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生物力学与仿真技术范文1
关键词：虚拟现实技术；技术构成；应用领域
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）35-8540-02
虚拟现实是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机交互技术、人工智能、多媒体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科，由于它生成的视觉环境、音效是立体的，人机交互是和谐友好的[2]，因此虚拟现实技术将一改人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，即计算机创造的环境将人们陶醉在流连忘返的环境之中。
1 虚拟现实技术
1.1 定义
虚拟现实技术是一种模拟人在自然环境中的视觉，听觉，触觉等行为的高度逼真的人机交互技术，是利用人类感知能力和操作能力的新方法。它使计算机从一种只用键盘，鼠标进行操作的设备变成了人处于计算机生成的环境中，通过感官、语言、手势等比较“自然”的方式进行“交互，对话”的系统和环境，即虚拟现实环境[1，2]。操作者可在其中自由地运动，随意观察周围的景物并与之交互操作。虚拟现实的定义，可以简单理解为：利用计算机生成的，能给人多种感官刺激，并能通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的人机交互系统[3]。计算机生成的虚拟环境是能给人提供多种感觉的感官刺激的环境，能让人有“沉浸”的感觉，虚拟现实通常由视觉、听觉和触觉构成。虚拟现实系统又是一种高级的人机交互系统，因此人机交互是虚拟现实的核心[4]。
1.2 虚拟现实技术的特点[5]
沉浸性：也可理解为“身临其境””，让用户感到自身存在于模拟环境中的真实程度，当用户全身心投入到计算机创建的三维虚拟环境中，感觉一切都是真实的。
交互性：指从模拟环境得到反馈的自然程度，以及模拟环境内物体的可操作程度。 例如用户用手去抓虚拟环境中的物体，这时手就会有真的抓物体的感觉，并且物体会随着手的移动而移动。
构想性： 在虚拟现实技术中，人与虚拟环境的交互作用，在本质上意味着它不是预成性的，而是生成性的，它具有一定的想象空间。
由于沉浸性、交互性和构想性三个特性的英文单词的第一个字母均为I，所以这三个特性又通常被统称为3I特性[1，3]。
1.3 虚拟现实技术的分类
按照虚拟现实系统功能和实现方式的不同，可以把各种类型的虚拟现实技术划分四类：
1）桌面虚拟现实。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验，但是成本也相对较低，因而，应用比较广泛。常见桌面虚拟现实技术有：基于静态图像的虚拟现实QuickTime VR、虚拟现实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实、MUD等。
2）沉浸的虚拟现实。常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统。
3）增强现实性的虚拟现实。典型的实例是战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。
4）分布式虚拟现实。目前最典型的分布式虚拟现实系统是SIMNET，SIMNET由坦克仿真器通过网络连接而成，用于部队的联合训练。[10]。
2 虚拟现实系统的主要硬件技术
虚拟现实硬件设备为特殊输入和演示设备，以至于影响各种操作和指令，且提供反馈信息，实现真正生动的交互效果。虚拟现实硬件设备都包括三维空间跟踪定位器，多通道环幕（立体）投影系统，三维空间交互球，数据手套等等。
虚拟现实生成设备：是一台或多台高性能计算机，是带有图形加速器和多条图形输出流水线的高性能图形计算机[13]。
虚拟现实感知设备：感知设备是指将虚拟世界各类感知模型转变为人能接受的多通道刺激信号的设备。然而，相对成熟的感知信息和生产和检测技术仅有视觉、听觉和力觉三种通道。
虚拟现实跟踪设备：跟踪设备用于跟踪并检测位置和方位，实现虚拟现实系统中人机交互操作。
基于自然方式的人机交互设备：应用手势、体势、眼神以及自然语言的人机交互设备，常见的有数据手套、数据衣服、眼球跟踪器及语音综合识别装置[8]。
3 虚拟现实的应用领域[9]
3.1 旅游景观中的应用
通过3D互动技术还原现实中的旅游景区，而从在网上构建一个3D虚拟景区。游客可以通过建立个性化的3D虚拟化身，在3D的景区环境中直接试玩旅游景点，身临其境的查看拟真的景点信息，足不出户的体验千姿百态的风景胜迹以及景点背后的传奇故事[4]。
3.2 医学中的应用
在医学领域，虚拟现实技术和现代医学的飞速发展以及两者之间的融合使得虚拟现实技术已开始对生物医学领域产生重大影响.在此领域，虚拟现实应用大致上有两类：一类是虚拟人体，也就是数字化人体，这样的人体模型，使医生更容易了解人体的构造和功能.另一类是虚拟手术系统，可用于指导手术的进行。
3.3 艺术教育中的应用[9]
作为显示传输信息的媒体，虚拟现实在未来艺术领域所具有的潜在应用能力也是不可低估的。VR所具有的临场参与感与交互能力可以将静态的艺术（如油画、雕刻等）转化为动态的，可以使观赏者更好地欣赏作者的思想艺术。另外，VR提高了艺术表现能力，通过动作捕捉系统采集演员的舞蹈动作和表情，在电脑辅助编排下可以预演演出效果，提高编排效率。
对艺术的潜在应用价值同样适用于教育行业，如在解释一些复杂的系统抽象的概念如量子物理等方面，VR是非常有力的工具，如“虚拟的物理实验室”，用于解释某些物理概念，如位置与速度，力量与位移等[9]。
3.4 生物力学方面的应用
生物力学仿真就是应用力学原理和方法并结合虚拟现实技术，实现对生物体中的力学原理进行虚拟分析与仿真研究。利用虚拟仿真技术研究和表现生物力学，不但可以提高运动物体的真实感，满足运动生物力学专家的计算要求，还可以大大节约研发成本，降低数据分析难度，提高研发效率。这一技术现已广泛应用于外科医学、运动医学、康复医学、人体工学、创伤与防护学等领域。
3.5 工业仿真中的应用[9]
当今世界工业的发展非常迅速，已经发生了翻天覆地的变化，现阶段的工业发展不再是大规模的人海战术，需要的是先进的科学技术，特别是虚拟现实技术的应用正对工业发展进行着一场前所未有的革命。虚拟现实技术目前已经被世界上一些大型企业广泛地应用到工业的各个环节，对提高企业开发效率，加强数据采集、分析、处理能力，减少决策失误，降低风险起到了重要的作用[5，6]。
3.6 扩增实境中的应用
扩增实境是虚拟现实最具实用价值的应用之一。它在真实环境的基础上把虚拟环境叠加进去，使二者有机结合，产生虚实难辩、亦幻亦真的感觉。例如：当人进入到一商店购某物时，即可在显示设备上显示此物的价格、性能及各种参数等。
4 结论
虚拟现实（VR）技术是20世纪90年代以来兴起的一种新型信息技术，它集多媒体、网络技术、传感技术等多种先进技术为一体，是当今前景最好的计算机技术之一。21世纪的计算机是VR计算机，VR是放大智慧的新工具，是亿万美元的产业。随着计算机技术的发展，虚拟现实技术将被广泛应用于城市规划、医学领域、娱乐与艺术文化、卫星与航天工业、室内设计领域、地产开发领域、农村开发管理、虚拟工业仿真领域、应急处理预演、文物古迹还原、产品展示机展览展示、教育学、地址文化研究等各个领域。
参考文献：
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[4] 王娜娜，王钰.交互式虚拟产品展示设计平台的研究[J].青岛大学学报，2006，19（2）： 69-73.
