基于动态三维模型的排球运动姿态标准化研究

张东兵

摘要：针对排球运动员普遍存在打球动作姿势不标准问题，提出基于动态三维模型的排球运动姿态标准化研究。采用Ki-nect技术获取排球运动三维深度动态图像数据，将数据转化为四元数格式，并将数据文件以VBH格式进行储存，通过OGRE技术将数据塑造成动态三维模型，然后运用欧氏距离对比方法判断排球运动姿势是否标准。经过某排球队对模型应用，证明了动态三维模型能有效促使排球运动姿势标准化。

关键词：动态三维模型;排球运动姿态;标准化;Kinect技术;OCRE技术

中图分类号：G852 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）03-0218-03

在排球比赛中，排球运动员姿势是否标准不光决定着排球运动能力稳定的发挥，同时也决定着排球运动员出现受伤概率。传统的排球运动姿势只能依靠教练肉眼观看对其进行纠正，但是大部分情况下都是一个教练面对一帮排球队员，使队员排球运动错误姿势不能得到及时纠正，使大部分排球运动员普遍存在运动姿势不标准。所以提出将动态三维模型与排球教学相结合，减轻教练教学压力，同时促进排球运动姿势标准化。

1 构建排球运动标准化姿势动态三维模型

1.1 三维动态数据采集

三维动态信号采集是建立排球运动标准化姿势动态三维模型至关重要的一个环节，三维动态信号采集是否完整以及好坏将直接影响到后面排球三维运动姿势重建的效果，所以此次利用Kinect中编码技术（Light Coding）与骨骼追踪技术，获取排球运动员人体的深度信息，运用随机决策算法来标记排球运动员人体的各个部位，最后从标记的人体部位中获取人体的骨骼信息，从而完成三维动态信号采集任务实现三维动态信号采集任务。

Kinect是一种具有动态捕捉、人体识别、语音识别、动作识别等多种功能的主机外设，通过红外深度摄像头获取图像数据，经传感器对数据信息进行处理然后传送给芯片系统，形成深度数据图像[1]。Kinect在对采集到的数据进行识别时，骨骼追踪会显示出可推断、未追踪到、以追踪到三种状态，其中显示未追踪的数据为完全不可用数据，其与两种状态的三维动态数据对建立模型是有价值数据[2]。

由于此模型是用于排球运动姿势标准化规划，要适用于不用身高、体型的运动员，所以采用渲染管线方法來进行排球运动人体骨骼追踪，将Kinect红外摄像头采集的人体骨骼原始数据与训练样本数据进行对比，实现排球运动姿势标准化。

渲染管线方法：（l）Kinect技术对三维动态信号采集初始阶段，通过识别人体的原始深度数据流，在没有任何其他编码的条件下，系统芯片获取到的只是深度数据表征的二维人体表征[3]。（2）为了获取排球运动员更深入的姿势数据，Kinect系统芯片要将每一个二维人体表征动态图像与标准的排球运动数据进行匹配，将二者符合的数据标记在二位人体表征上。（3）通过不断的数据匹配累积直到人体所有骨骼和关节都得到相应的标记，形成三维动态图像。下图为Kinect技术三维动态信号采集流程。

为了获取到精准且有价值的三维动态数据，需要对Kinect参数进行合理设置，其中包括姿势修正值、动作抖动半径、抖动范围、预测帧、骨骼平滑值等。

1.2 骨骼表征动作数据储存

通过Kinect技术获取到排球运动员的三维动作姿态数据后，就可以将这些数据有效的储存起来，用来驱动动态三维模型运动。首先动作数据的储存格式非常重要，常用的动态三维模型数据储存格式有旋转矩阵、欧拉角和四元数，三种数据格式比较如表1所示。

根据表1三种数据储存格式应用比较，四元数相对其他两种储存格式优势更大一些，所以对Kinect采集到的三维动态数据采用四元数格式进行转换。将数据转换完后选用BVH格式对文件进行储存。BVH是一种常用的动作数据文件格式，它具有导入导出功能，并且编辑和更改较为简单方便，便于后续模型开发。以BVH格式保存动态三维数据的文件共由18个人体关节点组成，并且分成描述骨骼层次和初始姿势两部分，下图展示了BVH格式文件关节点的分布及名称。

