针对体育运动的3D动作捕捉系统的购买指南 Xsens动作捕捉 2022-12-07 18005 近年来，动作捕捉在消费、医疗、工业等不同级别的产品数量都在不断增加，体育专业人士必须紧跟最新的产品和最前沿的应用实践。动作捕捉在运动和医疗健康行业的应用近年一直在增长，特别是在专业竞技和康复治疗领域。随着技术从研究机构逐渐延伸至临床和商业培训领域，如何利用这些专业数据助力商业决策和行业扩展面临进一步挑战。在本文中，我们着眼于国内外动作捕捉系统中的一些最新产品，并展示了这一特定技术的优势和局限性，以及最佳的产品选择。什么是3D动作捕捉？动作捕捉是一个非常宽松的术语。但是，它通常是指在三个维度上对人体运动数据进行记录。现在，IMU传感器已经进入市场，带陀螺仪的加速度计看起来就像是真正的动作捕捉，但是用几个传感器测量运动与捕捉实际运动中的身体之间是有区别的。提到“动作捕捉”时，大多数读者会在身体上构想出反射性标记，从而在三个维度上将运动员数字化，但了解构成真正3D记录的数据内容极其重要。小型传感器确实具有收集方向数据的能力，但是除非将其收集到整个身体，否则这些系统仅仅能够视为动作传感器，而非真正的“动作捕捉”。真正的3D运动捕捉系统的标准如下：创建完整和完全真实的全身运动数据记录。提供参考点的解剖学方向。需要直接记录三个维度的数据。能够以高频率收集弹道活动。从此列表中可以看出，除非满足所有要求，否则很容易将原始的和脱离上下文的单个传感器记录混淆为动作捕捉。动作捕捉如果采用IMU惯性传感器技术可以从计算中创建动作捕获数据，但又增加了测量身体运动数据的难度挑战。如果是无标记相机（例如Microsoft Kinect设备）一般采用红外激光和相机来创建三个维度的深度，但是这些系统在体育领域的应用均存在一些局限性。动作捕捉如何工作？动作捕捉的工作一部分是标记和跟踪身体运动，另一部分是将该信息转换为对影视、体育和医疗行业中的研究和应用都有价值的数据。动作捕捉用户需要的细节和精确度决定了如何收集数据，因为每个系统都具有信息的准确性和灵活性方面的能力制约。一些动作捕捉系统设计用于室内使用，少数仅具有有限的室外功能。捕获全身运动要求系统一般在受控的环境中运行，以使其可以稳定运行以正确收集数据。动作捕捉系统存在两个明确的硬件选项：标记器或光学系统以及无标记器解决方案。可以使用视频进行动作捕捉，但是大多数研究级系统更喜欢使用红外摄像头和反射标记。一些不那么精确的系统正变得越来越流行，因为它们价格低廉并且可以解决一些简单的问题，例如在跑台上利用摄像头进行跑步分析。这些新的，精度较差的系统现在仅占运动捕捉市场的一小部分。目前我们需要更为精准、性价比更高的解决方案来将体育市场进一步商业化，IMU惯性解决方案在精准度和性价比两个维度看来是更好的选择。通常带有IMU惯性传感器的可穿戴紧身衣由于其便携性而变得越来越流行，但它们普遍被视为临床选择。高性能的动作捕捉系统是如此出色，以至于他们可以看到面部表情和手指的细微动作，例如弹钢琴的手的动作变化。在不过度简化过程的情况下，动作捕捉开始于记录来自摄像机和贴有标签的身体部位的运动，或者通过使用更多有限的摄像机和IMU传感器来估算运动变化。捕获数据后，将执行其他过滤和计算以清理数据并确保运动伪像不会产生虚假报告。反射标记会按照特定的指导原则放置在人体上，以确保数据的准确性和精确性，由于肌肉和皮肤可以高速移动，这给数据质量带来了挑战。选择解剖学界标是因为其可靠性和它们在连接关节运动中的价值。