[5] 李有堂，赵玉侠，韦尧兵.虚拟现实技术及其在机械工程中的应用[J].计算机技术应用，2001，28（5）：31-33.
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[9] 百度百科.虚拟现实技术[EB/OL].
[12] 余汝艺.虚拟旅游及其发展研究[D].郑州：河南大学，2008.
[13] 刘晶.基于网络的虚拟装配技术的研究[D].大连：大连理工大学，2005.
生物力学与仿真技术范文2
王云升
（西安思源学院体育部, 陕西西安,710038）
摘要：科学技术日益成熟，促进了计算机技术的飞速发展，并逐渐应用于社会生活的各行各业。目前，计算机技术开始逐步应
用于网球等运动的训练中，不仅有利于更加系统的训练，而且能够有效的提高运动员的水平。本文根据网球运动训练的自身情
况以及计算机技术可能为网球运动训练带来的前景，重点对计算机技术在网球运动训练中的应用方向及方式就能行了探讨，
并详细阐明了相关技术的具体设计和应用。
关键词：网球运动; 计算机; 运动训练; 运动员
The application of the computer in the tennis training
Wang Yunsheng
(Xi'an Siyuan University Sports Department of Shaanxi Xi'an,710038)
Abstract ：Science and technology increasingly mature,promoted the rapid development of computer
technology,and gradually applied in social life.At present,the computer technology has been gradually
applied in tennis and other sports training,not only conducive to more systematic training,and can
effectively improve the level of athletes.According to the training of tennis sports itself as well as
the computer technology may bring training for the tennis movement prospect,focuses on the application of
computer technology in tennis training and way of the study,and describes the related technology of the
specific design and application.
Keywords ：computer training athletes tennis movement
0 引言
计算机技术在网球运动训练中最为普遍的一项应用即为利
用视频图像记录运动员在训练过程中的实际情况，然后将视频
录像在计算机中进行二维或三维的分析。视频图像是指利用某些
工具通过各种方式和手段观察记录周边环境而得到反映实际情
况的静态的图片以及动态视频，人眼可通过这种方式直接或者间
接的产生视觉上的实体。通过计算机对视频图像的二维和三维分
析和评价，不仅可以得到运动员在运动训练中相关技术表现的具
体、准确的图像信息和数据，而且能够很直观准确的监控训练中
运动员的动作、技术，并准确的对其技术动作的训练水平作出评
价，与此同时，通过视频图像的对比，可以激发运动员不断提高自
己的技术水平，激发学习兴趣，促进运动员进步。除此之外，由于
对于视频和图片的采集本身不会影响到运动员的训练及比赛，而
且能够直观的获取到运动员在训练中的实际训练状况，提高了体
育运动训练以及比赛实际情况的准确性。在网球运动中，发球技
术是训练以及比赛取胜的关键之一，一般情况下，平击发球的快、
准、狠是比赛中得分的关键，但是由于平击发球很难应用准确所
以在比赛中使用时得分把握不高，这也是训练中的一直以来被关
注的问题，然而运用计算机技术可以仿真平击发球，可通过计算
机分析击球点、发球速度、发球角度与网球运动轨迹之间的关系，
从而可以找出提高水平击球准确率的方法，使教练员可以掌握水
平击球的关键，以便更好的指导、训练运动员，提高运动员的网球
技术水平。
当下，利用计算机技术分析、处理运动员在训练过程中的视
频图像已经在体育运动中广泛应用，并已成为体育界的研究热
点。目前，国内外的计算机技术在体育运动训练及比赛方面都已
经有了一定的研究成果，例如，我国的中科院研究出的DVCoach
软件就可以在运动训练中利用计算机技术分析视频，但是由于这
种软件的价格较高，再加上有一定的针对性，一般不能被普遍应
用。国外的计算机技术在网球运动训练领域的应用相对国内较成
熟，例如Sports motion 和Smart system 等视频分析技术，已
经普遍应用于网球运动员的训练中。近年来，网球运动逐步发展
壮大起来，国家也越来越重视网球运动员的培养，而对于网球运
动员的训练，计算机技术是一项值得开发的项目，而且也可以应
用到其他体育运动领域中，促进我国体育事业的发展，因此计算
机技术在网球运动以及其他体育运动的训练中都有着巨大的应
用前景。
1 计算机技术在体育运动中的应用方式
