張義賓　秦金亮

【摘要】光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)是現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的主要手段之一，這一技術(shù)具有運(yùn)動(dòng)受限較小、采樣速率較高、系統(tǒng)擴(kuò)充成本低、采集數(shù)據(jù)類型豐富等優(yōu)勢。本文主要介紹這一技術(shù)的原理、特點(diǎn)、流程、數(shù)據(jù)分析方法及其在幼兒伸夠抓握、工具使用、投擲以及步態(tài)分析等動(dòng)作研究領(lǐng)域的應(yīng)用，并分析了應(yīng)用這一技術(shù)進(jìn)行幼兒動(dòng)作研究時(shí)需注意的若干問題。

【關(guān)鍵詞】光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)；幼兒；動(dòng)作

【中圖分類號】G610 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1004-4604（2015）05-0043-04

運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)是指在一定空間范圍內(nèi)，通過對特殊標(biāo)記點(diǎn)的跟蹤來捕捉記錄物體或人體的運(yùn)動(dòng)信息，然后將其轉(zhuǎn)換為可運(yùn)用數(shù)學(xué)方式進(jìn)行表達(dá)的運(yùn)動(dòng)的過程。〔1〕這是現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的主要手段之一。該技術(shù)源自20世紀(jì)七八十年代生物力學(xué)領(lǐng)域中的攝影測量分析技術(shù)，現(xiàn)已拓展至軍事、娛樂、體育、醫(yī)學(xué)以及計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器人學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。〔2〕根據(jù)不同的工作原理，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)可以分為光學(xué)式、機(jī)械式、電磁式、聲學(xué)式及基于視頻序列的捕捉式等5種類型，其中光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)應(yīng)用最為普遍。光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)作為生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用的研究手段，受到國內(nèi)外研究者的青睞，例如明尼蘇達(dá)大學(xué)（University of Minnesota）、杜蘭大學(xué)（Tulane University）、上海體育學(xué)院、北京體育大學(xué)等都已經(jīng)運(yùn)用這一技術(shù)開展了相關(guān)研究。本文主要介紹光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的原理、特點(diǎn)、流程、數(shù)據(jù)分析方法及其在幼兒運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用。

一、光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的原理及特點(diǎn)

1.光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的原理

光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)通過對目標(biāo)上特定光點(diǎn)的監(jiān)視和跟蹤來完成運(yùn)動(dòng)捕捉任務(wù)。目前常見的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉大多基于計(jì)算機(jī)視覺原理。從理論上說，對于空間中的一個(gè)點(diǎn)，只要它能同時(shí)為兩部攝像機(jī)所見，即可根據(jù)同一時(shí)刻兩部攝像機(jī)所拍攝的圖像和相機(jī)參數(shù)，確定這一時(shí)刻該點(diǎn)在空間中的位置。當(dāng)攝像機(jī)以足夠高的速度連續(xù)拍攝時(shí)，從圖像序列中就可以得到該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

典型的光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)通常使用6～8臺攝像機(jī)環(huán)繞拍攝場地排列，這些攝像機(jī)的視野重疊區(qū)域就是被試運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)作范圍。在進(jìn)行光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉時(shí)，研究者需要在被試身體的關(guān)鍵部位，如關(guān)節(jié)、髖部、肘、腕、手指等位置貼上一些特制的標(biāo)記（marker），攝像系統(tǒng)將識別和處理這些標(biāo)記。全部攝像機(jī)都連接到同步幀緩沖器（synchronized frame buffer）上，最終由計(jì)算機(jī)確定發(fā)光點(diǎn)坐標(biāo)定位。這些數(shù)據(jù)往往通過反向運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)（inverse kinematics system）被模擬成骨骼模型。為了得到準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)軌跡，攝像機(jī)通常有較高的拍攝速度，一般要達(dá)到每秒60幀以上。

一個(gè)典型的光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)一般包括：（1）傳感器。這是固定在運(yùn)動(dòng)物體特定部位的跟蹤裝置，它將向信號捕捉設(shè)備提供物體運(yùn)動(dòng)的位置信息。（2）信號捕捉設(shè)備。這是負(fù)責(zé)捕捉位置信號的設(shè)備，通常是高分辨率紅外攝像機(jī)。（3）數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。這是負(fù)責(zé)將大量運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)從信號捕捉設(shè)備迅速、準(zhǔn)確地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備。（4）數(shù)據(jù)處理設(shè)備。這是對信號捕捉設(shè)備捕捉到的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正、處理，然后與三維模型結(jié)合，從而完成數(shù)據(jù)處理的設(shè)備。這需要數(shù)據(jù)處理硬件和軟件設(shè)備一起來完成?！?〕