无标记系统需要根据实际场景进行适当的摄像机设置，因为大多数系统着眼于定位静止的运动，例如就位行走，上下蹲以及执行其他基本功能。最后一步是获取数据并将其转换为报表，或者将其转换为动画或仿真模拟。除了动作捕捉所收集的数据外，一些公司还创建了使用户能够组合多个数据集（例如测力板和EMG读数）的解决方案。过去几年中，大多数研发都集中在光学系统的软件领域以及无标记和IMU解决方案的硬件领域。所有类型的解决方案都需要大量的数据平滑和清理工作，但是与光学选件相比，IMU通常需要做更多的工作。动作捕捉硬件的不同应用方向在大多数情况下，动作捕捉硬件是专为研究或非常先进的临床需求而设计的。视频分析作为教练的生物反馈训练项目已经非常普遍。光学市场（也称为基于相机的系统）倾向于项目研究，而IMU传感器市场则倾向于以临床和运动性能为导向的体育和医疗行业的应用级市场。例如，Motus为投掷运动员（例如投球（棒球），保龄球（板球）和传球（美式足球）的运动员）提供了单个传感器产品。尽管该系统捕获肘部附近的运动，但主要是一种计算，因为在其他数据集（例如躯干和腿）不可用时做出了许多假设。出于多种原因，我们不应该将传统视频（即使使用多台摄像机）作为运动捕捉的产品。运动捕捉的最明显的价值在于，技术可以自动分析数据，而无需软件用户手动进行分析。某些视频系统会自动执行运动捕捉等视频，对一系列摄像机进行数字化处理以计算运动变化，但是这种技术的问题在于照明限制和其他视觉数据因素会限制高精度要求。直接标记的数据则更为稳定，也有更可靠历史记录，但是由于直接标记操作太复杂不太切合实际应用。标记通常是像小球一样的附件，大小类似于弹珠或运动员佩戴的反光圈。一些系统使用类似包裹物的附件，例如运动带和绑带，而某些系统为参加训练的用户提供特定紧身衣。无标记摄像机仅使用硬件来捕获视频，但它们提供的数据信息少得多，并且要求硬件与用户的距离非常近，例如几英尺远。这些系统目前无法评估运动速度很快或要求高排量的运动。图像1.反射标记是都在捕捉技术的基础，即使使用新技术也是如此，因为反射精度对于研究级数据是必需的。IMU系统不需要标记，已经可以应用于运动员做研究或日常训练使用。某些系统提供了同步硬件和其他工具，以供高级研究或特定需求使用，例如水下摄影和远程捕获。除摄像头和标记器之外的大多数设备都旨在帮助触发其他传感器的启动和停止，例如测力板，EMG和鞋内压力板。一些系统包括虚拟现实耳机或连接到这些设备的方式，但是大多数附件都是简单的电缆连接等基本设置。了解动作捕捉软件大多数用户选择动作捕捉的软件功能都有两个目的：将运动数据转换为动画，以用于科学重放或娱乐用途。几乎所有公司都提供重播选项，并且某些软件使观看者可以选择透视图和动画样式，例如线条（简笔画），骨架或人物。先进的软件可以单独测量非常精确的运动，也可以根据分析方法的最佳应用创建报告。用于体育运动的动作捕捉软件的目标是显示运动而无视觉碎片。 像视频一样，动作捕捉有助于连接其他视觉效果较差的数据集，例如EMG和力分析。研究人员可以看到运动和肌肉募集之间的关系，以及必要时地面反作用力。有时，带有动作捕捉的运动实际上并没有进行测量，因为用户只希望定性视图与量化的测量（例如来自传感器的动力学数据）同步。有时使用动作捕捉软件执行手动分析，尤其是在周期性运动的研究中。耐力运动-通常是周期性的运动，例如跑步-通常进行平均或统计地评估重复运动，以深入了解生物力学故障或可能的技术错误。软件平台的范围包括从非常昂贵的套件到简化的3D播放器。某些软件平台只是文件管理器，因为硬件提供商的期望是平台市场将允许对模拟数据进行分析。