计算机技术在体育运动中的应用广泛，而且应用方式也有很
多，以下简单介绍主要的几种。
1.1 计算机仿真技术
计算机技术应用于体育领域中的仿真技术主要是用于研究
体育运动中的综合问题的解决方式，模型的规范描述以及处理、
操作和控制仿真实验、检索和储存模型及相关数据、分析及演示
仿真结果等共同构成了计算机仿真技术的技术内容。计算机仿真
技术有自己的仿真软件，包括仿真语言和环境，以及仿真程序包
三部分。更加深入、经济、准确的诊断出体育运动训练以及比赛中
的动力学问题是计算机仿真技术最重要的优点，通过在计算机上
进行多次仿真模拟，可以准确的获取相关参数，有利于提高技术
指标指定的准确性，是训练更加高效。
1.2 信息化管理系统
此系统包括两个系统即体育管理信息系统和办公自动化系
统，前者的主要作用是可以通过计算机技术将有关体育的信息，
如体育科技报告、文献、相关资料等进行条理性的存储和加工处
理，还可以通过计算机网络技术及时获取互联网以及局域网上的
最新体育资讯，或者相关体育技术资料等；后者的主要负责
的是办公中相关文件的编辑、打印等文档处理工作。
1.3 视频图像的处理系统
体育视频图像的处理系统主要是采集、编辑以及播放、处理
体育运动训练中的实际情况。近年来，计算机技术发展加快，网络
技术日益发达，食品及图像的压缩及传送技术不断提高，使信息
可以共享，视频图像处理系统的主要的研究方向通过计算机技术
科学的处理和分析体育训练中的实际训练情况以及比赛中对手
的情况，以提高运动员自身的技术水平。
1.4 体育决策支持系统
此项系统主要应用于体育的运动员训练、器材选择以及管理
方面，为体育领域的相关研究提供科学的技术数据，大量的资料，
相关的计算和判断方法以及完善的数据信息，保证相关政策的准
确性、及时性和科学性。
1.5 专家系统
即以专业知识为技术基础的系统，利用计算机技术将训练
规则和专家经验结合起来，系统的分析运动员的综合技术水平，
并对有机的将技术指标和运动员的自身情况相结合，从而产生一
个针对于个体运动员的训练计划，通过这种方式智能产生的训练
计划更加有利于每个运动员技术水平的完善和提高。专家系统是
人工智能在体育运动训练中的最具代表性的应用，具备了专业知
识，专家水平以及模拟专家思维的能力，可以完成运动员的辅助
训练、技术评价以及选材等工作，是专业知识和系统推理的结合
产物。
2 计算机技术在网球运动训练中的应用
网球运动训练是一个比较复杂而又极具系统性的过程，在训
练过程中要同时参考医学、生理学、生物力学以及运动学等方面
的知识，还要进行选材、技术水平评定、营养卫生等工作。在网球
运动的训练过程中技能、心理素质、体质、战术运用等都会影响在
训练过程中运动员成绩的获取。而计算机技术的应用不仅可以辅
助运动员对相关技能进行调整，而且有利于训练中各方面信息的
采集、处理以及存储。
2.1 计算机视频图像技术在网球运动的训练中的辅
助作用
在网球运动训练中，运动员的运动测量以及运动分析是运
动训练中计算机辅助作用主要解决的两大问题线路。网球运动训
练，主要是先准确测量相关的数据，然后进行分析。在之前的分析
中一般采取的是人言观测的方法，即教练员根据自己肉眼所观察
到的，再结合自己的经验来判定运动员动作的规范性，很难进行
量化。而应用计算机视频图像技术进行测量和分析的现场反馈模
式，可以通过计算机技术进行视频的采集和编辑，将训练过程中
运动员的每一个动作以及场景都详细的记录在视频中，这样不仅
避免了肉眼观察可能出现的误差，也解决了人脑难以准确记录每
个动作的具体细节的问题，同时，网球运动员自己可以根据视频
记录发现自己的问题，知道自己的错误在哪，便于教练员与运动
员之间的沟通。此外，在网球运动训练中作为一项比较实用的技
术，全景图技术的采用，更加方便了对于网球运动员训练状况的
分析，同时结合二维和三维技术，以及人体运动轮廓提取技术，用
计算机自动生成全景图，是整个分析过程更加明朗和准确。
2.2 计算机视频图像技术在网球战术训练中的应用
通过计算机技术对网球战术的信息采集和智能分析不仅能
够加快网球战术数据采集和过程分析的速度，而且有利于提升信
息反馈的及时性和准确性，有助于教练员指导运动员进行更为科
学的针对性训练。网球运动不仅对运动员自身的技术水平、身体
素质等有较高的要求，作为一项竞技性球类运动，战术的应用在
比赛中有着决定性作用，因此其对战术的要求也非常高。以前传
统模式下的网球战术信息的统计和分析都是依据教练员、科研人
员以及网球运动员通过肉眼观测到的情况，并有相关训练人员进
行统计，因为观察指标、网球运动员各自的击球情况等的不同，对
网球战术信息的收集和分析都有较大的影响，很难准确的反映出
训练过程中两名运动员的系统战术信息，因此传统模式下的战术
信息统计和分析的结果无法达到教练员以及运动员所需要的状
态。此外，利用视频图像技术能够反馈给网球教练员和运动员大
量的训练过程中的战术应用信息，有助于教练员进一步分析和解
读各项战术指标数据，因此可以使教练员和运动员制定出更加正
确的战略和战术。在网球竞技训练中，采用视屏图像技术还可以
采集到比赛训练过程中网球运动员战术的底层数据，结合视频位
置，以增加战术统计指标以及信息的系统性。所以说，计算机视频
图像技术在网球训练的竞技模式中的应用有助于教练员和运动
员具体和准确的统计和分析比赛双方的战略、战术特点，以便于
在以后真正的比赛中能够灵活的应用战术，同样也有利于网球运
动训练的科学性和针对性的提高。
2.3 计算机技术在网球运动员技术水平比较上的应