2.光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的特點(diǎn)

第一，光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)具有“無電纜”“不受機(jī)械裝置限制”等特點(diǎn)，可以為被試提供較大的動(dòng)作自由度，使用也更方便。第二，與其他類型的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)相比，光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)采樣速率較高，可以滿足多數(shù)高速運(yùn)動(dòng)測量的需要?！?〕第三，光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)中使用的標(biāo)記成本較低，并便于系統(tǒng)擴(kuò)充。第四，采集數(shù)據(jù)類型豐富，可以捕捉運(yùn)動(dòng)位置、速度、加速度、反應(yīng)時(shí)、距離、力、力矩、爆發(fā)力、屈曲-伸展、內(nèi)收-外展、旋轉(zhuǎn)等信息，數(shù)據(jù)更加真實(shí)、豐富。第五，光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的軟件具有可拓展性，可以兼容或集成其他軟件，實(shí)現(xiàn)多指標(biāo)、多角度同步測量。

二、光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉的流程及數(shù)據(jù)分析

光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的流程相對固定。第一步，標(biāo)定系統(tǒng)，包括安裝系統(tǒng)、將鏡頭調(diào)試到合適位置、調(diào)試面板等。目前大多數(shù)的光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)是采用由2～3個(gè)彼此垂直的平面組成的標(biāo)定體進(jìn)行標(biāo)定的。第二步，給被試貼好標(biāo)記。這需要研究者對人體骨骼有足夠的了解，能根據(jù)各個(gè)關(guān)節(jié)的自由度來調(diào)整標(biāo)記的個(gè)數(shù)。最后，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡的捕捉，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析。一般情況下，為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，需要被試多次連續(xù)不間斷地完成某項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，由研究者截取其中的連續(xù)片段進(jìn)行分析。這樣做，可以在較大程度上減少被試由于緊張可能造成的開始階段數(shù)據(jù)誤差較大的情況，從而有效提高生態(tài)效度。

光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)可以捕捉人體（也包括訓(xùn)練器械）運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以以Excel或TXT文檔的形式輸出，以便導(dǎo)入到SPSS或Matlab軟件進(jìn)行后期處理與分析。研究者可以對不同的數(shù)據(jù)之間的差異性和相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)。一般分析步驟為：第一步，對個(gè)體的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)根據(jù)分析的起始點(diǎn)進(jìn)行分段，每段數(shù)據(jù)包括前半段（啟動(dòng)階段）和后半段（完成階段），當(dāng)然也可以對完整動(dòng)作進(jìn)行分析。第二步，對運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)的噪聲，以二次曲線適配（y=a+bx+c^2）方式加以去除。〔5〕第三步，對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析或差異性檢驗(yàn)。

為有效解決動(dòng)作協(xié)調(diào)控制問題，可對所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。具體來說，利用主成分分析縮減量的特性，經(jīng)由對肢段變量在成分間的轉(zhuǎn)移或是成分矩陣內(nèi)容的改變的分析，找出不同落點(diǎn)之間動(dòng)作的差異所在。當(dāng)然這種對差異的篩選只是對動(dòng)作整體的“面”的分析，要獲取“點(diǎn)”的分析，還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行相對相位分析?！?〕研究者還可以利用自己建立的發(fā)展模型，測查動(dòng)作發(fā)展數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

三、光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在幼兒動(dòng)作研究中的應(yīng)用

1.伸夠抓握研究

伸夠抓握物體的動(dòng)作包括三個(gè)步驟：先將手臂從起始位置移動(dòng)到靠近物體的位置，然后調(diào)整手的姿勢以便于抓握物體，最后實(shí)施對物體的抓握操作。Gesell〔7〕和Halverson〔8〕最早開始對年幼兒童的伸夠抓握發(fā)展進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，但受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，Gesell等研究者只能通過相機(jī)來記錄兒童的動(dòng)作，然后運(yùn)用發(fā)生學(xué)原理來解釋動(dòng)作的發(fā)展情況。光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展大大提高了幼兒動(dòng)作研究的可信度。

Foroud和Whishaw運(yùn)用光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)，探索了幼兒在視覺引導(dǎo)的伸夠中是如何使用并整合肘部、近端肢段、遠(yuǎn)端肢段等部位作用的問題?！?〕他們通過對4名7～40周嬰兒的縱向追蹤，發(fā)現(xiàn)嬰兒最初的前伸夠階段與口、肢體和手的運(yùn)動(dòng)激活相關(guān)。隨著嬰兒的成長，其伸夠動(dòng)作表現(xiàn)出對頭、軀干和張嘴動(dòng)作的控制。最后，嬰兒肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)逐漸讓位于上肢動(dòng)作的調(diào)整。

