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生物力學與仿真技術范文1
關鍵詞：虛擬現實技術；技術構成；應用領域
中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2012）35-8540-02
虛擬現實是在計算機圖形學、計算機仿真技術、人機交互技術、人工智能、多媒體技術以及傳感技術的基礎上發展起來的交叉學科，由于它生成的視覺環境、音效是立體的，人機交互是和諧友好的[2]，因此虛擬現實技術將一改人與計算機之間枯燥、生硬和被動的現狀，即計算機創造的環境將人們陶醉在流連忘返的環境之中。
1 虛擬現實技術
1.1 定義
虛擬現實技術是一種模擬人在自然環境中的視覺，聽覺，觸覺等行為的高度逼真的人機交互技術，是利用人類感知能力和操作能力的新方法。它使計算機從一種只用鍵盤，鼠標進行操作的設備變成了人處于計算機生成的環境中，通過感官、語言、手勢等比較“自然”的方式進行“交互，對話”的系統和環境，即虛擬現實環境[1，2]。操作者可在其中自由地運動，隨意觀察周圍的景物并與之交互操作。虛擬現實的定義，可以簡單理解為：利用計算機生成的，能給人多種感官刺激，并能通過計算機對復雜數據進行可視化操作與交互的人機交互系統[3]。計算機生成的虛擬環境是能給人提供多種感覺的感官刺激的環境，能讓人有“沉浸”的感覺，虛擬現實通常由視覺、聽覺和觸覺構成。虛擬現實系統又是一種高級的人機交互系統，因此人機交互是虛擬現實的核心[4]。
1.2 虛擬現實技術的特點[5]
沉浸性：也可理解為“身臨其境””，讓用戶感到自身存在于模擬環境中的真實程度，當用戶全身心投入到計算機創建的三維虛擬環境中，感覺一切都是真實的。
交互性：指從模擬環境得到反饋的自然程度，以及模擬環境內物體的可操作程度?！±缬脩粲檬秩プヌ摂M環境中的物體，這時手就會有真的抓物體的感覺，并且物體會隨著手的移動而移動。
構想性： 在虛擬現實技術中，人與虛擬環境的交互作用，在本質上意味著它不是預成性的，而是生成性的，它具有一定的想象空間。
由于沉浸性、交互性和構想性三個特性的英文單詞的第一個字母均為I，所以這三個特性又通常被統稱為3I特性[1，3]。
1.3 虛擬現實技術的分類
按照虛擬現實系統功能和實現方式的不同，可以把各種類型的虛擬現實技術劃分四類：
1）桌面虛擬現實。桌面虛擬現實最大特點是缺乏真實的現實體驗，但是成本也相對較低，因而，應用比較廣泛。常見桌面虛擬現實技術有：基于靜態圖像的虛擬現實QuickTime VR、虛擬現實造型語言VRML、桌面三維虛擬現實、MUD等。
2）沉浸的虛擬現實。常見的沉浸式系統有：基于頭盔式顯示器的系統、投影式虛擬現實系統、遠程存在系統。
3）增強現實性的虛擬現實。典型的實例是戰機飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數和武器瞄準數據投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，它可以使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數據，從而可集中精力盯著敵人的飛機或導航偏差。
4）分布式虛擬現實。目前最典型的分布式虛擬現實系統是SIMNET，SIMNET由坦克仿真器通過網絡連接而成，用于部隊的聯合訓練。[10]。
2 虛擬現實系統的主要硬件技術
虛擬現實硬件設備為特殊輸入和演示設備，以至于影響各種操作和指令，且提供反饋信息，實現真正生動的交互效果。虛擬現實硬件設備都包括三維空間跟蹤定位器，多通道環幕（立體）投影系統，三維空間交互球，數據手套等等。
虛擬現實生成設備：是一臺或多臺高性能計算機，是帶有圖形加速器和多條圖形輸出流水線的高性能圖形計算機[13]。
虛擬現實感知設備：感知設備是指將虛擬世界各類感知模型轉變為人能接受的多通道刺激信號的設備。然而，相對成熟的感知信息和生產和檢測技術僅有視覺、聽覺和力覺三種通道。
虛擬現實跟蹤設備：跟蹤設備用于跟蹤并檢測位置和方位，實現虛擬現實系統中人機交互操作。
基于自然方式的人機交互設備：應用手勢、體勢、眼神以及自然語言的人機交互設備，常見的有數據手套、數據衣服、眼球跟蹤器及語音綜合識別裝置[8]。
3 虛擬現實的應用領域[9]
3.1 旅游景觀中的應用
通過3D互動技術還原現實中的旅游景區，而從在網上構建一個3D虛擬景區。游客可以通過建立個性化的3D虛擬化身，在3D的景區環境中直接試玩旅游景點，身臨其境的查看擬真的景點信息，足不出戶的體驗千姿百態的風景勝跡以及景點背后的傳奇故事[4]。
3.2 醫學中的應用
在醫學領域，虛擬現實技術和現代醫學的飛速發展以及兩者之間的融合使得虛擬現實技術已開始對生物醫學領域產生重大影響.在此領域，虛擬現實應用大致上有兩類：一類是虛擬人體，也就是數字化人體，這樣的人體模型，使醫生更容易了解人體的構造和功能.另一類是虛擬手術系統，可用于指導手術的進行。
3.3 藝術教育中的應用[9]
作為顯示傳輸信息的媒體，虛擬現實在未來藝術領域所具有的潛在應用能力也是不可低估的。VR所具有的臨場參與感與交互能力可以將靜態的藝術（如油畫、雕刻等）轉化為動態的，可以使觀賞者更好地欣賞作者的思想藝術。另外，VR提高了藝術表現能力，通過動作捕捉系統采集演員的舞蹈動作和表情，在電腦輔助編排下可以預演演出效果，提高編排效率。