用
计算机视屏图像技术可以准确而又详尽的记录每个运动员
在训练过程中的情况，结合视频合成技术，可以讲任意两个或者
几个运动员的训练情况进行分析比较。所以，在网球运动训练过
程中，教练员可以把目标运动员和技术水平较高的运动员进行技
术上的比较，从而更为直观的找出二者的差距，指明目标运动员
提高和改进的方向。
3 总结
由以上对于计算机技术在体育领域以及网球运动训练过程
中应用的探讨，不难看出计算机视频图像技术一项关键性的技
术，它可以在在网球运动训练中自动的完成相关视频的采集、以
及信息的分析和反馈工作，具有海量的技术视频存储，而且能够
进行动作视频的合成比较，不仅有利于教练员对于运动员的各项
运动指标的客观分析，而且使运动员的训练更具针对性和科学
性，是一项可以满足网球运动训练要求的技术。总而言之，计算机
技术在网球运动训练中的应用既有利于运动训练中相关信息的
准确提取和科学分析，又为运动员动作视频的合成比较提高了技
术基础，其在网球运动乃至其他体育运动领域中都具有广阔的前
景。
参考文献
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生物力学与仿真技术范文3
工业工程（IndustrialEngineering，简称IE）是20世纪产生的一门学科。工业工程学科产生于美国，但是在许多发达国家得到了广泛的传播和应用，并在这些国家的工业现代化过程中发挥了重要作用。近年来一些学者为工业工程下了一些新定义，用以反映现代工业工程的内容和职能。其中我国学者对工业工程的认识为：工业工程是以系统科学和运筹学为理论基础，从技术角度对各种系统（主要是生产系统）进行分析、规划、设计、优化、评价和实践，以达到不断提高生产率和整体效益的目的。下面就对工业工程涉及的管理、规划与设计进行浅析。
1.项目管理
在一个项目中，个人和组织之间的协调是一项非常复杂的任务。为了确保成功，要求来自不同组织的工作人员在不同时间和不同地理位置上有一个整体的沟通。在项目管理中，主要可以分为几大部分：综合管理、范围管理、时间管理、成本管理、质量管理、人力资源管理、沟通管理、风险管理和采购管理。随着项目过程和项目生命周期的集成出现的项目管理方法学中，首先确定在项目生命周期的各个阶段施行过程的哪一个部分；其次指派专门人员完成各个过程或是一个过程的一部分，这些人员都要进行特定工具或特定技术的培训；最后将各个过程所需的信息输入或传出给负责项目的人员，以保证项目参与者良好协调的信息流和很好的沟通。一系列设计严密的过程由适宜的信息系统支持且由训练有素的团队执行，那么该组织定会有很大的竞争力。成功的项目管理要求成功的进行项目范围和成果范围的计划、执行、控制。而建立团队和组织学习在项目环境中占有举足轻重的地位，建立一个清晰的流程，并知道如何在过程中正确的走每一步，这样在项目管理中才可以取得卓越的绩效。
2.产品规划
2.1规划与产品整合开发当前市场的特性是：越来越激烈的国际竞争、迅速增长的商品复杂度和极度变革的技术创新。在创新周期逐渐缩短的同时，产品的生命周期和投资回收期也在不断缩短。这样，时间就成为目前最富挑战的因素。企业如何快速成功的占据市场便成为了重中之重，这就要求加速创新产品的开发，而产品原型的生产则成为了快速开发产品的关键。
2.1.1快速开发产品的特征特征有完整的生命周期、正确的组织形式、流程的实施、人力和技术资源的协调以及产品开发流程的结果。这些独立模块在有一个大致边界后可自由发展至成熟，但这些带来的资源的重新配置、整个项目过程的同步等问题需我们进一步研究。
2.1.2快速产品开发的基本方法(1)过程计划，计划是规划各种过程的第一步，在涉及一个复杂的研发项目时，过程的计划是必须的。目前已经开发出的面向小组的项目计划系统（TOPP）的协调是通过单一通道下的计划来实现的，它实现了面向阶段和面向结果的集成，并且可支持计划制定者来协调快速产品开发和研发中的全局性工程项目。(2)物理原型(3)数字原型总体而言，建立整个系统的物理或者虚拟原型极其重要，尤其在产品开发的初始阶段。掌握了快速开发产品的特征和快速产品开发的基本方法之后，还要考虑研发队伍成员之间的通信与协作问题。在研发创新性产品这个动态的过程中，小组成员之间的交流会为实现高效率和高效益的项目合作起到重要作用。
3.以人为中心的产品规划与设计
3.1以人为中心的3个基本目的目的是：设计应该促进人的能力提高、应该帮助克服人的局限性、培养人的接受能力。这些目的应该在整个设计过程别是初始设计阶段成为设计人员的驱动性思维。运用以人为中心的框架会保证产品或系统的生存性、认可性和有效性等方面的成功。
3.2面向制造的设计面向制造的设计的目标在于在早期的产品设计阶段就考虑可生产性的问题，以便在较短的交付时间内以较低的价格吸引顾客并满足顾客需要。面向制造的设计将被运用于工业环境中，所以我们要关注提高工程师个体在设计与制造方面的专业知识水平以及促进设计与制造小组之间较好较早地交流沟通。
4.工业工程未来的发展趋势20世纪90年代以来，特别是进入新世纪之后，工业生产的全球化日益加深，市场竞争愈演愈烈，新技术不断涌现，工业技术水平日益提高社会需求不断变化，工业生产规模不断扩大。这些都客观上要求工业工程不断吸收新技术，以适应全球化的工业生产。工业工程的发展趋势体现出新形势下发展要求。
