採用可變形模型的人體運動力學研究

《採用可變形模型的人體運動力學研究》是依託南京理工大學，由潘海朗擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：採用可變形模型的人體運動力學研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：潘海朗
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

本項目擺脫了傳統的採用剛體模型測量人體慣性參數的束縛，結合了計算機視覺、計算機圖形學、運動生物力學三門學科的技術原理，從新的角度提出了彈性連線體三維模型以及採用此模型進行人體運動力學分析的理論框架。首先建立彈性連線體三維模型，使其採用較少的參數就能反映人肢體皮膚的變形。根據圖像序列採用此模型重現運動員運動，採用此模型進行人體三維運動跟蹤。再根據圖像求得對應的模型參數，包括身體各環節體積、重心等。以各環節體積、重心為自變數建立各環節重力、三維轉動慣量的回歸方程，把得到的模型參數帶入回歸方程求得各環節質量和三維轉動慣量。最後建立動力學和轉動力學方程。測定完成動作的時間、重心運動軌跡及重心速度與加速度，研究動作過程中上述各量之間的關係及變化規律。測定各項運動中人體各環節重心和重力的數值，分析人體運動狀態變化與引起這些變化的力之間的關係，有效地確定動作的技術原理，修改局部動作和設計新動作。

結題摘要

本項目擺脫了傳統的採用剛體模型測量人體慣性參數的束縛，結合了計算機視覺、計算機圖形學、運動生物力學三門學科的技術原理，從新的角度提出了彈性連線體三維模型以及採用此模型進行人體運動力學分析的理論框架。本項目展示了一種採用蛋形曲面的可變形人體模型，並根據圖像輪廓採用此模型對人體上臂、前臂、大腿、小腿進行建模及其變形參數的確定，從而近似地反映出手臂以及腿部運動過程中肌肉所發生的形變情況。展示了基於蛋形曲面模型的人體運動跟蹤，在基於蛋形曲面模型的跟蹤方面，利用基於模型的粒子濾波算法對人體手臂運動以及各肢體運動進行跟蹤，針對連結型運動的高維空間特性，結合分塊採樣策略，採用自上而下的搜尋方式完成基於蛋形曲面模型的粒子濾波算法，並利用該算法對手臂運動以及各肢體運動進行跟蹤。展示了基於蛋形曲面模型並採用判別方法和生成模型方法、協方差比例採樣方法、平面模板匹配方法的三種人體運動跟蹤方法。展示了一種基於模型的人體轉動力學分析方法，將人體有效地看成由多個環節共同構成的組合系統，根據轉動力學相關原理採用人體蛋形曲面模型對各個環節的轉動分別進行分析，從而得到人體各環節的重力、角速度、轉動慣量、轉動動能、動量矩等轉動力學參數，並近似地對整個人體轉動結合轉動定律、動量矩定理等進行分析。根據單槓運動員旋轉的視頻圖像，計算出人體各環節質心點在各個時刻的轉動半徑，並分析了各環節轉動半徑隨時間的變化趨勢；計算出人體各環節質心點在各個時刻的角速度，並分析了各環節角速度隨時間的變化趨勢；分析了人體轉動過程中轉動動能、動量矩、轉動角速度、合外力矩等參數之間的變化關係。