對藝術的潛在應用價值同樣適用于教育行業，如在解釋一些復雜的系統抽象的概念如量子物理等方面，VR是非常有力的工具，如“虛擬的物理實驗室”，用于解釋某些物理概念，如位置與速度，力量與位移等[9]。
3.4 生物力學方面的應用
生物力學仿真就是應用力學原理和方法并結合虛擬現實技術，實現對生物體中的力學原理進行虛擬分析與仿真研究。利用虛擬仿真技術研究和表現生物力學，不但可以提高運動物體的真實感，滿足運動生物力學專家的計算要求，還可以大大節約研發成本，降低數據分析難度，提高研發效率。這一技術現已廣泛應用于外科醫學、運動醫學、康復醫學、人體工學、創傷與防護學等領域。
3.5 工業仿真中的應用[9]
當今世界工業的發展非常迅速，已經發生了翻天覆地的變化，現階段的工業發展不再是大規模的人海戰術，需要的是先進的科學技術，特別是虛擬現實技術的應用正對工業發展進行著一場前所未有的革命。虛擬現實技術目前已經被世界上一些大型企業廣泛地應用到工業的各個環節，對提高企業開發效率，加強數據采集、分析、處理能力，減少決策失誤，降低風險起到了重要的作用[5，6]。
3.6 擴增實境中的應用
擴增實境是虛擬現實最具實用價值的應用之一。它在真實環境的基礎上把虛擬環境疊加進去，使二者有機結合，產生虛實難辯、亦幻亦真的感覺。例如：當人進入到一商店購某物時，即可在顯示設備上顯示此物的價格、性能及各種參數等。
4 結論
虛擬現實（VR）技術是20世紀90年代以來興起的一種新型信息技術，它集多媒體、網絡技術、傳感技術等多種先進技術為一體，是當今前景最好的計算機技術之一。21世紀的計算機是VR計算機，VR是放大智慧的新工具，是億萬美元的產業。隨著計算機技術的發展，虛擬現實技術將被廣泛應用于城市規劃、醫學領域、娛樂與藝術文化、衛星與航天工業、室內設計領域、地產開發領域、農村開發管理、虛擬工業仿真領域、應急處理預演、文物古跡還原、產品展示機展覽展示、教育學、地址文化研究等各個領域。
參考文獻：
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生物力學與仿真技術范文2
王云升
（西安思源學院體育部, 陜西西安,710038）
摘要：科學技術日益成熟，促進了計算機技術的飛速發展，并逐漸應用于社會生活的各行各業。目前，計算機技術開始逐步應
用于網球等運動的訓練中，不僅有利于更加系統的訓練，而且能夠有效的提高運動員的水平。本文根據網球運動訓練的自身情
況以及計算機技術可能為網球運動訓練帶來的前景，重點對計算機技術在網球運動訓練中的應用方向及方式就能行了探討，
并詳細闡明了相關技術的具體設計和應用。
關鍵詞：網球運動; 計算機; 運動訓練; 運動員
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
計算機技術在網球運動訓練中最為普遍的一項應用即為利
用視頻圖像記錄運動員在訓練過程中的實際情況，然后將視頻
錄像在計算機中進行二維或三維的分析。視頻圖像是指利用某些
工具通過各種方式和手段觀察記錄周邊環境而得到反映實際情
況的靜態的圖片以及動態視頻，人眼可通過這種方式直接或者間
接的產生視覺上的實體。通過計算機對視頻圖像的二維和三維分
析和評價，不僅可以得到運動員在運動訓練中相關技術表現的具
體、準確的圖像信息和數據，而且能夠很直觀準確的監控訓練中
運動員的動作、技術，并準確的對其技術動作的訓練水平作出評
價，與此同時，通過視頻圖像的對比，可以激發運動員不斷提高自
己的技術水平，激發學習興趣，促進運動員進步。除此之外，由于
對于視頻和圖片的采集本身不會影響到運動員的訓練及比賽，而
且能夠直觀的獲取到運動員在訓練中的實際訓練狀況，提高了體
育運動訓練以及比賽實際情況的準確性。在網球運動中，發球技
術是訓練以及比賽取勝的關鍵之一，一般情況下，平擊發球的快、
準、狠是比賽中得分的關鍵，但是由于平擊發球很難應用準確所
以在比賽中使用時得分把握不高，這也是訓練中的一直以來被關
注的問題，然而運用計算機技術可以仿真平擊發球，可通過計算
機分析擊球點、發球速度、發球角度與網球運動軌跡之間的關系，
從而可以找出提高水平擊球準確率的方法，使教練員可以掌握水
平擊球的關鍵，以便更好的指導、訓練運動員，提高運動員的網球
技術水平。
當下，利用計算機技術分析、處理運動員在訓練過程中的視
頻圖像已經在體育運動中廣泛應用，并已成為體育界的研究熱
點。目前，國內外的計算機技術在體育運動訓練及比賽方面都已
經有了一定的研究成果，例如，我國的中科院研究出的DVCoach
軟件就可以在運動訓練中利用計算機技術分析視頻，但是由于這
種軟件的價格較高，再加上有一定的針對性，一般不能被普遍應
用。國外的計算機技術在網球運動訓練領域的應用相對國內較成
熟，例如Sports motion 和Smart system 等視頻分析技術，已
經普遍應用于網球運動員的訓練中。近年來，網球運動逐步發展
壯大起來，國家也越來越重視網球運動員的培養，而對于網球運
動員的訓練，計算機技術是一項值得開發的項目，而且也可以應
用到其他體育運動領域中，促進我國體育事業的發展，因此計算
機技術在網球運動以及其他體育運動的訓練中都有著巨大的應
用前景。
1 計算機技術在體育運動中的應用方式
計算機技術在體育運動中的應用廣泛，而且應用方式也有很
多，以下簡單介紹主要的幾種。
1.1 計算機仿真技術
計算機技術應用于體育領域中的仿真技術主要是用于研究