(1)多学科融合加快。现代生产日趋复杂，新产品新技术不断涌现，这些促进了工业工程学科大量的引进系统的科学思想及系统的工程理论和方法，广泛吸收各种现代科学理论和方法，如计算机技术、微电子技术、机电一体化技术、计算机集成制造系统、管理信息系统、决策支持技术、人工智能技术、计算机专家系统以及生物力学、心理学、运筹学等，使工业工程这门综合性学科不断充实完善，日趋现代化。
(2)应用领域日益扩大。工业工程的研究应用领域遍及生产工程、物料搬运与存储管理、工厂与车间管理、成本分析与控制、价值工程、可靠性工程、投资分析、财务分析与管理等各个生产领域。近年来，工业工程技术的应用扩大到如流通、商贸、服务业、非盈利性组织等非生产制造领域。
(3)研究手段日趋复杂。随着计算机技术以及其他科学领域的发展，新的工业工程研究手段不断出现，其研究方法也日趋复杂。如传统的数字仿真只能得到用数字表示的仿真结果，以及相应的二维图像，其应用深度受到很大的限制，而最新的仿真技术可以将仿真与虚幻现实技术结合，将设计者置于虚拟现实的环境中，使其能“身临其境”地发现潜在问题，从而降低制造成本、缩短实施时间、避免反复的设计。模糊数学、遗传算法和神经网络等，也不断引入到方法研究中。
(4)强调以人为本。现代工业工程对生产要素优化组合新规律的探索不断深化，其中心问题是对人和其他生产要素之间的关系的研究。在生产系统中，人始终是重要角色，提高生产率的问题归根到底是以人为中心来展开研究。人、机器和设施的最佳组合，人在变速、高速系统中的适应性，环境对人的影响等这些人类工程学的课题也是工业工程的重要研究领域。
生物力学与仿真技术范文4
关键词：体育计算；体育比赛分析；运动图像处理
中图分类号：G804.49文献标识码：B文章编号：1007-3612(2007)12-1673-04
随着体育运动的影响不断扩大，利用计算机等高科技手段辅助提高运动员的训练和比赛水平已经成为共识。
所谓的“体育计算”［1］，就是以体育竞赛和管理为应用对象、研究如何根据应用对象的特点挖掘计算机新技术，以及利用这些先进计算机技术解决应用中遇到的各种技术问题，从而使运动竞技水平和管理水平有明显地提高。因此，“体育计算”不是简单的计算机技术在体育竞技和管理中的应用，作为一个新的研究领域，它还需要对计算机技术本身进行深入的研究，找到适合体育竞技和管理领域的、具有特色的计算机技术和方法。“体育计算”又是一个交叉学科。结合仿真科学、生物力学、管理科学等学科的理论和方法，研究如何用计算机技术解决体育科学中出现的新问题，是本学科的主要内容。因此，“体育计算”的主要研究内容包括：体育比赛计算机辅助分析、计算机运动仿真，计算机体育管理等。所涉及的计算机技术领域包括：数据库技术、计算机仿真技术、多媒体技术、计算机图形图像处理技术等。
1“体育计算”的研究现状与关键技术
以下分两部分综述“体育比赛技战术分析”和“运动图像处理”的研究现状，以及解决问题所需要的关键技术。
1.1体育比赛技战术分析
1.1.1球类比赛计算机分析排球比赛技战术分析方面代表性的研究成果是意大利Data Project公司开发的Data Volleyball系统［2］。该软件可以支持排球比赛临场技战术的采集、统计和评价等排球比赛的技战术分析工作，为排球教练科学指导比赛提供依据。从技术角度，Data Volleyball在排球技战术数据的采集和比赛视频检索的计算机处理方面有新的贡献。在技战术数据采集时，Data Volleyball采用助记符方法对排球比赛中的基本技术动作进行编码，然后把编码组合成每一个比分的技战术数据。技战术数据虽然采用键盘输入，但由于编码设计巧妙，使得采集数据的信息量完全可以支持对球队技战术的分析与评价工作。在视频检索的计算机处理方面，该软件采用视频与编码绑定的方法，从而能够实现对视频的实时检索。虽然该方法强烈地依赖技战术采集数据，并没有实现视频检索的自动化，但从实用角度上部分地解决了基于内容的视频检索问题。
美国CyberSports公司开发的Basketball［3］软件是篮球技战术分析系统的典型代表。与排球比赛的技战术采集与分析方法有所不同，该软件并没有对比赛中的每一个技战术动作进行编码，也没有采用视频绑定技术对视频文件的进行检索，而是把数据采集的重点放在各种篮球专项技术的采集上，从而分析一场比赛的技战术执行情况。篮球专项技术包括“突破”、“中投”、“远投”、“犯规”等直观技术数据，还包括如“投篮点”这样的具有一定内涵的技术数据。上述数据的采集内容为篮球比赛的技战术分析提供了依据。不仅如此，该软件中采用的技战术采集的方法，也给身体接触类体育比赛临场数据采集的计算机处理提供了可以借鉴的方法和技术。就“投篮点”的采集而言，需要计算机提供投篮点的定位与绘制，如何实现计算机的自动处理是一个具有挑战性的问题。目前该软件还只能做到半自动化处理。
上述两个研究方向基本上能够代表球类比赛计算机分析的研究特点，一个是非接触式比赛（排球），另一个是接触式比赛（篮球）。不难看出，技战术的编码与基于视频的技术分析是球类比赛计算机分析的关键技术，而技战术编码又是视频描述的一种表现形式，描述与视频分析在计算机技术方面紧密相关。
就比赛视频描述而言，其关键性主要体现在：
1) 比赛视频描述的内容是技战术分析的基础。在球类比赛的技战术分析中，需要对比赛中的各种技术动作和战术的执行情况进行统计，各种统计方法都需要大量的样本数据。所以分析结果是否准确直接取决于样本数据的信息含量。
