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【王学谦-运动机能形态学团队】 随着现代科技的发达，赛场上遍布摄像机，可以高清、高速地从各个角度记录比赛情况，并且实时将画面传输到千家万户，使未到现场的观众也能近距离，精细地观看比赛，带来视听上的极大享受。其实，摄像机的记录所能做到的已远不止视觉上的观看，其作为一种动力学和运动学分析的手段，已经被研究者们广泛运用于运动生物力学的研究。利用摄影、摄像技术，可以方便，有效地捕捉到运动过程中的各个技术动作完成时的“瞬时”画面，捕捉到人在画面中不同位置和姿态的变化。应用棍棒模型、“多刚体”模型和运动学原理，即可以科学地对这些变化做出精细的运动分析。 以花样滑冰为例，下图代表花滑中的一帧画面。  第一步，获得人体棍棒模型：我们可采用通用的关节中心的定义，在每幅画面中取头重心、左右侧肩关节中心、肘关节重心、腕关节中心、中指指尖、左右侧髋关节中心、膝关节重心、足踝关节重心、足尖。按照环节的顺序将上述关节中心连接，获得人体棍棒模型。  第二步，建立全局坐标系和确定关节中心的位置：由于邻近的画面由一台固定位的摄像机获得，可简便地将获得画面的左下角定义为全局坐标系原点。画面的右方向为+x轴方向，画面的上方向为+y轴方向。  确定画面中可以选用的参照物为比例尺，如人的身高，肢体的长度，地上的标尺等。接着可以用传统的尺笔测量，也可通过在计算机中计算画面的像素得到各关节中心在时间坐标系中的(x，y)坐标。   因为摄像的速度较快，相邻画面间的时间间隔仅为0.1秒，相邻两幅画面的平均速度可近似为此时间段的瞬时速度。△t为摄影速度，即相邻画面的时间间隔。此平均速度略早于i时刻，为了获取更少误差的i时刻的速度，通常采用i-1和i两幅画面间的平均速度与i和i+1两幅画面间的平均速度的整体平均，则为：   加速度亦可通过相邻时间内速度的平均变化获得。稍早于i时刻的平均速度和稍晚于i时刻的平均速度，两者的差再除以变化的时间△t，则有   同理，对于关节中心连线所定义的棍棒模型，人体肢体节段的各个角度变化也可由相邻画面的图像中获得角度的变化、角速度和角加速度。以上臂为例，上臂由肩关节的中心（xa,ya）和肘关节的中心（xb,yb）连接而成。其在任意一幅画面中和水平面所成的夹角为：  角度的变化量为：  角速度为： 角加速度为： 以上即为利用摄影技术和运动学分析相结合，来进行关节运动的分析方法。光学拍摄及录像技术和公式计算，其缺点在于通常用于简单场景中的二维分析，缺乏远近深度、平面外旋转等信息，只能获得空间三维六自由度上的三个自由度，即平面内的左右方向位移，上下方向位移，平面内的旋转，并且会因为被分析物体的远近深度和旋转带来分析上的误差。同样以花滑为例，手臂和腿的摆动被简单地投影至同一平面内，身体旋转也被忽略，因此与实际的关节中心点和棍棒模型的角度有较大差异，为后续的计算带来一定误差。 参考文献 [1]Andersen TE, Floerenes TW, Arnason A, Bahr R. Video analysis of the mechanisms for ankle injuries in football. Am J Sports Med. 2004 Jan-Feb;32(1 Suppl):67s-79s [2]Giza E, Fuller C, Junge A, Dvorak J. Mechanisms of foot and ankle injuries in soccer. Am J Sports Med. 2003 Jul-Aug;31(4):550-4. [3]刘宇.人体运动生物力学[M].上海:上海交通大学出版社,2017:203-206 [4]Sigrist S, Maier T, Faiss R. Qualitative Video Analysis of Track-Cycling Team Pursuit in World-Class Athletes. Int J Sports Physiol Perform. 2017 Nov 1;12(10):1305-1309. [5]Linke D, Link D, Lames M. Football-specific validity of TRACAB's optical video tracking systems. PLoS One. 2020 Mar 10;15(3):e0230179. |
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