基于三维虚拟现实技术对周施雄双杠后上转体450°成倒立动作的分析

周继和,王 帅,刘 艺,李 溪

ZHOU Jihe,WANG Shuai,LIU Yi,LI Xi

基于三维虚拟现实技术对周施雄双杠后上转体450°成倒立动作的分析

周继和,王 帅,刘 艺,李 溪

ZHOU Jihe,WANG Shuai,LIU Yi,LI Xi

在世界上,中国运动员周施雄首次完成双杠后上转体450°成倒立动作。本文应用三维录像解析法对周施雄在比赛现场所做的后上转体450°成倒立动作采集运动学数据,利用沉浸式三维虚拟现实技术对获得的运动学数据进行重建,通过360°的旋转再现观察,以三维动画的形式进行运动学分析。研究发现周施雄在比赛中虽然完成了这一动作,但还有待完善。主要问题有上摆阶段伸髋较早、幅度稍大,导致在下一阶段的转体过程中单臂支撑的时候人体重心离支撑点的水平距离偏大,身体产生了倾斜,影响了之后的倒立动作,另外在转体阶段两腿并未完全并拢。

双杠；后上转体450°成倒立；虚拟现实系统

双杠是男子竞技体操的项目之一,1896年列为奥运会比赛项目。20世纪80年代以来双杠一直是我国男子体操的优势项目之一。从1980年开始至2015年我国优秀运动员李月久、楼云、李敬、黄力平、张京津、李小鹏、杨威等在世界体操大赛中共夺得十几次双杠世界冠军。我国运动员能长期的保持这个项目的优势地位和竞争实力,除了不断的与时俱进的创新高难动作之外,还有一个重要原因就是不断的提高前沿潮流动作的质量。

双杠后上转体450°成倒立达到了G组的高难度[1-2]。目前,在世界上该动作由中国体操运动员周施雄(以下简称“周”)首次完成,在全国体操锦标赛双杠决赛中,周施雄未能很好的完成此动作。为此,为了改进和提高这个动作的质量,更好的掌握动作,从定性和定量两个方面去研究这个动作是十分必要的。我们在比赛现场拍摄了周的技术动作,在采集到运动学数据的基础上,建立三维的人体运动模型[3],通过计算机实现周双杠后上转体450°成倒立技术动作的三维动态亚实时的立体显示再现[4]。经过分析揭示双杠后上转体450°成倒立动作的运动学规律和技术特点,为体操双杠运动员发展和改进该动作提供理论依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

研究对象为中国体操队男子运动员周施雄,基本情况见表1。

表1 运动员基本情况

1.2 研究方法

1.2.1 三维录像解析法

在全国体操锦标赛现场,对双杠决赛进行定点三维摄像。拍摄使用两台日产JVC 9800摄像机(50帧/秒),摄像机置于看台,距双杠约25m,主光轴与双杠水平面平齐,两台摄像机主光轴夹角约60°。运用3-D Signal TEC V1.0C三维录像解析系统对周完成双杠后上转体450°成倒立动作进行解析,获得三维运动学参数,坐标系设置如图1所示。选用日本松井秀治人体模型(21个关节点,16个环节)。原始数据经低通滤波器平滑处理,截断频率为6Hz。

图1 坐标系示意图

1.2.2 沉浸式三维虚拟现实技术再现法

虚拟现实技术(VRT/Virtual Reality Technology),又称灵境技术,是20世纪末发展起来的一门包括计算机技术、传感技术、仿真技术、微电子技术等在内的高新技术[5-8]。我们在已有的运动学测试的基础上,把周双杠后上转体450°成倒立动作的运动学参数调入虚拟显示系统进行数据演示,通过360°的旋转再现观察,以三维动画的形式进行运动学比较分析,可以对运动员的技术动作作出更精确的诊断与分析(见图2和图3)。

图2 沉浸式3D虚拟再现技术的界面系统

图3 周施雄双杠后上转体450°成倒立动作的虚拟再现

2 研究结果与分析

为了便于分析后上转体450°技术动作,将此动作分为三个阶段如下(见图4):T1—T2:下摆阶段；T2—T3:上摆阶段；T3—T4:转体阶段。其中,T1:手倒立开始下摆时刻；T2:重心在杠下最低点时刻；T3:右手离杠时刻；T4:右手再握杠时刻。