2) 视频描述是基于内容视频检索和编辑的关键。技战术分析的常用方法之一是，教练员通过回放比赛的视频来观察运动员的技术动作和技战术的执行情况。而目前只能通过VCR（Vedueo Caste Record简称VCR）控制技术来实现简单的视频检索功能，如快进、快退等。其主要的技术难点是视频文件中没有包含视频的内容信息，从而无法实现基于内容的视频检索和编辑。如果增加足够的内容信息，检索和编辑就不是十分困难的事情。基于内容的视频检索是图像处理领域的前端研究课题，运动图像专家组（Moving Picture Experts Group）提出的MPEG-7［4］标准为该领域研究提供了相关的技术参考。
技战术分析的技术关键性可以从以下几个方面观察。
1) 基于视频的技战术分析可以提高比赛分析的质量。传统的技战术分析方法是利用简单的统计模型分析技战术的执行情况。由于样本数据的缺乏，使得分析的效果不够细致。基于视频的技战术分析结合视频描述技术，使得该分析方法不但可以完成常规的统计任务，而且更重要的一个手段是把统计与视频图像相结合，使得分析工作更加直观。
2) 基于视频的技战术分析可以解决增加分析效果的作用。结合视频描述技术，视频分析可以实现比赛场景的快速定位，从而实现比赛视频的检索。与传统的非线性编辑技术不同，基于描述的视频分析是在不改变视频文件的前提下，对视频图像片段进行连接和定位，所以分析效率将有明显地提高。
3) 基于视频的技战术分析可以实现比赛场景的重组和仿真回放。结合视频描述技术，可以实现对视频文件中不同场景片断重新组合，模拟真实的比赛画面，实现仿真回放。仿真回放技术可以有效地支持对比赛技战术执行情况的评价工作。通过仿真回放可以调整某一个技战术环节的技术动作或技战术意图，从而指导以后的比赛。
1.1.2技巧类项目计算机分析这里的技巧类项目主要指：体操、跳水（游泳）、蹦床和技巧等项目。下面首先分析关键技术，然后综述研究状况。
上述研究的核心问题是如何获取人体运动的形体信息和基于形体信息的运动分析问题。其中，人体三维运动信息的获取和人体运动的计算机分析是关键技术。人体三维运动信息的获取是人体三维运动分析的基础。
人体三维信息获取有多种方法，常见的方法是在被测对象上加标记，如在球体上涂上特殊的标记，在人体上加反光标注点等。由于这种方法需要在被测对象上增加标记，所以该方法基本上不适合实际比赛中的信息获取。因此，人体三维信息的获取的关键是，如何在不增加标记的情况下获取信息，这给该项工作增加了相当大的难度。在三维人体信息获取中，主要包括人体轮廓提取和人体三维运动参数的获取两方面的技术。
人体轮廓(Human Body Silhouette)的提取是指从图像序列中检测出人体所在的区域，并通过二值化将其从背景中分离出来［5］。人体轮廓提取的基本方法分为基于运动检测法和基于人体形状分析法两种。第一种方法假设场景中只有人在运动，因此检测出的运动区域即为人体所在区域；后一种方法充分利用了人体形状的先验知识，使用模式识别及概率推理的手段从图像中检测人体区域。
基于运动检测法又可以分为以下三种方法［5］：
1） 背景减除法(Background Subtraction) ，利用当前图像与背景图像的差分来检测出运动区域。
2） 时间差分法(Temporal Difference)，在连续的图像序列中两个或三个相邻帧间采用基于像素的时间差分，得到帧差图像，并且对其进行后处理来提取出图像中的运动区域。
3） 光流法(Optical Flow)，采用了运动目标随时间变化的光流特性。
而基于人体形状分析法又可以分成以下两种方法：
1） 模板匹配法(Template Matching) ，将不同姿态的人体形状作为模板，与输入图像特征进行匹配，可以找出与人相似的形状模式。
2） 概率推理法(Probabilistic Reasoning)。利用了人体形状的几何和拓扑约束关系，从图像中寻找满足人体约束的区域或区域集合(regionassembly)。
人体三维运动参数的获取，是指从视频中获取人体的关节点三维坐标或者关节角度等人体姿态信息［4］。基于关节点的人体运动跟踪是人体三维运动参数获取的基础。由于视频的图像噪声的影响以及视频中人体运动的复杂性，使得人体关节点的跟踪异常困难。目前尚没有一个理想的人体关节点跟踪方法。因此，人们常常在人身上使用标注点，但对于复杂的人体运动，仍然需要采用手动标定关节点的方法。
运动项目不同，人体三维运动分析的要求和目标也不同，但采用的分析方法会有一定的共同点。常用的分析方法是视频对象叠加法，该方法是把两组（或多组）被分析的视频对象叠加到一个视频画面中，然后分析其对象形态的差异，从而给出分析结论。如在跳水项目中，可以利用视频叠加的方法，分析运动员的某一个动作与标准动作的偏差。
目前该方向的理论和应用研究已经取得了一些新的进展。中国科学院计算所数字化研究室对三维人体信息的非接触式提取方法进行深入地研究，并把研究成果应用到奥运攻关课题的研究中，取得了令人满意的效果。其主要贡献有两个方面［4］：
1）基于图像与视频的人体运动参数获取技术。主要研究在视频图像中自动提取人体，并对其运动进行分析、描述和行为理解，获取各种人体运动参数。具体研究内容有：
(1) 快速精确的人体轮廓提取。快速精确的人体轮廓提取是个相当重要但又是比较困难的问题。这是由于动态环境中捕捉的图像受到多方面的影响，比如天气的变化、光照条件的变化、背景的混乱干扰、运动目标的影子、物体与环境之间或者物体与物体之间的遮挡、甚至摄像机的运动等，这些都给准确有效的人体轮廓提取带来了困难。我们综合应用全局运动估计技术、肤色检测技术、区域增长和分割技术，目前已经基本解决了这一难题。在人体轮廓提取基础上，我们进一步研究实现了动作全景图合成和不同动作叠加播放。动作全景图对于运动员和教练员分析与把握动作整体完成情况有很大帮助；而不同动作叠加播放是将不同的动作叠加到同一背景下播放，有助于运动员和教练员分析动作的细微差别。
