2008年，举世瞩目的第29届奥运会将在我国的首都北京举行。为了举办—届历史上最出色的科技奥运，北京市提出了“数字奥运”的新概念。如何科学地指导、训练运动员成为一个重要的课题。这就需要一套好而实用的运动仿真与分析系统。目前，国内外有一些专业的用于此方面的软件，如：Ariel博士领导开发的艾里尔运动生物力学分析系统，被广泛应用在竞技体育运动和康复医疗等领域；北京爱捷人体信息研究所研究开发的爱捷运动图像图形测量分析仪，被国内多家单位采用。但是，这些软件存在一些问题或缺点： (1) 均未采用适合中国人的模型来计算相关数据，如人体各环节质心、人体重心等； (2) 显示效果一般为简单的线框图，而没有真实的人体模型，不够直观； (3) 重构出的三维模型姿态不可修改编辑； (4) 所采用的框架安装和使用不够方便； (5) 人体关节点的识别完全靠人工，劳动量巨大。 (6) 价格昂贵。 本文立足于中国国情，开发了适合于中国人人体模型的人体运动三维仿真与分析系统。 该系统具有以下特点： (1) 自行设计了安装使用较方便的框架； (2) 第一次采用了中国人的模型来计算相关数据； (3) 图像中框架标识点或人体关节点的计算机自动识别与人工识别相结合； (4) 采用了三维人体模型来渲染显示出逼真效果； (5) 人体姿态可人工修改编辑。 该系统以两台普通家用摄像机作为输入设备，通过两个不同角度拍摄的真实人体动作的视频图像，生成逼真的三维人体模型的动作序列。具体工作如下： 首先要对图像中人体标记点进行识别。由于人工识别标记点劳动繁重，我们采用计算机自动识别，此部分由我的同门正在研究；而我的论文中对已经标识出的关节点的图像可进行快速识别，而且可以人工修正。对于没有标识过的图像，本文采用以人体线框为参照、随意拖拽关节点的人工识别方式。国内外同类软件基本上采用的是人工点取关节点，如：艾里尔运动生物力学分析系统需要按照特定顺序来点取，并且对点取完的图片不可返回修改；爱捷运动图像图形测量分析仪则需要人工一次性对所有图片先点取某一关节点，然后再对所有图片点耿下一关节点，以此类推，直至点完所有关节点。据使用本软件用户反应，点取一个几秒的立定跳远的动作就要花费数小时。本文为方便人工点取关节点，建立了默认人体线框，用户可以拖动任意一个关节点到图片的任意位置来定位其二维坐标，对点取完的图片可以返回重新修改，而且可以随时保存，以便下次继续点取。对于框架标识点的识别，本文也采用了同样的技术。 基于识别出的框架标识点的二维坐标和直接线性变换(DLT)算法，我们可以计算出每台摄像机的参数。然后根据这些参数和识别出的人体关节点的二维坐标，再次使用DLT算法，计算出了人体各关节点的三维坐标。将这些三维坐标点进行相应的连接就可渲染出人体姿态的线框图，这也是国内外大多软件达到的最终效果。为了更加直观和方便人体姿态的人工修改，本文进行了更深入的研究，建立了人体实体模型和逼真的人体骨架模型，并根据各关节点的三维坐标计算出了人体各环节之间的夹角和旋转轴，然后将之作用于三维人体模型生成相应的姿态。人体运动三维仿真与分析系统 为方便用户对模型的动作进行修改，本文建立了人体模型的关键链结构和各环节之间的父子关系，使得模型每个环节都可以按照用户要求，绕其自身坐标系的x、y或Z轴作任意角度旋转，并且父环节旋转可以带动子环节随其旋转，而子环节的旋转并不影响父环节。这是其他国内外同类软件还未实现的。更进一步的动作编辑的研究正在由我的同门在做。 我们在每帧的人体姿态识别过程中，已经将每帧人体关节点的三维坐标保存到关键帧信息中;根据这些三维坐标逐帧渲染出模型的人体姿态，就生成了模型运动的动画。本文基于OpenGL技术，采用实时渲染的方法，给动画增加了播放、暂停、跳到前一帧、跳到下一帧、跳到首帧、跳到末帧和360度三维观看场景的功能，用户还可以将镜头拉近、拉远或从任意观察点观看。 本系统国内第一次采用了中国人人体模型，对各项运动数据进行了计算，如:各环节速度、质心等，并以表格的方式输出显示，方便用户对每一帧的数据进行观察、对比和保存。 为方便用户对运动员每一帧动作进行对比，本系统增加了轨迹显示的功能:用户可以选择显示任意关节点的运动轨迹和人体轨迹的间隔帧数和距离，并且可以三维观看。系统对生成的动作序列可以随时播放、暂停、旋转观看。由于系统采用了实时渲染，在播放过程中，用户都可以将镜头拉进、拉远、旋转，非常方便。