體育運動中的綜合問題的解決方式，模型的規范描述以及處理、
操作和控制仿真實驗、檢索和儲存模型及相關數據、分析及演示
仿真結果等共同構成了計算機仿真技術的技術內容。計算機仿真
技術有自己的仿真軟件，包括仿真語言和環境，以及仿真程序包
三部分。更加深入、經濟、準確的診斷出體育運動訓練以及比賽中
的動力學問題是計算機仿真技術最重要的優點，通過在計算機上
進行多次仿真模擬，可以準確的獲取相關參數，有利于提高技術
指標指定的準確性，是訓練更加高效。
1.2 信息化管理系統
此系統包括兩個系統即體育管理信息系統和辦公自動化系
統，前者的主要作用是可以通過計算機技術將有關體育的信息，
如體育科技報告、文獻、相關資料等進行條理性的存儲和加工處
理，還可以通過計算機網絡技術及時獲取互聯網以及局域網上的
最新體育資訊，或者相關體育技術資料等；后者的主要負責
的是辦公中相關文件的編輯、打印等文檔處理工作。
1.3 視頻圖像的處理系統
體育視頻圖像的處理系統主要是采集、編輯以及播放、處理
體育運動訓練中的實際情況。近年來，計算機技術發展加快，網絡
技術日益發達，食品及圖像的壓縮及傳送技術不斷提高，使信息
可以共享，視頻圖像處理系統的主要的研究方向通過計算機技術
科學的處理和分析體育訓練中的實際訓練情況以及比賽中對手
的情況，以提高運動員自身的技術水平。
1.4 體育決策支持系統
此項系統主要應用于體育的運動員訓練、器材選擇以及管理
方面，為體育領域的相關研究提供科學的技術數據，大量的資料，
相關的計算和判斷方法以及完善的數據信息，保證相關政策的準
確性、及時性和科學性。
1.5 專家系統
即以專業知識為技術基礎的系統，利用計算機技術將訓練
規則和專家經驗結合起來，系統的分析運動員的綜合技術水平，
并對有機的將技術指標和運動員的自身情況相結合，從而產生一
個針對于個體運動員的訓練計劃，通過這種方式智能產生的訓練
計劃更加有利于每個運動員技術水平的完善和提高。專家系統是
人工智能在體育運動訓練中的最具代表性的應用，具備了專業知
識，專家水平以及模擬專家思維的能力，可以完成運動員的輔助
訓練、技術評價以及選材等工作，是專業知識和系統推理的結合
產物。
2 計算機技術在網球運動訓練中的應用
網球運動訓練是一個比較復雜而又極具系統性的過程，在訓
練過程中要同時參考醫學、生理學、生物力學以及運動學等方面
的知識，還要進行選材、技術水平評定、營養衛生等工作。在網球
運動的訓練過程中技能、心理素質、體質、戰術運用等都會影響在
訓練過程中運動員成績的獲取。而計算機技術的應用不僅可以輔
助運動員對相關技能進行調整，而且有利于訓練中各方面信息的
采集、處理以及存儲。
2.1 計算機視頻圖像技術在網球運動的訓練中的輔
助作用
在網球運動訓練中，運動員的運動測量以及運動分析是運
動訓練中計算機輔助作用主要解決的兩大問題線路。網球運動訓
練，主要是先準確測量相關的數據，然后進行分析。在之前的分析
中一般采取的是人言觀測的方法，即教練員根據自己肉眼所觀察
到的，再結合自己的經驗來判定運動員動作的規范性，很難進行
量化。而應用計算機視頻圖像技術進行測量和分析的現場反饋模
式，可以通過計算機技術進行視頻的采集和編輯，將訓練過程中
運動員的每一個動作以及場景都詳細的記錄在視頻中，這樣不僅
避免了肉眼觀察可能出現的誤差，也解決了人腦難以準確記錄每
個動作的具體細節的問題，同時，網球運動員自己可以根據視頻
記錄發現自己的問題，知道自己的錯誤在哪，便于教練員與運動
員之間的溝通。此外，在網球運動訓練中作為一項比較實用的技
術，全景圖技術的采用，更加方便了對于網球運動員訓練狀況的
分析，同時結合二維和三維技術，以及人體運動輪廓提取技術，用
計算機自動生成全景圖，是整個分析過程更加明朗和準確。
2.2 計算機視頻圖像技術在網球戰術訓練中的應用
通過計算機技術對網球戰術的信息采集和智能分析不僅能
夠加快網球戰術數據采集和過程分析的速度，而且有利于提升信
息反饋的及時性和準確性，有助于教練員指導運動員進行更為科
學的針對性訓練。網球運動不僅對運動員自身的技術水平、身體
素質等有較高的要求，作為一項競技性球類運動，戰術的應用在
比賽中有著決定性作用，因此其對戰術的要求也非常高。以前傳
統模式下的網球戰術信息的統計和分析都是依據教練員、科研人
員以及網球運動員通過肉眼觀測到的情況，并有相關訓練人員進
行統計，因為觀察指標、網球運動員各自的擊球情況等的不同，對
網球戰術信息的收集和分析都有較大的影響，很難準確的反映出
訓練過程中兩名運動員的系統戰術信息，因此傳統模式下的戰術
信息統計和分析的結果無法達到教練員以及運動員所需要的狀
態。此外，利用視頻圖像技術能夠反饋給網球教練員和運動員大
量的訓練過程中的戰術應用信息，有助于教練員進一步分析和解
讀各項戰術指標數據，因此可以使教練員和運動員制定出更加正
確的戰略和戰術。在網球競技訓練中，采用視屏圖像技術還可以
采集到比賽訓練過程中網球運動員戰術的底層數據，結合視頻位
置，以增加戰術統計指標以及信息的系統性。所以說，計算機視頻
圖像技術在網球訓練的競技模式中的應用有助于教練員和運動
員具體和準確的統計和分析比賽雙方的戰略、戰術特點，以便于
在以后真正的比賽中能夠靈活的應用戰術，同樣也有利于網球運
動訓練的科學性和針對性的提高。
2.3 計算機技術在網球運動員技術水平比較上的應
用
計算機視屏圖像技術可以準確而又詳盡的記錄每個運動員