(2) 动作视频的自动同步技术。可以采用基于运动轮廓子序列匹配方法解决这一问题：首先提取出人体轮廓，形成轮廓序列；然后，对于由两个轮廓序列的连续5帧组成的轮廓子序列集，两两计算相似度，取相似度最大的两个子序列所对应的起始帧作为同步点。
2） 人体关节点运动参数的获取。人体关节点运动参数的获取有助于对动作完成情况进行精确分析。以前实现方法完全靠手工画点实现，工作量非常大，容易出现误差。目前实现了半自动的参数提取方法：手工初始化，计算机自动运动参数提取过程中给予必要的干预。其中自动运动参数提取采用基于人体模型的跟踪方法：使用2D的链杆模型描述人体结构，用匀加速运动模型进行系统状态的预测，综合边缘和灰度信息计算相似度，使用局部优化和全局搜索相结合的多假设跟踪方法。
3） 兴趣事件自动检测技术。以跳水运动为例，基于模式识别的基本原理和技术，给出了跳水视频自动事件检测技术。应用该技术可以在长时间的跳水视频中自动检测出跳水动作片断。
4） 对于任意视频的摄像机定标。摄像机定标是计算机视觉领域中从二维图像提取出三维信息的必不可少的步骤。广义上摄像机定标方法分为两种：传统的标定方法和自定标方法。前者需要使用精密加工的标定参照物。它具有精度高的优点，但操作繁琐。20 世纪90 年代初，Faugeras和Luong 等提出自定标的概念，使得在摄像机任意运动情况下的定标成为可能。但该方法受场景的影响较大，而且精度难以保证。在基于视频的人体运动信息获取中，人们为了保证精度，一般都采用了基于标定参照物的方法。这极大的限制了视频的来源和采集。所以，现有方法都只能对特定采集的视频进行处理，不能处理任意给定的视频。这极大地限制了基于视频人体运动捕获的应用领域。如果对摄像机投影模型进行简化，例如采用仿射投影模型，则可以大大减少摄像机定标的难度，但简化的投影模型不能保证获取结果物理意义上的真实性。
2“体育计算"研究进展和发展趋势
2.1球类比赛临场技战术采集与分析技术第2.1.1节中曾简单介绍过球类比赛计算机分析技术的研究现状，并提出该方向需要深入解决的问题，本节以乒乓球技战术计算机分析为例，介绍作者在2005年一些研究工作。
2.1.1乒乓球比赛技战术描述与采集描述与采集是紧密相连的两个技术问题，以乒乓球比赛为例，该项研究需要解决的实际问题有：
1) 技战术数据采集方式问题。乒乓球比赛中每一个比分的形成要在几分钟，甚至几秒钟内形成，要想手工记录双方运动员的每一个技术细节，其难度主要表现在：
(1） 记录员的记录速度很难跟踪比赛的节奏。经对各种技术类型运动员进行统计，如果只统计发球、接发球和得分三个动作的情况下，一分球中运动员可能采用的动作组合数会达到27万种之多。记录员在如此多选择中，在几秒钟内确定所要记录的动作谈何容易。
(2） 记录员完成比赛的全部记录工作十分疲劳。记录员在进行现场记录时需要不断在比赛现场和记录本（或电脑）之间切换眼球，长此以往记录员很难保持记录的速度和记录的准确性。
2) 技战术数据描述问题。技战术描述是基础，技战术分析直接依赖采集数据“粒度”和数据的表现形式。
（1） 技战术数据的“粒度”是指技战术的细致程度，如果“粒度”过大，统计结果的意义不大；如果统计过细，又会增加了数据采集的难度。所以技战术数据“粒度”十分不好确定。
（2） 技战术数据描述形式是数据分析的基础，自然语言的演绎功能差，不利于计算和量化分析；而符号语言容易进行量化处理，但不容易掌握，给数据采集带来困难。
针对以上提出的问题，本文作者提出了一种适合乒乓球技战术描述和采集的脚本描述语言，该语言首先把乒乓球比赛中运动员的技术动作分解成击球方式、击球基本动作、击球效果、击球路线四个方面，并对其进行编码，这些编码构成乒乓球技战术描述语言的基本词汇。如“正手发下旋1区到6区”的动作编码为“ZX16”。同样也可以对常见技战术进行分类和编码，这些技战术编码构成了脚本描述语言的基本句型，如“发反短攻得分”的编码为F6G1。在技战术编码中，采用了信息压缩的方法，从而有效地削减了编码的长度，使得技战术采集更加快速。
在实际比赛中，可以分别利用脚本描述语言的单词与句型编码进行技战术信息的采集。下面以后者为例，介绍技战术采集的过程。
基于技战术编码的数据采集技术是指，利用技战术编码规则，对比赛中双方运动实际运用的技战术，选择一方所运用的技战术加以描述并输入到计算机中。以上一节给出的案例为例，具体输入码如下：
从图2中可以看出，基于技战术的采集技术比较简单，适合比赛临场技战术的采集工作。
2.1.2乒乓球比赛技战术分析乒乓球技战术描述与采集的最终目的是数据分析，从而发现比赛中潜在的规律，指导运动员的训练和比赛。数据挖掘技术是一种有效地数据分析技术，它利用计算机收集、存储数据，并通过数据库（数据仓库）对数据进行分类，在此基础上利用各种数据挖掘算法发现潜在的规律。数据挖掘技术在银行、保险等领域有广泛地应用，但在体育比赛的分析中，尤其是在乒乓球比赛的技战术分析中还很少采用。下面介绍本文作者2005年在该方面的一些工作。
在乒乓球比赛中，技战术的制定与对手采用的战术有关，即战术中一个技术动作的执行仅与对方采用的技战术动作有关，从而表现出马尔科夫过程的特性。