Sacrey、Karl和Whishaw則對8名6～12個(gè)月大的嬰兒和8名成人夠取熟悉物體或者食物時(shí)的動(dòng)作進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析?！?0〕研究發(fā)現(xiàn)，伸夠動(dòng)作的成熟分三個(gè)階段。第一階段，未伸夠到物體時(shí)，已經(jīng)將手張開或收縮，以做好動(dòng)作準(zhǔn)備。第二階段，為了將手收回，直接的收回動(dòng)作會(huì)逐漸成熟為與反掌姿勢有關(guān)。第三階段，與旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的成熟相關(guān)，錯(cuò)誤的或者隨機(jī)的手部移動(dòng)和收回動(dòng)作會(huì)發(fā)展成為對手-物體和物體-嘴部動(dòng)作的準(zhǔn)確定位。嬰兒的動(dòng)作發(fā)展存在雙手伸夠削減和右手單手伸夠增加的現(xiàn)象。研究者認(rèn)為，伸夠動(dòng)作的成熟過程包含了手的旋轉(zhuǎn)和提前張開的發(fā)展過程，這得益于對優(yōu)勢手的視覺、身體感覺的引導(dǎo)。

2.工具使用研究

早期兒童的自發(fā)動(dòng)作（反射動(dòng)作與刻板動(dòng)作）是近年來動(dòng)作研究關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。反射動(dòng)作與刻板動(dòng)作變異性大的特點(diǎn)是對幼兒動(dòng)作研究者的一項(xiàng)大挑戰(zhàn)，而光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)以“采樣速率高”“無電纜約束”等特點(diǎn)解決了這一問題。目前，Kahrs等人對嬰兒敲擊木塊或帶柄木制品時(shí)的動(dòng)作進(jìn)行了捕捉與分析，發(fā)現(xiàn)手部敲擊動(dòng)作在嬰兒出生后半歲到1歲的時(shí)間里發(fā)生了很大變化：敲擊動(dòng)作更加符合使用敲擊式工具的特征，而手部的動(dòng)作也伴隨嬰兒年齡的增加逐漸變得穩(wěn)定。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，嬰兒在敲擊物體時(shí)手運(yùn)動(dòng)峰值速度的變異性在逐漸縮小，這使得嬰兒能夠準(zhǔn)確、可信地預(yù)測自己動(dòng)作行為的結(jié)果，從而增強(qiáng)了對動(dòng)作的控制力度。此外，嬰兒敲擊時(shí)的垂直軌跡也隨著年齡的增長變得更加直接。嬰兒通過不斷上下移動(dòng)自己的手（刻板動(dòng)作），改進(jìn)了使用工具進(jìn)行敲擊的動(dòng)作，而更加平滑的垂直軌跡使得嬰兒在敲擊物體時(shí)減少了側(cè)敲（比如沒有敲中物體）情況的發(fā)生。〔11〕這些研究為早期兒童自發(fā)動(dòng)作，如刻板動(dòng)作對后期動(dòng)作發(fā)展的重要性，提供了事實(shí)依據(jù)。

3.投擲研究

投擲是學(xué)前兒童的一項(xiàng)重要?jiǎng)幼骷寄?。運(yùn)用光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)研究幼兒的投擲運(yùn)動(dòng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)面向高目標(biāo)（超過視線水平高度）鐵環(huán)投擲時(shí)，幼兒肱骨角度的分散程度較大，而面向低目標(biāo)（低于視線水平高度）鐵環(huán)投擲時(shí)，肱骨角度分散程度較小。4歲幼兒投擲時(shí)傾向于把上臂抬得很高，但這種運(yùn)動(dòng)策略對投中目標(biāo)并沒有太大幫助，這是個(gè)體投擲技能不成熟的表現(xiàn)。不過，4歲幼兒并不總是在面向高目標(biāo)鐵環(huán)投擲時(shí)會(huì)產(chǎn)生多余的手臂動(dòng)作，因?yàn)樗麄冇袝r(shí)會(huì)對目標(biāo)高度的變化及時(shí)作出反應(yīng)，表現(xiàn)為在面向高目標(biāo)投擲時(shí)，會(huì)利用工具以創(chuàng)造更高的拋物軌跡?！?2〕因此，從教育學(xué)角度看，針對這一技能進(jìn)行的重復(fù)訓(xùn)練，可能并不會(huì)產(chǎn)生太多的積極學(xué)習(xí)效果。

