运动技术评判诊断虚拟仿真平台

 

1、平台概述

运动技术评判与技术诊断是运动生物力学的主要内容,也是体育各专业主修术科运动技术的保证。在运动生物力学中,神经系统的控制和反馈过程,以简明的控制规律代替肌肉活动,简化为受控的力矩发生器,作为研究对象的人体模型可忽略肌肉变形对质量分布的影响,简化为由多个刚性环节组成的多刚体系统。相邻环节之间,以关节相连接,在受控的肌力作用下,产生围绕关节的相对转动,并影响系统的整体运动。然而以往的光学技术诊断设备较为昂贵,对场地要求也比较严格,仅能在实验室内进行而不能在运动场所进行实时动作捕捉,为运动技术诊断类实验的开展带来极大的困难。另外,福建省内一些高校(如:厦门大学)开展的一些较为高端的运动项目,如网球、高尔夫球教学,也面临成本极高的困境。 而采用现代虚拟仿真实践教学技术,综合运用多媒体技术、仿真技术和网络技术,人工构建与真实系统相似的仿真操作控制技术,构建运动技术评判与技术诊断虚拟仿真实验平台,能够较大程度解决这些困难。

2、本虚拟仿真实验技术平台拟建设以下实验项目模块并实现对应的功能和效果:

本平台受众群体广泛,主要包括:(1)体育专业课主要实验项目,例如:排球主要技术的诊断与创新、田径主要技术的诊断与创新 、蹦床主要技术的诊断与创新、举重主要技术的诊断与创新等;(2)课外实验项目,通过排球等项目模拟分析系统,满足学生进行室内强化实验、拓展实验以及学生自选实验等课外实验以及社会服务。(3)运动训练技术诊断项目,运动技术诊断虚拟仿真实验室,通过“专业教师——研究生、本科生——教练、运动员”的模式,根据运动员的个人特点、人体结构与运动功能的关系、运动技术发展的规律,对运动技术进行诊断、分析和评价。

以上实验项目主要依托以下模块实现对应的功能和效果:

模块1. 运动人体的数字化解析

功能和效果:传统的运动生物力学分析在运动学层面上是基于人体环节链模型,在采集实际人体运动高速影像资料的基础上发展起来的,随着计算机显示器解析度的不断增强,将实际影像资料精选归类,并结合计算机图形学和3D人体数学模型,在运动人体的数字化解析技术方面拥有了技术保障,为高等体育教育及运动人体科学的实验教学提供了不断拓展的重要条件。本虚拟仿真实验让学生了解运动人体的环节链数学模型、运动人体的数字化解析原理及实际操作过程,可在网络化、可视化基础上实现面向广大学生受众及师生交互的实验教学需求。

模块2. 运动人体的力学建模

功能和效果:本虚拟仿真实验结合运动解剖学和运动生物力学知识,让学生掌握微观的骨骼肌收缩、舒张等力矢大小及方向,相应骨骼及关节链的3D运动呈现,甚至再现固体介质、流体介质等力学条件。

模块3. 运动人体的数学建模

功能和效果:本实验仿真模拟实际运动人体的数学建模过程,简化条件,为可视化、数字化、立体化人体的运动实践与教学提供结构性、功能性及运行原理。

模块4. 运动人体的虚拟仿真技术

功能和效果:基于运动人体力学或数学模型的实验过程,是人体运动计算机仿真的关键环节,涉及因素众多且动作序列规划设计错综复杂,除了宏观运动结果上要符合实际运动项目本身的要求外,在微观层次上控制参数多、控制难度大。因各参数间互相关联影响,控制策略也较精细,在基于模型实验设计中求得平衡甚至最佳,在这个意义上说,人体运动的计算机仿真实验及其过程控制是一门艺术,学生难有机会实施真正的实验设计实践。

本实验平台将通过虚拟仿真技术动态模拟人体运动过程,展示人体简单动作的内部结构和功能,以及进行一定力学条件下的动作设计、正误对比和动作效果等,并实现较逼真的虚拟动作控制操作。举例来说,运动人体机能虚拟仿真技术平台通过引入实时动作捕捉及力学评估系统 ,从解决运动生物力学教学及实验的需要出发,中心拟构建动作捕捉及力学评估系统。该系统由不同的传感器与力反馈装置组成:传感器分别装配在头、上臂、下臂、胸、盆骨、大腿、小腿、 足底。通过绷带可以将传感器随意固定在衣服内或外部。测试者可以做各种动作,通过传感器的计算,系统将人体骨架的虚拟运动通过投影仪进行投射。实时虚拟出人体骨骼的刚体运动以及关节的角度、角加速度等。将原有复杂的人体运动,分解成简单的单关节动作组合,将原本无法测量的实时人体关节角度,通过虚拟技术完美的呈现出来。这对体育各专项的动作分析以及运动生物力学研究实验提供了崭新的研究方法。

用运动捕捉系统可以采集不同运动员的动作数据,将这些运动信息进行对比,可以分析不同技术动作间的细微差异并利用计算机技术进行动作再现和设计。使运动员能够直观地了解个体的动作差异、技术水平和特点等重要信息。为科学训练提供准确的量化指标,为技术动作改进提供科学依据。设计并实现对动作捕捉数据进行实时可视化分析、管理、追踪的多功能力学分析软件,可对同步采集的人体运动数据进行扭矩、角速度、角加速度、空间角度、解剖学角速、足底压力、足底重量、身体姿势、力量、功率的分析,还可以回放所有动作捕捉数据,并且提供虚拟工具将骨骼的运动范围、角度、轨迹和力向量进行三维可视化的显示。

实时动作捕捉及力学评估系统采用全部无线传感,不需要另加任何服装和导线等阻碍动作活动的装置,使被测试者活动更加自由。同时,实时传感动作捕捉及力学评估系统为便携式设备,成为适用于运动场所的移动式实验室,更容易为师生所接受,可以使学生技术水平和相关能力得到了有效提高。

总的来说,由以上四个模块组成的本实验平台,用计算机及实时动态数学模型运行取代实践中真实人体的运动过程,可以在模拟仿真环境下进行逼真的实践动作(或动作序列)设计、正误对比教学和操作技能训练,从而可以解决现代体育运动训练及教学过程中的微观层次不可视、不可摸、不可入,宏观层次高风险、高损伤和高投入等运动训练及教学中的难题。为此,本中心拟利用实时无线传感与动作捕捉系统,将各种运动的模拟分析系统引入实验室,建立运动技术诊断虚拟仿真实验室。此外,通过已有的基于微软的Kinect设备的人机互动系统,实现不同运动的动作捕捉与数据处理。该平台可以承担体育相关专业基础类实验,及主、辅修课程,以及较为高端的蹦床等运动项目的部分运动生物力学实验,并可以向研究生运动力学分析等相关课程拓展。 平台将通过虚拟仿真技术动态模拟人体运动过程,展示人体简单动作的内部结构和功能,以及进行一定力学条件下的动作设计、正误对比和动作效果等,并实现较逼真的虚拟动作控制操作。在提高运动技术水平、预防运动损伤、促进功能康复、改进运动装备等进行实验和研究,从而为排球、蹦床、举重等等运动队提供创新服务。