我们对基于马尔科夫过程的数据挖掘方法进行了研究和讨论，其主要贡献如下：1） 从理论上证明了基于马尔科夫过程的系统关键因素挖掘方法的正确性，给出了系统可靠性灵敏度分析中转移概率增量的设定方法，为进一步挖掘关键因素奠定了基础。2） 提出了基于马尔科夫过程的数据挖掘算法，并对算法的执行时间和空间进行了分析。3） 结合乒乓球比赛中制胜因素分析问题，给出了挖掘算法的应用。经过分析得出“高水平乒乓球比赛中，控制到相持、发球到接发球和控制到进攻”是比赛制胜关键的结论，这一结论与实际情况吻合。
提出的数据挖掘方法不但可以用于乒乓球比赛的技战术分析，还可以用于其他球类比赛的技战术分析，比如排球、羽毛球、网球等等，只要系统行为满足马尔科夫过程条件既可。体育比赛技战术分析中应用数据挖掘技术还是一种新的尝试，我们已经开发出乒乓球比赛临场技战术分析系统。
2.2运动对象检测前面的2.2节中已经介绍了运动对象检测的关键技术和研究现状，从技术角度，其检测技术和手段进展不是十分明显，但从应用角度，其成果分布逐渐扩大，应用效果也越来越明显。下面简单介绍一下乒乓球运行速度、旋转和与球板碰撞检测等方面的研究成果。
速度、旋转是乒乓球两个最基本的运动状态，亦是乒乓球运动的重要制胜因素，1984年5月，国家体科所与电子工业部12所共同研制成功的“pd-l型乒乓球动态测转仪”具有划时代的意义［6］。但因受到检测仪器性能特点的限制，测试对象必须到放置该仪器的房间内进行测试，所以无法检测运动员在实际比赛中击球的旋转和速度。目前国内外乒乓球器材厂家对所生产的器材检测方法和技术不尽相同，没有形成标准，国际乒联也没有颁布相应的技术标准和解决方案［7］。所以，乒乓球行为检测研究具有现实意义。
由于普通的25帧视频图像无法记录实战中乒乓球飞行速度、旋转的全过程，所以该项研究的主要内容和关键技术为：
1) 基于高速摄像的采集技术研究。要提高采集精度，高速摄像是首选技术，这里包括如何根据乒乓球的品牌、颜色和光照度设置图像的分辨率。
2) 数字图像的传输技术研究。对高速摄像机拍摄的视频图像需要传输到计算机内保存，由于高速摄像机拍摄图像的容量非常大，每秒种可以达到1000帧以上，所以如何选择、传输样本图像需要精心地设计，否则将直接影响检测的实效性。
3) 基于数字图像的乒乓球旋转和速度检测算法研究。乒乓球检测是一种小目标检测问题，其检测方法和检测效果有较大的挑战性。研究中在一些常规的检测方法中找到适合本课题研究的方法和技术。研究中检测算法的效能（处理速度、检测效果）是研究重点。
针对上述研究问题，我们采用了如下解决方案。
4) 高速摄像的采集技术研究。采用CPL MS系列高速摄像设备，以天津729乒乓球器材厂生产的器材为检测对象，在北京体育大学等单位进行实地拍摄，拍摄中测定了采集方案的可行性，从检测技术角度给出图像采集的各项参数区间，同时也为后续的检测工作收集素材。
5) 数字图像的传输技术研究。采用CPL MS系列高速摄像设备的配套软件，对数字图像的传输技术研究。分析图像传输和存储的时间和容量需求，包括不同格式图像的时空指标；比照乒乓球比赛中一次对决中的实际发生平均时间，确定传输的最大延迟和检测时间最佳区间；根据上述实际测定的指标，开发（或二次开发）达到最佳传输和存储区间的软件系统。
6) 基于数字图像的乒乓球旋转和速度检测算法研究。首先确定背景图片，然后利用静态检测法检测出球台和球体，再把球体作为背景检测球体上的标牌，通过分析标牌的位移变化计算乒乓球的旋转强度；速度检测的技术路线为：首先确定背景图片，然后检测出球网的网带作为参照物，再利用静态方法检测出球体，通过比较系列图片中球体与参照物的变化情况计算球的速度。
采用上述研究方案得到检测结果的技术指标如下：
1) 能够对高水平乒乓球比赛中典型的技术动作，如弧圈球、发球等，所产生的球体运行速度和旋转强度进行检测，并给出强度值。检测精度误差控制在±0.1，检测成功率控制在90%以上。
2) 能够实现实时检测，在图像拍摄速度与传输速度一定的情况，检测时间控制在1分钟之内，做到基本上与实际比赛中一次对决的时间相匹配。
3) 能够实现各种品牌的乒乓球进行检测，包括不同颜色乒乓球的检测；对比赛场地没有明显限制，符合国际乒联标准的场地和器材都可以进行检测。
国内目前还没有同类产品见报，所以本课题的研究成果一经研究成功即可申报新型发明专利，同时也可以申报行业技术标准核规范。本课题研究成果可以在国、内外各级运动队使用，也可以在国内外体育院校乒乓球专业的教学与科研中使用。
3总结
以上分两个专题，综述了体育计算的研究现状、需要解决的实际问题以及解决这些问题的方法和思路；又介绍了作者本人在2005年的部分研究工作。为进一步开展该领域的研究提供了参考性建议。“体育计算”一词在本文中首次提出，是笔者的个人意见，但作为一个迅速发展的计算机应用研究领域，强调其研究领域的特殊性有其必要求。2008年奥运会将在北京召开，深入开展该领域的研究有一定的现实意义。
体育计算涉及到体育科研的方方面面。由于篇幅有限，本文仅介绍了小部分研究工作和成果，更多的课题等待有识之士去研究与挖掘。相信在不久的将来，体育计算的研究成果将会被更多一线教练员采用，进一步提高体育竞技水平整体水平。
参考文献：
［1］ 赵会群，等.体育计算：一个新的计算机应用研究领域［J］.计算机科学，2004,31(8):89-92.
［2］ DataProject［EB/OL］. 省略.
［3］ DVCoach［EB/OL］. 省略.au.
［4］ 钟玉琢，等.基于对象的多媒体数据压缩编码国际标准―MPEG-4及其校验模型［M］.北京：科学出版社，2000.
［5］ 王兆琪，等.面向体育训练的三维人体仿真与视频分析，http:://省略.
