(Shaanxi Post and Telecommunication College,Xianyang,712000)

With the development of computer technology, motion capture technology and physical simulation in the sports training thinking increasingly wide range of applications.This paper analyzes the working principle of composition and MEMS sensor motion capture and motion capture equipment,introduces the application of motion capture technology and physical simulation system.

motion capture technology;MEMES;sports system simulation