激光扫描技术在自由式滑雪运动员三维人体模型建立中的应用*

关欣，王新，白巍，付彦铭,3

(1. 沈阳农业大学体育教学部,辽宁 沈阳 110866;2.沈阳体育学院运动人体科学学院,辽宁 沈阳 110102;3. 东北大学机械工程与自动化学院,辽宁 沈阳 110819)

激光扫描技术在自由式滑雪运动员三维人体模型建立中的应用*

关欣1，王新2，白巍2，付彦铭2,3

(1. 沈阳农业大学体育教学部,辽宁 沈阳 110866;2.沈阳体育学院运动人体科学学院,辽宁 沈阳 110102;3. 东北大学机械工程与自动化学院,辽宁 沈阳 110819)

为了缩短体育运动中人体运动技能分析过程人体模型构建周期和提高构建精度。采用激光扫描技术，对自由式滑雪运动员在助滑阶段的几个主要动作进行数据采集，以“实物-设计意图-三维重构-再设计”框架为流程，建立自由式滑雪运动员三维人体模型。研究发现在采用激光扫描技术得到表面的几何数据基础上，人体模型的构建还要经过数据拼合、简化、三角化、去噪等预处理，再进行测量数据分块、曲面拟合，最终进行模型重构。探讨了运动生物力学研究领域人体模型构建的新方法，提高人体模型构建效率，为体育科学人体运动研究提供基础模型。

激光扫描技术；自由式滑雪；三维人体模型

自由式滑雪空中技巧项目是我国选手在冬奥会雪上项目夺金的突破口，也是沈阳体育学院特色运动项目。该项目技巧性很高，动作结构由助滑、起跳、空中翻转、落地四部分组成。在自由式滑雪空中技巧项目中, 助滑阶段为出台提供速度储备, 只有运动员储备了充足的助滑速度, 才能高质量完成技术动作。以往队员在训练中采取凭借本体感觉和经验完成人体对速度的控制，而实际上这种感觉或经验在诸多外借因素干预的情况下就失去了效用。在体育事业蓬勃发展的今天，运动员为取得佳绩不仅仅要有刻苦的运动训练，也需要足够的科学技术支持。虚拟的人体模型对运动员进行合理的评判成为生物力学研究的主要方法和手段之一。即通过人体测量学、人体工程学等相关方法建立科学的运动学模型, 对运动员人体运动进行了仿真[1,2]。

本研究采用更为先进的激光扫描技术，对自由式滑雪运动员在助滑阶段的几个主要动作进行数据采集，以“实物-设计意图-三维重构-再设计”框架为工作过程，建立自由式滑雪运动员三维人体模型。运用了逆向工程这种先进的设计理念，对实物样件进行坐标数据采集，得到表面的几何数据，然后进行数据拼合、简化、三角化、去噪等预处理，再进行测量数据分块、曲面拟合，最终进行模型重构。[3-5]为后续研究外部因素对助滑阶段的影响提供了更为合理、准确的依据和数据支持。

1 研究对象与方法

本课题基于激光扫描技术的自由式滑雪运动员的三维人体模型数据采集对象为目前拥有世界第一难度动作、总积分排名世界第一的中国女子自由式滑雪运动员徐梦桃，以及第24届大冬会男子自由式滑雪空中技巧冠军贾宗洋。

激光扫描设备采用北京体育大学引进的三维人体扫描仪(Anthroscan 3D VITUS)，该设备是为精确获得人体三维数据而设计。通过基于激光光学三角测量原理，快速、准确、无接触地完成大于100项人体关键尺寸自动测量，自动根据测量方案输出人体测量数据。该设备为建立人体尺寸标准、生理解剖、人机工效学、专业人群选材(运动员、特种部队、艺术专业)、服装设计等科研单位的人体数据采集和自动处理提供了全面的解决方案。

本研究的主要研究对象为自由式滑雪运动员在助滑坡上所做的各种动作(以下称助滑阶段)对出台速度的影响。在人体模型划分上采用日本松井秀智人体模型的相关参数作为校正。即把人体分为头、颈、躯干、上臂(双侧)、前臂(双侧)、手(双侧)、大腿(双侧)、小腿(双侧)、足(双侧)十五个环节。在助滑阶段，姿态可分为启动滑行——(下蹲)后半蹲滑行——(蹬伸结束)准备展体——(展体)上举手臂。利用三维人体扫描仪对两位运动员在助滑阶段分别顺次采集了六个动作姿态，记作A、B、C、D、E、F，如图1。采集对象要穿戴正式的滑雪器材包括滑雪靴、运动服、滑雪帽、手套等。滑雪板及滑雪杖的器材将在后序三维模型处理过程中添加。