图4 阶段划分示意图

2.1 下摆阶段技术动作分析

本阶段是从人体手倒立开始下摆时刻至重心在杠下最低点时刻的运动过程。此过程要把人体势能转变为动能,从而获得后续转体450°的能量。

手倒立开始下摆时刻,两手内握,肩往上顶,身体重心位置应尽量高一些[9],周身体重心至手握点的垂直距离为0.93m。身体伸直,肩关节顶开,左右肩角分别为171.9°和173.7°,左右髋角分别为174.3°和178.4°,左右膝角分别为174.4°和176.3°,刚开始下落时重心速度比较小,为0.33m/s (见表2)。

周绕额状轴下摆,开始沉肩,重心下摆至杠后水平面时,身体重心与手握点的距离为0.57m,重心速度为2.58m/s,左右肩角分别为88.2°和85.8°,左右髋角分别为103.2°和99.0°,左右膝角分别为176.6°和175.0°。然后身体继续下摆,肩关节开始向下沉,肩角逐渐加大,髋角逐渐减小,膝角稍有减小,下肢快速兜腿。重心转动半径减小,下摆速度加快。重心至杠下最低点时刻,左右肩角分别增大到107.9°和105.1°,左右髋角分别减小到26.8°和29.1°,膝角略有减小,左右膝角分别为170.6°和171.2°(见表2)。向下沉肩的目的是为了增加对双杠的作用力,使双杠向下产生弹性形变,当身体向上运动时可以利用双杠产生的弹性势能更好的完成后续动作。由于人体重力的作用,身体重心至最低点时刻的重心速度最大,为4.11m/s。从杠上手倒立时刻至重心最低点时刻,运行了1.88s,重心绕手握点旋转了180°,旋转的平均角速度为1.67rad/s。

此阶段要尽可能的折叠髋关节,一是减小转动惯量,二是缩短了转动半径,从而增大人体转动角速度,有利于完成后续的上摆及单手转体动作。结合虚拟现实技术再现观察,周在下摆阶段动作完成的较好。

表2 下摆阶段运动学参数

2.2 上摆阶段技术动作分析

本阶段是从人体重心在杠下最低点时刻经过杠前水平面至右手离杠时刻的运动过程。这个阶段人体要利用惯性,为后面右手离杠转体做好准备。

周身体重心通过杠下后继续绕手握点利用惯性向上运动,这时肩角减小,而髋角明显增加。身体重心在杠前水平面时刻,左右肩角分别减小到81.9°和92.3°,左右髋角分别增加到87.5°和85.8°,左右膝角分别为178.7°和177.3°(见表3)。此时髋角偏大,增大了转动惯量,减小了转动速度。身体重心与手握点的水平距离缩短到0.47 m,比杠后水平面身体重心与握点的距离0.57m短了0.10m。身体重心速度比杠下重心最低点时刻速度4.11m/s要慢,为3.96m/s。

在人体向上的过程中,身体开始伸直并开始向左转动。肩角和髋角呈增大的趋势,膝角继续维持伸展位。右手离杠时刻,身体重心绕手握点向上运行到杠水平面以上约23.1°,身体重心与杠水平面的垂直距离为0.21m,左右肩角分别为87.7°和89.4°,左右髋角分别增大到115.2°和114.7°,左右膝角分别为176.6°和171.2°(见表3)。由于受重力的影响,身体重心向上的运动速度继续减小,右手离杠时刻重心速度减小到3.79m/s。从重心在杠下最低点时刻至右手离杠时刻,身体重心绕手握点额状轴旋转了113.1°,用时0.34 s,这一区间的平均旋转角速度为5.77rad/s,显然这一区间的平均旋转角速度要比大回环下摆阶段平均旋转角速度1.67rad/s要快,这是因为向后大回环上摆时,特别是至杠前水平面这一区间肩角明显减小,人体重心旋转半径缩短所造成的。利用三维虚拟技术再现运动员技术动作,结合髋关节角度变化曲线及运动轨迹,我们发现周没有很好的完成上摆阶段的技术动作,主要问题是伸髋较早,幅度稍大,影响了之后的转体动作。