在訓練過程中的情況，結合視頻合成技術，可以講任意兩個或者
幾個運動員的訓練情況進行分析比較。所以，在網球運動訓練過
程中，教練員可以把目標運動員和技術水平較高的運動員進行技
術上的比較，從而更為直觀的找出二者的差距，指明目標運動員
提高和改進的方向。
3 總結
由以上對于計算機技術在體育領域以及網球運動訓練過程
中應用的探討，不難看出計算機視頻圖像技術一項關鍵性的技
術，它可以在在網球運動訓練中自動的完成相關視頻的采集、以
及信息的分析和反饋工作，具有海量的技術視頻存儲，而且能夠
進行動作視頻的合成比較，不僅有利于教練員對于運動員的各項
運動指標的客觀分析，而且使運動員的訓練更具針對性和科學
性，是一項可以滿足網球運動訓練要求的技術?？偠灾嬎銠C
技術在網球運動訓練中的應用既有利于運動訓練中相關信息的
準確提取和科學分析，又為運動員動作視頻的合成比較提高了技
術基礎，其在網球運動乃至其他體育運動領域中都具有廣闊的前
景。
參考文獻
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生物力學與仿真技術范文3
工業工程（IndustrialEngineering，簡稱IE）是20世紀產生的一門學科。工業工程學科產生于美國，但是在許多發達國家得到了廣泛的傳播和應用，并在這些國家的工業現代化過程中發揮了重要作用。近年來一些學者為工業工程下了一些新定義，用以反映現代工業工程的內容和職能。其中我國學者對工業工程的認識為：工業工程是以系統科學和運籌學為理論基礎，從技術角度對各種系統（主要是生產系統）進行分析、規劃、設計、優化、評價和實踐，以達到不斷提高生產率和整體效益的目的。下面就對工業工程涉及的管理、規劃與設計進行淺析。
1.項目管理
在一個項目中，個人和組織之間的協調是一項非常復雜的任務。為了確保成功，要求來自不同組織的工作人員在不同時間和不同地理位置上有一個整體的溝通。在項目管理中，主要可以分為幾大部分：綜合管理、范圍管理、時間管理、成本管理、質量管理、人力資源管理、溝通管理、風險管理和采購管理。隨著項目過程和項目生命周期的集成出現的項目管理方法學中，首先確定在項目生命周期的各個階段施行過程的哪一個部分；其次指派專門人員完成各個過程或是一個過程的一部分，這些人員都要進行特定工具或特定技術的培訓；最后將各個過程所需的信息輸入或傳出給負責項目的人員，以保證項目參與者良好協調的信息流和很好的溝通。一系列設計嚴密的過程由適宜的信息系統支持且由訓練有素的團隊執行，那么該組織定會有很大的競爭力。成功的項目管理要求成功的進行項目范圍和成果范圍的計劃、執行、控制。而建立團隊和組織學習在項目環境中占有舉足輕重的地位，建立一個清晰的流程，并知道如何在過程中正確的走每一步，這樣在項目管理中才可以取得卓越的績效。
2.產品規劃
2.1規劃與產品整合開發當前市場的特性是：越來越激烈的國際競爭、迅速增長的商品復雜度和極度變革的技術創新。在創新周期逐漸縮短的同時，產品的生命周期和投資回收期也在不斷縮短。這樣，時間就成為目前最富挑戰的因素。企業如何快速成功的占據市場便成為了重中之重，這就要求加速創新產品的開發，而產品原型的生產則成為了快速開發產品的關鍵。
2.1.1快速開發產品的特征特征有完整的生命周期、正確的組織形式、流程的實施、人力和技術資源的協調以及產品開發流程的結果。這些獨立模塊在有一個大致邊界后可自由發展至成熟，但這些帶來的資源的重新配置、整個項目過程的同步等問題需我們進一步研究。
2.1.2快速產品開發的基本方法(1)過程計劃，計劃是規劃各種過程的第一步，在涉及一個復雜的研發項目時，過程的計劃是必須的。目前已經開發出的面向小組的項目計劃系統（TOPP）的協調是通過單一通道下的計劃來實現的，它實現了面向階段和面向結果的集成，并且可支持計劃制定者來協調快速產品開發和研發中的全局性工程項目。(2)物理原型(3)數字原型總體而言，建立整個系統的物理或者虛擬原型極其重要，尤其在產品開發的初始階段。掌握了快速開發產品的特征和快速產品開發的基本方法之后，還要考慮研發隊伍成員之間的通信與協作問題。在研發創新性產品這個動態的過程中，小組成員之間的交流會為實現高效率和高效益的項目合作起到重要作用。
3.以人為中心的產品規劃與設計
3.1以人為中心的3個基本目的目的是：設計應該促進人的能力提高、應該幫助克服人的局限性、培養人的接受能力。這些目的應該在整個設計過程別是初始設計階段成為設計人員的驅動性思維。運用以人為中心的框架會保證產品或系統的生存性、認可性和有效性等方面的成功。
3.2面向制造的設計面向制造的設計的目標在于在早期的產品設計階段就考慮可生產性的問題，以便在較短的交付時間內以較低的價格吸引顧客并滿足顧客需要。面向制造的設計將被運用于工業環境中，所以我們要關注提高工程師個體在設計與制造方面的專業知識水平以及促進設計與制造小組之間較好較早地交流溝通。
4.工業工程未來的發展趨勢20世紀90年代以來，特別是進入新世紀之后，工業生產的全球化日益加深，市場競爭愈演愈烈，新技術不斷涌現，工業技術水平日益提高社會需求不斷變化，工業生產規模不斷擴大。這些都客觀上要求工業工程不斷吸收新技術，以適應全球化的工業生產。工業工程的發展趨勢體現出新形勢下發展要求。
(1)多學科融合加快?，F代生產日趨復雜，新產品新技術不斷涌現，這些促進了工業工程學科大量的引進系統的科學思想及系統的工程理論和方法，廣泛吸收各種現代科學理論和方法，如計算機技術、微電子技術、機電一體化技術、計算機集成制造系統、管理信息系統、決策支持技術、人工智能技術、計算機專家系統以及生物力學、心理學、運籌學等，使工業工程這門綜合性學科不斷充實完善，日趨現代化。