2 过程与分析

三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，是测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革命。三维激光扫描技术是基于激光测距原理，借助三维激光扫描仪发射激光，通过特定的测量设备和测量方法获得实物表面离散的几何坐标数据的测量技术。三维激光扫描技术能够快速准确地获取适当距离静态物体的空间三维信息,并且能深入到复杂环境进行作业，因而为快速建立复杂物体的空间框架提供了一种便捷手段。[5]三维激光扫描技术是一种新兴的数据获取方式，又称为实景复制技术，能够完整并高精度地重建扫描实物及快速获取原始测绘数据。由于其具有高精度、高速度、立体扫描等特性，该技术可以真正做到直接从实物中进行快速的逆向三维数据采集及模型重构，无需进行任何实物表面处理，其激光点云中的每个三维数据都是直接采集目标的真实数据，使得后期处理的数据完全真实可靠。

图1 自由式滑雪运动员的六个动作姿态

本文是利用三维人体扫描仪对滑雪运动员进行激光扫描点云，并生成准确的数字模型，然后用Geomagic Studio软件对点云进行数据预处理，数据处理工作主要包括：数据格式的转化、噪音过滤、和数据精简、孔填充、松弛表面等。预处理后生成的igs文件导入pro/ENGINEER软件中，对点云进行重新造型，删除不理想的曲面，创建光顺的曲面，最终建立滑雪运动员的三维人体曲面模型，后续可导入ANSYS, FLUENT等软件中进行有限元分析。[6,7]如图2所示。

图2 数据处理与分析过程

2.1 Geomagic Studio对点云数据进行预处理

Geomagic Studio 是Geomagic公司出品的逆向工程和三维检测软件，可轻易地再扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网络，并可自动将其转换为NURBS曲面。

2.1.1 数据格式的转化

由Anthroscan 3D VITUS 三维人体扫描仪获得的人体三维数据为SCN格式，需进行数据格式的转化，才能将采集的数据导入Geomagic Studio逆向工程软件中进行预处理。[7,8]数据格式的转化的方法是：

1)修改扩展名：将每个文件名为 “*.scn”的扩展名scn改为txt.(例如yundongyuan1.scn yundongyuan1.txt)

2)导入点云模型：启动Geomagic，将上述文件拖入程序中，或者点击“打开”，选中拓展名为“txt”的文件。

2.1.2 滤除噪声点

Anthroscan 3D VITUS 三维人体扫描仪的数据采集方法为非接触式测量，易受环境光线及杂散光影响，故噪声高，需要进行噪声信号处理。先人工圈选删除大片孤立的点云数据，然后由软件自动过滤掉超过设定阈值的孤立噪声点。

2.1.3 孔填充

由于被测滑雪运动员在激光扫描时受到滑雪服等物体的阻挡，或者对于一些细节位置，如边界、缝隙或曲面变化较大的曲面部分容易丢失数据，因而需要对数据进行补缺。[9]如图3.2所示

2.1.4 数据精简

经Anthroscan 3D VITUS 三维人体扫描仪采集的数据密度很高，经以上步骤处理后的运动员点云可能还含有几十万、几百万的数据点，在利用软件对图形进行运算时，它占据很大一部分计算机的内存，严重影响后续算法的效率， 因此需要按一定的要求，设置一个采样百分比就可以将点云数据均匀减少。

图3 点云数据缺失造成的孔

2.1.5 保存数据

由Geomagic Studio保存成IGS格式的点云数据不能导入ANSYS进行曲面分析，因此需进一步导入pro/ENGINEER软件中，对点云数据进行曲面重构。

2.2 pro/ENGINEER对点云数据进行重新造型

“重新造型”是一种逆向工程模式，它是一个直接建模的环境，可使用不同的工具来获得期望的曲面形状和属性。[10]自由式滑雪运动员的三维人体模型是一个封闭的多面模型，而且没有锐边结构，所以可以使用覆盖曲面的方法来重建曲面模型，如果结构不合理，可以通过修改来完善。