表3 上摆阶段运动学参数

2.3 转体阶段技术动作分析

本阶段从人体右手离杠时刻经过左手支撑转体450°至右手再握杠时刻的运动过程。在这个阶段一是人体绕垂直轴角度要转够450°,二是要完成双手握杠保持平衡。

表4 转体阶段运动学参数

右手离杠后在身体上升回环的过程中迅速完成绕垂直轴转体450°的动作。身体超过杠水平面就已经开始转体,而后继续完成转体450°动作。右手离杠后身体绕垂直轴转体是以左手支撑为转体轴,身体质量要落在左臂上,左臂要充分伸直,顶肩,身体要尽快伸直,两腿并拢,减少绕垂直轴的转动惯量[10],周做的较好。身体重心达到最高点时刻,身体大约转了180°,左肩角为169.4°,左右髋角分别为168.1°和164.3°,左右膝角分别为168.9°和170.2°,重心速度下降到0.32m/s(见表4)。但转体过程中,身体已有略微侧倾,身体重心离支撑点的水平距离为0.20m。这是由于伸髋较早、幅度稍大,使得单臂支撑的时候人体重心离支撑点的水平距离较大,从而导致身体产生了倾斜。在继续完成剩下的360°转体过程中,由于身体重心没有落在支撑点附近上,影响了之后的倒立动作。当右手再握杠时刻身体已基本转完450°,但重心偏移使得身体只能顺势下摆,此时左右肩角分别为145.5°和145.3°,左右髋角分别为158.0°和162.1°,左右膝角分别为162.3°和168.1°。身体重心速度为1.16m/s(表4)。从右手离杠时刻至右手再握杠位置,历时1.58s,人体绕垂直轴转体平均角速度为4.97rad/s。通过对技术动作的360°的旋转再现观察,我们发现周在转体阶段两腿并未完全并拢。

3 研究结论

通过沉浸式三维虚拟现实技术再现对周完成双杠后上转体450°成倒立动作进行分析,得到研究结论如下:

(1)下摆阶段:周由手倒立位置开始下摆时,肩角大幅减小,髋角略为减小。至杠后水平面时刻身体重心离手握点的水平距离为0.57m。在杠下重心最低点时刻左右肩角分别增大到107.9°和105.1°,左右髋角分别减小到21.9°和29.1°,重心速度达到最大值,为4.11 m/s。结合虚拟现实技术再现观察,周在下摆阶段动作完成的较好。

(2)上摆阶段:周从重心在杠下最低点向上摆时肩角减小,髋角明显增加,以减小旋转半径,增加回环角速度,重心在杠前水平面时刻左右肩角减小到81.9°和92.3°,左右髋角分别增加到87.5°和85.8°。身体摆过杠水平面后在伸髋伸腿的同时身体开始转体,右手离杠时刻,身体重心绕手握点向上运行到杠水平面以上约23.1°,身体重心与杠水平面的垂直距离为0.21m,这一区间的平均旋转角速度为5.77rad/s。周没有很好的完成上摆阶段的技术动作,主要问题是伸髋较早,幅度稍大,影响了之后的转体动作。

(3)转体阶段:周右手撒杠后继续快速完成转体450°,转体角速度为4.97rad/s。由于上摆阶段伸髋较早、幅度稍大,身体重心没有落在支撑点附近,从而导致身体产生了侧倾,通过对技术动作的360°的旋转再现观察,我们发现周在转体阶段两腿并未完全并拢。

综上所述,周完成了双杠后上转体450°成倒立动作,但还需要完善。

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3D Virtual Reality Technology-Based Analysis of Zhou Shixiong's Action of 5/4 Turn to Handstand on Parallel Bars

For the first time in the world,Chinese athlete Zhou Shixiong completed 450°turn to handstand on parallel bars.This article applies 3D video analytic method to collect Zhou Shixiong's kinematic data in the competition,uses immersive 3D virtual reality technology to reconstruct the obtained kinematics data,and makes kinematics analysis in the form of three dimensional animation after 360°rotation-reproduced observations.The study shows that although Zhou Shixiong completed this action in the game,it is still not perfect.The main problems include that he stretches hip earlier,and his swing scope is slightly wide in upswing stage.This leads to the result that when he supports his body with one arm,the horizontal distance between his body center of gravity and the supporting point is too wide.As a result,his body tilts and this affects his subsequent handstand action.Besides,his two legs are not fully closed in the swiveling phase.

Parallel Bars；450°Turn to Handstand；Virtual Reality System

G804.6 Document code:A Article ID:1001-9154(2015)06-0096-04

G804.6

A

1001-9154(2015)06-0096-04

(编辑 孙君志)

10.15942/j.jcsu.2015.06.017

国家体育总局重点研究领域课题(2014B015)。

周继和,教授,博士生导师,研究方向:运动生物力学,E-mail:jihezhou123@163.com。

成都体育学院,四川成都610041

Chengdu Sports University；Chengdu Sichuan 610041

2015-05-06