(2)應用領域日益擴大。工業工程的研究應用領域遍及生產工程、物料搬運與存儲管理、工廠與車間管理、成本分析與控制、價值工程、可靠性工程、投資分析、財務分析與管理等各個生產領域。近年來，工業工程技術的應用擴大到如流通、商貿、服務業、非盈利性組織等非生產制造領域。
(3)研究手段日趨復雜。隨著計算機技術以及其他科學領域的發展，新的工業工程研究手段不斷出現，其研究方法也日趨復雜。如傳統的數字仿真只能得到用數字表示的仿真結果，以及相應的二維圖像，其應用深度受到很大的限制，而最新的仿真技術可以將仿真與虛幻現實技術結合，將設計者置于虛擬現實的環境中，使其能“身臨其境”地發現潛在問題，從而降低制造成本、縮短實施時間、避免反復的設計。模糊數學、遺傳算法和神經網絡等，也不斷引入到方法研究中。
(4)強調以人為本?，F代工業工程對生產要素優化組合新規律的探索不斷深化，其中心問題是對人和其他生產要素之間的關系的研究。在生產系統中，人始終是重要角色，提高生產率的問題歸根到底是以人為中心來展開研究。人、機器和設施的最佳組合，人在變速、高速系統中的適應性，環境對人的影響等這些人類工程學的課題也是工業工程的重要研究領域。
生物力學與仿真技術范文4
關鍵詞：體育計算；體育比賽分析；運動圖像處理
中圖分類號：G804.49文獻標識碼：B文章編號：1007-3612(2007)12-1673-04
隨著體育運動的影響不斷擴大，利用計算機等高科技手段輔助提高運動員的訓練和比賽水平已經成為共識。
所謂的“體育計算”［1］，就是以體育競賽和管理為應用對象、研究如何根據應用對象的特點挖掘計算機新技術，以及利用這些先進計算機技術解決應用中遇到的各種技術問題，從而使運動競技水平和管理水平有明顯地提高。因此，“體育計算”不是簡單的計算機技術在體育競技和管理中的應用，作為一個新的研究領域，它還需要對計算機技術本身進行深入的研究，找到適合體育競技和管理領域的、具有特色的計算機技術和方法?！绑w育計算”又是一個交叉學科。結合仿真科學、生物力學、管理科學等學科的理論和方法，研究如何用計算機技術解決體育科學中出現的新問題，是本學科的主要內容。因此，“體育計算”的主要研究內容包括：體育比賽計算機輔助分析、計算機運動仿真，計算機體育管理等。所涉及的計算機技術領域包括：數據庫技術、計算機仿真技術、多媒體技術、計算機圖形圖像處理技術等。
1“體育計算”的研究現狀與關鍵技術
以下分兩部分綜述“體育比賽技戰術分析”和“運動圖像處理”的研究現狀，以及解決問題所需要的關鍵技術。
1.1體育比賽技戰術分析
1.1.1球類比賽計算機分析排球比賽技戰術分析方面代表性的研究成果是意大利Data Project公司開發的Data Volleyball系統［2］。該軟件可以支持排球比賽臨場技戰術的采集、統計和評價等排球比賽的技戰術分析工作，為排球教練科學指導比賽提供依據。從技術角度，Data Volleyball在排球技戰術數據的采集和比賽視頻檢索的計算機處理方面有新的貢獻。在技戰術數據采集時，Data Volleyball采用助記符方法對排球比賽中的基本技術動作進行編碼，然后把編碼組合成每一個比分的技戰術數據。技戰術數據雖然采用鍵盤輸入，但由于編碼設計巧妙，使得采集數據的信息量完全可以支持對球隊技戰術的分析與評價工作。在視頻檢索的計算機處理方面，該軟件采用視頻與編碼綁定的方法，從而能夠實現對視頻的實時檢索。雖然該方法強烈地依賴技戰術采集數據，并沒有實現視頻檢索的自動化，但從實用角度上部分地解決了基于內容的視頻檢索問題。
美國CyberSports公司開發的Basketball［3］軟件是籃球技戰術分析系統的典型代表。與排球比賽的技戰術采集與分析方法有所不同，該軟件并沒有對比賽中的每一個技戰術動作進行編碼，也沒有采用視頻綁定技術對視頻文件的進行檢索，而是把數據采集的重點放在各種籃球專項技術的采集上，從而分析一場比賽的技戰術執行情況?；@球專項技術包括“突破”、“中投”、“遠投”、“犯規”等直觀技術數據，還包括如“投籃點”這樣的具有一定內涵的技術數據。上述數據的采集內容為籃球比賽的技戰術分析提供了依據。不僅如此，該軟件中采用的技戰術采集的方法，也給身體接觸類體育比賽臨場數據采集的計算機處理提供了可以借鑒的方法和技術。就“投籃點”的采集而言，需要計算機提供投籃點的定位與繪制，如何實現計算機的自動處理是一個具有挑戰性的問題。目前該軟件還只能做到半自動化處理。
上述兩個研究方向基本上能夠代表球類比賽計算機分析的研究特點，一個是非接觸式比賽（排球），另一個是接觸式比賽（籃球）。不難看出，技戰術的編碼與基于視頻的技術分析是球類比賽計算機分析的關鍵技術，而技戰術編碼又是視頻描述的一種表現形式，描述與視頻分析在計算機技術方面緊密相關。
就比賽視頻描述而言，其關鍵性主要體現在：
1) 比賽視頻描述的內容是技戰術分析的基礎。在球類比賽的技戰術分析中，需要對比賽中的各種技術動作和戰術的執行情況進行統計，各種統計方法都需要大量的樣本數據。所以分析結果是否準確直接取決于樣本數據的信息含量。