1.3 动态三维模型驱动设计

对于用于排球运动标准化姿势的动态三维模型的场景设计采用OGRE技术，它是一个面向3D场景设计的基于C语言开发的软件，具有三维动态影像渲染功能，并且该软件提供了一个世界对象的动态接口，可以隐藏模型数据库。通过OGRE开发的模型启动应用、场景设计，并用Kinect采集到的三维人体运动姿势数据驱动人物模型。在模型场景设计方面OGRE具有以下特点：（1）接口：该软件采用的是面向对象的接口设计形式，能够简单快捷的实现三维场景画面渲染，并且具有独立的API接口设计，能够提供充足的开发资料。（2）数据处理：该软件能够对多种不同格式的影响加载纹理，并且具有较高的三维画面质量。（3）组织方法：OGRE支持多种三维场景设计方法，比如开发人员自己通过插件方式开发场景，还可以使用软件自带的三维场景组织方法。除此之外，该技术能够对每个模型节点下安插一个控制，通过节点的运动带动整个模型的运动，使动态三维模型更加逼真和灵活。（4）场景特效：该软件支持多种场景特效，比如天空盒、天空面等。下图为OGRE三维模型场景设计流程。

当三维模型场景设计完成后，通过安装Kinect相关驱动，将OGRE三维模型场景与三维动态数据融合在一起，形成一个动态三维模型。

1.4 三维人体动作对比

由于建立的是用于规范排球运动姿势标准的动态三维模型，所以需要在模型中设计一个排球运动姿势对比方法用于比较排球运动姿势是否标准。此次采用欧式距离对比方法，该方法是通过排球运动姿势与模型中标准运动姿势中各个关节距离对比，形成一个阈值，阈值越小代表排球运动姿势越区域标准。其计算公式如下所示：

阈值T是两个排球运动姿势所有的各个关节的绝对距离，当得到的T值越大，说明排球运动姿势越不标准，以此来规范排球运动姿势标准化。

2 案例分析

为了验证此次设计的动态三维模型对排球运动姿势标准化规范效果，在安徽省某排球对应用该模型对球员进行案例分析，为了保证此次案例分析结果的有效性，对排球队员和动态三维模型使用提出了如下要求：（1）在训练过程中，让5名队员做排球动作，动作姿势包括伸展、弯曲等，由教练和动态三维模型同时对队员排球动作姿势进行评判。（2）模型在动态数据捕捉过程中光线和场景背景恒定f3）模型帧速率设置为150帧/s。f4）模型开发环境选Win5x12+VS2012。运动三维模型具体实现步骤如下：第一步，通过Kinect收集队员运动数据，筛选有用的原始深度数据;步骤二，将获取的数据转化为四元数数据格式，并已BVH文件格式对动态数据进行储存;第三步，应用OGRE驱动运动三维模型，并塑造三维环境;步骤四，运用欧式距离对比方法评判队员运动姿势。下表为教练和模型五个排球队员运动姿势评判情况。

从上表可以看出，动态三维模型与排球教练评判结果一致，能准确地判断出排球队员运动姿势是否标准，并且无论是伸展动作还是弯曲动作，动态三维模型都能做出准确判断，证明了动态三维模型对规范排球运动姿势标准具有较高的可靠性。

3 结束语

运动三维模型融合了Kinect、四元数、BVH、OGRE和欧式距离对比方法等多个技术，将其应用到排球运动训练中能准确地捕捉到排球学员的动态姿势，并且通过与标准的排球动作对比纠正学员打球动作，促使排球运动姿势标准化，对排球教学就有良好的应用价值。

参考文献：

[1]徐静，董雁.基于区域分割的零件三维模型检索方法[J].计算机辅助设计与图形学学报，2017，29（5）：929-938.

[2]周明明，赵果庆，罗亚兰，中国存在赤字率与M2/GDP的双重风险吗——基于三维非线性动态系统（D3NLDS）模型的研究[J]金融经济学研究，2017（1）：14-25.

[3]朱子君，张玉龙，崔玲玲，等.基于BIM技术的大型建筑景观三维仿真系统设计与实现[J].现代电子技术，2017，40（4）：111-114.