4.步態(tài)研究

光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)為特殊兒童動(dòng)作訓(xùn)練與康復(fù)提供了支持。研究者通過遍布全身的標(biāo)記，了解腦癱兒童行走時(shí)上肢與下肢的協(xié)調(diào)情況。研究發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)癱瘓的腦癱兒在步態(tài)周期的啟動(dòng)階段表現(xiàn)出“肩關(guān)節(jié)外展、肘關(guān)節(jié)內(nèi)收”的特征，這些特征有利于腦癱兒童在行走時(shí)保持平衡和控制姿勢?！?3〕

除了上述研究外，光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)還廣泛應(yīng)用于其他研究領(lǐng)域，如面部表情、動(dòng)畫制作研究等。由于涉及的研究對象多以成人為主，故此處不作討論。

四、需要注意的問題

光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的發(fā)展，為研究早期兒童動(dòng)作發(fā)展、追蹤兒童動(dòng)作的動(dòng)態(tài)性提供了支持，也為闡釋動(dòng)作之間的關(guān)聯(lián)、動(dòng)作發(fā)生發(fā)展不同時(shí)間段的連續(xù)性等提供了支持。這不僅大大豐富了動(dòng)作研究手段，而且使得研究者對幼兒日常動(dòng)作行為的分析變?yōu)榭赡?，進(jìn)而可為幼兒園教育教學(xué)提供更加細(xì)致的科學(xué)支持。然而，在使用光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)對幼兒的動(dòng)作進(jìn)行研究時(shí)還需要注意以下幾個(gè)問題。

第一，光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的數(shù)據(jù)反映的是幼兒身體關(guān)節(jié)等的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。這些運(yùn)動(dòng)學(xué)特征雖能提供有關(guān)幼兒身體關(guān)節(jié)等協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的信息，但這些信息通常具有表面性，還不足以作為對幼兒動(dòng)作機(jī)制發(fā)展的根本解釋。幼兒動(dòng)作的產(chǎn)生和發(fā)展是肌肉、骨骼、神經(jīng)等協(xié)同作用的結(jié)果。研究者在對運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋時(shí)，需要同時(shí)對產(chǎn)生該動(dòng)作的肌肉、骨骼和神經(jīng)等機(jī)制進(jìn)行同步分析。從技術(shù)角度看，這需要將光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)與肌電、腦電技術(shù)加以結(jié)合，從而多角度、多層次地闡釋幼兒動(dòng)作發(fā)生與發(fā)展的機(jī)制。

第二，光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的使用和數(shù)據(jù)分析需要專業(yè)人員的支持，光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)雖然可以捕捉實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，但后期處理（包括標(biāo)記的識別、跟蹤、空間坐標(biāo)的計(jì)算等）工作量較大，并對場地的光照、反射情況有一定要求，裝置定標(biāo)也較為煩瑣。特別是研究復(fù)雜運(yùn)動(dòng)時(shí)，不同部位的標(biāo)記可能發(fā)生混淆、遮擋等情況，這時(shí)就需要專業(yè)人員及時(shí)加以調(diào)適?！?4〕對缺少相關(guān)知識和技能的幼兒園教師來說，運(yùn)用這一技術(shù)開展相關(guān)研究還是有較大難度的。

第三，光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)原本大多應(yīng)用于競技類運(yùn)動(dòng)研究，近年來才逐漸向兒童發(fā)展研究領(lǐng)域擴(kuò)展。在使用該技術(shù)對幼兒動(dòng)作進(jìn)行研究時(shí)，需充分考慮被試的特殊性（幼兒活潑好動(dòng)、喜好游戲、注意力集中時(shí)間短等），盡量提高該技術(shù)應(yīng)用的趣味性、游戲性等。

作為新技術(shù)，光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的投入較高，但其在兒童研究特別是早期兒童動(dòng)作研究中的應(yīng)用前景是非常廣闊的。相信隨著該技術(shù)在兒童研究領(lǐng)域的普及，人們對幼兒動(dòng)作的研究將會(huì)越來越細(xì)致，可以幫助解決幼兒園教育實(shí)踐中的某些問題。

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【Abstract】Optical motion capture technology is becoming one of the most important research methods for sports biomechanics since this technology has the features of small limitation， high sampling rates， low system costs and more variety of sampling data. This paper introduces the principles， characteristics， data analysis methods of this technology and its application in prehension， tool use， and throwing and gait analysis. Furthermore， the paper points out the key issues of optical motion capture technology.

【Keywords】optical motion capture technology； children； movements