2) 視頻描述是基于內容視頻檢索和編輯的關鍵。技戰術分析的常用方法之一是，教練員通過回放比賽的視頻來觀察運動員的技術動作和技戰術的執行情況。而目前只能通過VCR（Vedueo Caste Record簡稱VCR）控制技術來實現簡單的視頻檢索功能，如快進、快退等。其主要的技術難點是視頻文件中沒有包含視頻的內容信息，從而無法實現基于內容的視頻檢索和編輯。如果增加足夠的內容信息，檢索和編輯就不是十分困難的事情?；趦热莸囊曨l檢索是圖像處理領域的前端研究課題，運動圖像專家組（Moving Picture Experts Group）提出的MPEG-7［4］標準為該領域研究提供了相關的技術參考。
技戰術分析的技術關鍵性可以從以下幾個方面觀察。
1) 基于視頻的技戰術分析可以提高比賽分析的質量。傳統的技戰術分析方法是利用簡單的統計模型分析技戰術的執行情況。由于樣本數據的缺乏，使得分析的效果不夠細致?；谝曨l的技戰術分析結合視頻描述技術，使得該分析方法不但可以完成常規的統計任務，而且更重要的一個手段是把統計與視頻圖像相結合，使得分析工作更加直觀。
2) 基于視頻的技戰術分析可以解決增加分析效果的作用。結合視頻描述技術，視頻分析可以實現比賽場景的快速定位，從而實現比賽視頻的檢索。與傳統的非線性編輯技術不同，基于描述的視頻分析是在不改變視頻文件的前提下，對視頻圖像片段進行連接和定位，所以分析效率將有明顯地提高。
3) 基于視頻的技戰術分析可以實現比賽場景的重組和仿真回放。結合視頻描述技術，可以實現對視頻文件中不同場景片斷重新組合，模擬真實的比賽畫面，實現仿真回放。仿真回放技術可以有效地支持對比賽技戰術執行情況的評價工作。通過仿真回放可以調整某一個技戰術環節的技術動作或技戰術意圖，從而指導以后的比賽。
1.1.2技巧類項目計算機分析這里的技巧類項目主要指：體操、跳水（游泳）、蹦床和技巧等項目。下面首先分析關鍵技術，然后綜述研究狀況。
上述研究的核心問題是如何獲取人體運動的形體信息和基于形體信息的運動分析問題。其中，人體三維運動信息的獲取和人體運動的計算機分析是關鍵技術。人體三維運動信息的獲取是人體三維運動分析的基礎。
人體三維信息獲取有多種方法，常見的方法是在被測對象上加標記，如在球體上涂上特殊的標記，在人體上加反光標注點等。由于這種方法需要在被測對象上增加標記，所以該方法基本上不適合實際比賽中的信息獲取。因此，人體三維信息的獲取的關鍵是，如何在不增加標記的情況下獲取信息，這給該項工作增加了相當大的難度。在三維人體信息獲取中，主要包括人體輪廓提取和人體三維運動參數的獲取兩方面的技術。
人體輪廓(Human Body Silhouette)的提取是指從圖像序列中檢測出人體所在的區域，并通過二值化將其從背景中分離出來［5］。人體輪廓提取的基本方法分為基于運動檢測法和基于人體形狀分析法兩種。第一種方法假設場景中只有人在運動，因此檢測出的運動區域即為人體所在區域；后一種方法充分利用了人體形狀的先驗知識，使用模式識別及概率推理的手段從圖像中檢測人體區域。
基于運動檢測法又可以分為以下三種方法［5］：
1） 背景減除法(Background Subtraction) ，利用當前圖像與背景圖像的差分來檢測出運動區域。
2） 時間差分法(Temporal Difference)，在連續的圖像序列中兩個或三個相鄰幀間采用基于像素的時間差分，得到幀差圖像，并且對其進行后處理來提取出圖像中的運動區域。
3） 光流法(Optical Flow)，采用了運動目標隨時間變化的光流特性。
而基于人體形狀分析法又可以分成以下兩種方法：
1） 模板匹配法(Template Matching) ，將不同姿態的人體形狀作為模板，與輸入圖像特征進行匹配，可以找出與人相似的形狀模式。
2） 概率推理法(Probabilistic Reasoning)。利用了人體形狀的幾何和拓撲約束關系，從圖像中尋找滿足人體約束的區域或區域集合(regionassembly)。
人體三維運動參數的獲取，是指從視頻中獲取人體的關節點三維坐標或者關節角度等人體姿態信息［4］。基于關節點的人體運動跟蹤是人體三維運動參數獲取的基礎。由于視頻的圖像噪聲的影響以及視頻中人體運動的復雜性，使得人體關節點的跟蹤異常困難。目前尚沒有一個理想的人體關節點跟蹤方法。因此，人們常常在人身上使用標注點，但對于復雜的人體運動，仍然需要采用手動標定關節點的方法。
運動項目不同，人體三維運動分析的要求和目標也不同，但采用的分析方法會有一定的共同點。常用的分析方法是視頻對象疊加法，該方法是把兩組（或多組）被分析的視頻對象疊加到一個視頻畫面中，然后分析其對象形態的差異，從而給出分析結論。如在跳水項目中，可以利用視頻疊加的方法，分析運動員的某一個動作與標準動作的偏差。
目前該方向的理論和應用研究已經取得了一些新的進展。中國科學院計算所數字化研究室對三維人體信息的非接觸式提取方法進行深入地研究，并把研究成果應用到奧運攻關課題的研究中，取得了令人滿意的效果。其主要貢獻有兩個方面［4］：
1）基于圖像與視頻的人體運動參數獲取技術。主要研究在視頻圖像中自動提取人體，并對其運動進行分析、描述和行為理解，獲取各種人體運動參數。具體研究內容有：
(1) 快速精確的人體輪廓提取?？焖倬_的人體輪廓提取是個相當重要但又是比較困難的問題。這是由于動態環境中捕捉的圖像受到多方面的影響，比如天氣的變化、光照條件的變化、背景的混亂干擾、運動目標的影子、物體與環境之間或者物體與物體之間的遮擋、甚至攝像機的運動等，這些都給準確有效的人體輪廓提取帶來了困難。我們綜合應用全局運動估計技術、膚色檢測技術、區域增長和分割技術，目前已經基本解決了這一難題。在人體輪廓提取基礎上，我們進一步研究實現了動作全景圖合成和不同動作疊加播放。動作全景圖對于運動員和教練員分析與把握動作整體完成情況有很大幫助；而不同動作疊加播放是將不同的動作疊加到同一背景下播放，有助于運動員和教練員分析動作的細微差別。