2.2.1 模型重构前的预处理

单击pro/ENGINEER的“插入”/“小平面特征”命令，输入由Geomagic Studio保存成IGS格式的点云数据，数据精简后对小平面进行包络处理。进行包络处理后，会在模型的空隙部位(如：手臂与躯干之间、两腿之间)生成腹板面，腹板面会影响几何形状，必须去除。[11]如图4所示。

图4 去除腹板前后照片

去除腹板后，对小平面进行精整、分样、松弛等操作，使小平面变得光滑，最后进行“生成集管”，把 整个小平面特征以相邻边集成为一体，无此步骤，后续的重新造型将不能进行。

2.2.2对模型进行重新造型

进入重新造型后，对整个模型进行曲面的划分，则曲面创建完成，旋转模型进行观察，在曲面的转折过渡的部分出现了褶皱和变形，对于位置和结构不正确的曲面或曲线，我们将其删除，创建新的理想的曲线和曲面(如图5所示)，并重新建立曲面之间的约束，这样所需要的自由式滑雪运动员的曲面模型就完成了(如图6所示)。[10-13]

图5 修改褶皱和变形的曲面

图6 重新造型后的运动运曲面模型之一

2.2.3 保存数据

将pro/ENGINEER 重新造型后的三维曲面模型保存成IGS格式的文件，可后续的导入ANSYS、FLUENT进行曲面分析。

3 小结

空气阻力大小对自由式滑雪空中技巧项目人体滑行速度的影响很大，要想模拟出人体以不同姿势、不同速度滑行时的空气阻力变化，最首要的就是要获得人体的三维模型。由于人体形状为复杂的曲面，要对其进行较为精确的测量并获得全面细致的人体数据是很困难的。因此人体曲面数据的获取是建立三维人体模型的前提，也是一项基础性的工作。本文采用激光扫描技术对滑雪运动员进行激光扫描点云的方法，打破了传统的采用软尺、测高计、滑动计等手工工具，或者采用照片对人体轮廓进行追踪的人体测量方法，测量数据快，测量面积大，数据较为完整。

本文首先运用激光扫描技术获得的人体各个部位的形状数据，通过Geomagic Studio和pro/ENGINEER三维逆向工程软件，实现格式的转换，通过数据拼合、简化、三角化、去噪等预处理，再进行测量数据分块、曲面拟合，最终进行模型重构。将缺失的、褶皱的人体点云转化为完整的、光顺的曲面模型。进入重新造型后，对整个模型进行曲面的划分，则曲面创建完成，删除对于位置和结构不正确的曲面或曲线。创建新的理想的曲线和曲面后续可导入ANSYS、FLUENT等软件中进行受力分析。不仅实现了将激光扫描技术在自由式滑雪运动员三维人体模型建立上的应用，为以后将这一科学技术运用在运动员技术动作的分析与创新，降低运动员受到伤害的可能性，提高运动员的训练成绩与竞技水平做下了铺垫。

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Application of Laser Scanning Technology in the Three-dimensional Human Body Model Establishment of Freestyle Skiing Athletes

GUAN Xin1,WANG Xin2，BAI Wei2， FU Yan-ming2,3
(1. Dept.of P.E.，Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866,China;2. Institute of human movement science Shenyang Sport University， Shenyang 110102,China;3. Institute of mechanical engineering and automation Northeastern University， Shenyang 110102,China)

In order to shorten the analysis process of human body movement skills and human body model building cycle, and improve the building precision, the paper, by means of laser scanning technology, collects the data of the freestyle skiing athletes' main actions in slipping stage, and establishes freestyle skiing athletes three-dimensional human body model, taking "objects - design intent - 3D reconstruction -redesign as a framework. It is found that the human body model building needs such pretreatments as data integration, simplification, triangularization, and denosing on the basis of applying the laser scanning technology in the geometric data, and then the measurement of data block and curved surface fitting, finally the reconstruction of the model. The paper makes a research on the new way of the human body model building in the sports biomechanics fields, aiming at improving the efficiency of human body model building, and providing the basic model for the human movement study in sports science.

Laser scanning technologr; Freestyle skiing; Three dimensional body model

2013-11-06

关欣(1979-)，女，辽宁抚顺人，讲师

研究方向：运动训练理论与实践

2011年国家自然科学基金青年项目，项目批准号：11102120;2012年辽宁省教育厅科学研究一般项目，项目批准号：L2012411

G80

A

1007-323X(2014)01-0092-04