(2) 動作視頻的自動同步技術?？梢圆捎没谶\動輪廓子序列匹配方法解決這一問題：首先提取出人體輪廓，形成輪廓序列；然后，對于由兩個輪廓序列的連續5幀組成的輪廓子序列集，兩兩計算相似度，取相似度最大的兩個子序列所對應的起始幀作為同步點。
2） 人體關節點運動參數的獲取。人體關節點運動參數的獲取有助于對動作完成情況進行精確分析。以前實現方法完全靠手工畫點實現，工作量非常大，容易出現誤差。目前實現了半自動的參數提取方法：手工初始化，計算機自動運動參數提取過程中給予必要的干預。其中自動運動參數提取采用基于人體模型的跟蹤方法：使用2D的鏈桿模型描述人體結構，用勻加速運動模型進行系統狀態的預測，綜合邊緣和灰度信息計算相似度，使用局部優化和全局搜索相結合的多假設跟蹤方法。
3） 興趣事件自動檢測技術。以跳水運動為例，基于模式識別的基本原理和技術，給出了跳水視頻自動事件檢測技術。應用該技術可以在長時間的跳水視頻中自動檢測出跳水動作片斷。
4） 對于任意視頻的攝像機定標。攝像機定標是計算機視覺領域中從二維圖像提取出三維信息的必不可少的步驟。廣義上攝像機定標方法分為兩種：傳統的標定方法和自定標方法。前者需要使用精密加工的標定參照物。它具有精度高的優點，但操作繁瑣。20 世紀90 年代初，Faugeras和Luong 等提出自定標的概念，使得在攝像機任意運動情況下的定標成為可能。但該方法受場景的影響較大，而且精度難以保證。在基于視頻的人體運動信息獲取中，人們為了保證精度，一般都采用了基于標定參照物的方法。這極大的限制了視頻的來源和采集。所以，現有方法都只能對特定采集的視頻進行處理，不能處理任意給定的視頻。這極大地限制了基于視頻人體運動捕獲的應用領域。如果對攝像機投影模型進行簡化，例如采用仿射投影模型，則可以大大減少攝像機定標的難度，但簡化的投影模型不能保證獲取結果物理意義上的真實性。
2“體育計算"研究進展和發展趨勢
2.1球類比賽臨場技戰術采集與分析技術第2.1.1節中曾簡單介紹過球類比賽計算機分析技術的研究現狀，并提出該方向需要深入解決的問題，本節以乒乓球技戰術計算機分析為例，介紹作者在2005年一些研究工作。
2.1.1乒乓球比賽技戰術描述與采集描述與采集是緊密相連的兩個技術問題，以乒乓球比賽為例，該項研究需要解決的實際問題有：
1) 技戰術數據采集方式問題。乒乓球比賽中每一個比分的形成要在幾分鐘，甚至幾秒鐘內形成，要想手工記錄雙方運動員的每一個技術細節，其難度主要表現在：
(1） 記錄員的記錄速度很難跟蹤比賽的節奏。經對各種技術類型運動員進行統計，如果只統計發球、接發球和得分三個動作的情況下，一分球中運動員可能采用的動作組合數會達到27萬種之多。記錄員在如此多選擇中，在幾秒鐘內確定所要記錄的動作談何容易。
(2） 記錄員完成比賽的全部記錄工作十分疲勞。記錄員在進行現場記錄時需要不斷在比賽現場和記錄本（或電腦）之間切換眼球，長此以往記錄員很難保持記錄的速度和記錄的準確性。
2) 技戰術數據描述問題。技戰術描述是基礎，技戰術分析直接依賴采集數據“粒度”和數據的表現形式。
（1） 技戰術數據的“粒度”是指技戰術的細致程度，如果“粒度”過大，統計結果的意義不大；如果統計過細，又會增加了數據采集的難度。所以技戰術數據“粒度”十分不好確定。
（2） 技戰術數據描述形式是數據分析的基礎，自然語言的演繹功能差，不利于計算和量化分析；而符號語言容易進行量化處理，但不容易掌握，給數據采集帶來困難。
針對以上提出的問題，本文作者提出了一種適合乒乓球技戰術描述和采集的腳本描述語言，該語言首先把乒乓球比賽中運動員的技術動作分解成擊球方式、擊球基本動作、擊球效果、擊球路線四個方面，并對其進行編碼，這些編碼構成乒乓球技戰術描述語言的基本詞匯。如“正手發下旋1區到6區”的動作編碼為“ZX16”。同樣也可以對常見技戰術進行分類和編碼，這些技戰術編碼構成了腳本描述語言的基本句型，如“發反短攻得分”的編碼為F6G1。在技戰術編碼中，采用了信息壓縮的方法，從而有效地削減了編碼的長度，使得技戰術采集更加快速。
在實際比賽中，可以分別利用腳本描述語言的單詞與句型編碼進行技戰術信息的采集。下面以后者為例，介紹技戰術采集的過程。
基于技戰術編碼的數據采集技術是指，利用技戰術編碼規則，對比賽中雙方運動實際運用的技戰術，選擇一方所運用的技戰術加以描述并輸入到計算機中。以上一節給出的案例為例，具體輸入碼如下：
從圖2中可以看出，基于技戰術的采集技術比較簡單，適合比賽臨場技戰術的采集工作。
2.1.2乒乓球比賽技戰術分析乒乓球技戰術描述與采集的最終目的是數據分析，從而發現比賽中潛在的規律，指導運動員的訓練和比賽。數據挖掘技術是一種有效地數據分析技術，它利用計算機收集、存儲數據，并通過數據庫（數據倉庫）對數據進行分類，在此基礎上利用各種數據挖掘算法發現潛在的規律。數據挖掘技術在銀行、保險等領域有廣泛地應用，但在體育比賽的分析中，尤其是在乒乓球比賽的技戰術分析中還很少采用。下面介紹本文作者2005年在該方面的一些工作。
在乒乓球比賽中，技戰術的制定與對手采用的戰術有關，即戰術中一個技術動作的執行僅與對方采用的技戰術動作有關，從而表現出馬爾科夫過程的特性。
我們對基于馬爾科夫過程的數據挖掘方法進行了研究和討論，其主要貢獻如下：1） 從理論上證明了基于馬爾科夫過程的系統關鍵因素挖掘方法的正確性，給出了系統可靠性靈敏度分析中轉移概率增量的設定方法，為進一步挖掘關鍵因素奠定了基礎。2） 提出了基于馬爾科夫過程的數據挖掘算法，并對算法的執行時間和空間進行了分析。3） 結合乒乓球比賽中制勝因素分析問題，給出了挖掘算法的應用。經過分析得出“高水平乒乓球比賽中，控制到相持、發球到接發球和控制到進攻”是比賽制勝關鍵的結論，這一結論與實際情況吻合。
提出的數據挖掘方法不但可以用于乒乓球比賽的技戰術分析，還可以用于其他球類比賽的技戰術分析，比如排球、羽毛球、網球等等，只要系統行為滿足馬爾科夫過程條件既可。體育比賽技戰術分析中應用數據挖掘技術還是一種新的嘗試，我們已經開發出乒乓球比賽臨場技戰術分析系統。
2.2運動對象檢測前面的2.2節中已經介紹了運動對象檢測的關鍵技術和研究現狀，從技術角度，其檢測技術和手段進展不是十分明顯，但從應用角度，其成果分布逐漸擴大，應用效果也越來越明顯。下面簡單介紹一下乒乓球運行速度、旋轉和與球板碰撞檢測等方面的研究成果。
速度、旋轉是乒乓球兩個最基本的運動狀態，亦是乒乓球運動的重要制勝因素，1984年5月，國家體科所與電子工業部12所共同研制成功的“pd-l型乒乓球動態測轉儀”具有劃時代的意義［6］。但因受到檢測儀器性能特點的限制，測試對象必須到放置該儀器的房間內進行測試，所以無法檢測運動員在實際比賽中擊球的旋轉和速度。目前國內外乒乓球器材廠家對所生產的器材檢測方法和技術不盡相同，沒有形成標準，國際乒聯也沒有頒布相應的技術標準和解決方案［7］。所以，乒乓球行為檢測研究具有現實意義。
由于普通的25幀視頻圖像無法記錄實戰中乒乓球飛行速度、旋轉的全過程，所以該項研究的主要內容和關鍵技術為：
1) 基于高速攝像的采集技術研究。要提高采集精度，高速攝像是首選技術，這里包括如何根據乒乓球的品牌、顏色和光照度設置圖像的分辨率。
2) 數字圖像的傳輸技術研究。對高速攝像機拍攝的視頻圖像需要傳輸到計算機內保存，由于高速攝像機拍攝圖像的容量非常大，每秒種可以達到1000幀以上，所以如何選擇、傳輸樣本圖像需要精心地設計，否則將直接影響檢測的實效性。
3) 基于數字圖像的乒乓球旋轉和速度檢測算法研究。乒乓球檢測是一種小目標檢測問題，其檢測方法和檢測效果有較大的挑戰性。研究中在一些常規的檢測方法中找到適合本課題研究的方法和技術。研究中檢測算法的效能（處理速度、檢測效果）是研究重點。
針對上述研究問題，我們采用了如下解決方案。
4) 高速攝像的采集技術研究。采用CPL MS系列高速攝像設備，以天津729乒乓球器材廠生產的器材為檢測對象，在北京體育大學等單位進行實地拍攝，拍攝中測定了采集方案的可行性，從檢測技術角度給出圖像采集的各項參數區間，同時也為后續的檢測工作收集素材。
5) 數字圖像的傳輸技術研究。采用CPL MS系列高速攝像設備的配套軟件，對數字圖像的傳輸技術研究。分析圖像傳輸和存儲的時間和容量需求，包括不同格式圖像的時空指標；比照乒乓球比賽中一次對決中的實際發生平均時間，確定傳輸的最大延遲和檢測時間最佳區間；根據上述實際測定的指標，開發（或二次開發）達到最佳傳輸和存儲區間的軟件系統。
6) 基于數字圖像的乒乓球旋轉和速度檢測算法研究。首先確定背景圖片，然后利用靜態檢測法檢測出球臺和球體，再把球體作為背景檢測球體上的標牌，通過分析標牌的位移變化計算乒乓球的旋轉強度；速度檢測的技術路線為：首先確定背景圖片，然后檢測出球網的網帶作為參照物，再利用靜態方法檢測出球體，通過比較系列圖片中球體與參照物的變化情況計算球的速度。
采用上述研究方案得到檢測結果的技術指標如下：
1) 能夠對高水平乒乓球比賽中典型的技術動作，如弧圈球、發球等，所產生的球體運行速度和旋轉強度進行檢測，并給出強度值。檢測精度誤差控制在±0.1，檢測成功率控制在90%以上。
2) 能夠實現實時檢測，在圖像拍攝速度與傳輸速度一定的情況，檢測時間控制在1分鐘之內，做到基本上與實際比賽中一次對決的時間相匹配。
3) 能夠實現各種品牌的乒乓球進行檢測，包括不同顏色乒乓球的檢測；對比賽場地沒有明顯限制，符合國際乒聯標準的場地和器材都可以進行檢測。
國內目前還沒有同類產品見報，所以本課題的研究成果一經研究成功即可申報新型發明專利，同時也可以申報行業技術標準核規范。本課題研究成果可以在國、內外各級運動隊使用，也可以在國內外體育院校乒乓球專業的教學與科研中使用。
3總結
以上分兩個專題，綜述了體育計算的研究現狀、需要解決的實際問題以及解決這些問題的方法和思路；又介紹了作者本人在2005年的部分研究工作。為進一步開展該領域的研究提供了參考性建議?！绑w育計算”一詞在本文中首次提出，是筆者的個人意見，但作為一個迅速發展的計算機應用研究領域，強調其研究領域的特殊性有其必要求。2008年奧運會將在北京召開，深入開展該領域的研究有一定的現實意義。
體育計算涉及到體育科研的方方面面。由于篇幅有限，本文僅介紹了小部分研究工作和成果，更多的課題等待有識之士去研究與挖掘。相信在不久的將來，體育計算的研究成果將會被更多一線教練員采用，進一步提高體育競技水平整體水平。
參考文獻：
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［5］ 王兆琪，等.面向體育訓練的三維人體仿真與視頻分析，http:://省略.