因此，他们减少了软件开发，只专注于硬件。单硬件和单软件的产品很少，但是存在一些只提供其中之一的小公司。动作捕捉在体育运动中的最佳应用从业人员经常使用动作捕捉解决方案从各个角度观察身体的功能并提取关节角度。在体育行业的那些人，例如生物力学家，想要数据来研究运动员的运动方式，而医学专家则想看看为什么有些运动员首先受到伤害。运动医学领域对受伤之前，期间和之后的功能障碍恢复感兴趣，并且体能监测需要了解使运动员在运动方面取得成功的重要影响因素。我们观察到的一般模式是，当身体基线数据下降时，会出现性能下降和受伤风险增加，教练和医疗专业人员有时会使用动作捕捉技术来分析重要或复杂的运动伤害，降低受伤风险，提升身体能力和运动水平。最常见的动作捕捉用途是步态分析。尽管其他运动在体育运动中也很重要，但是几乎所有基于陆地的运动都会包括某种跑步运动，无论是短跑，慢跑还是步行。一些康复和运动医学诊所已经为受伤的运动员在再培训计划上花费了大量资源，有一些康复机构使用运动捕捉分析来进行品牌或机构营销，但是目前越来越多的康复和体育训练机构将其作为基于干预的真正有治疗效果的康复测评解决方案。以往的动作捕捉系统设备庞大，不适合团体使用，新一代的IMU动作捕捉技术已经可以提供即时反馈解决方案，而且占地更小，在成本降低的基础上拥有更高的精准度，适合大规模铺设。较小的应用程序（例如单个IMU传感器解决方案）可以有效利用智能设备进行生物反馈。但是，由于图片不完整，它不是真正的运动捕捉，因此您不应将其与完整的分析相混淆。像视频分析一样，让运动员有机会以不同的速度和视角在屏幕上看到自己是非常宝贵的。大多数从事奥林匹克运动的精英运动员最终用到某种形式的动作捕捉，这已日渐成为体育分析和训练的基础工作。动作捕捉技术中的佼佼者国内外有超过二十多家专业的动作捕捉系统供应商，许多解决方案在为医院和运动机构增加价值方面非常出色且有效。我们没有将C-Motion等几家公司列入本评估之内。这不是因为它们不值得列出，而是因为由于权限等原因，我们没有办法深入了解市场上的所有产品。Qualisys：总部位于瑞典的Qualisys是美国以外为数不多的公司之一，为运动和动画等工程领域以外的众多需求提供解决方案。他们专注于虚拟现实市场，并提供可满足水下需求的解决方案。该公司的优势之一是将其产品与其他系统（测力板）以及诸如MATLAB和LabVIEW之类的软件集成在一起。他们具有创新精神，并通过提供3-D播放器以及用于简单记录的触发器应用程序迅速应用于智能手机市场。Vicon：这家英国公司在光学相机系统方面实力非凡，但他们最近通过收购IMeasureU承担了风险，IMeasureU是一家来自新西兰的初创公司，为运动员提供单个IMU传感器选项。Vicon的大部分经验是体育运动和临床科学，但在娱乐方面也很成功。像许多运动捕捉公司一样，它们在娱乐和工程领域都有着吸引力。运动科学领域的顶尖生物力学家和专家都使用Vicon来量化与运动员和患者的工作量。Motion Analysis：Motion Analysis来自加利福尼亚州圣罗莎市，是第一家提供强大的无噪声解决方案的公司，并于1980年代初开始运营。关于棒球的许多开创性研究都是从这家公司开始的，并且已经扩展到其他市场，例如视频游戏，动画，工程技术甚至广播。该公司由于在运动相机和软件方面的广泛开发而在体育界享有盛誉，并且数百篇研究论文将其系统纳入了材料部分。Xsens：Xsens是可穿戴运动捕捉的先驱，是基于IMU的运动分析选件的领导者之一。Xsens是一家荷兰公司，但由于它们也位于洛杉矶，因此在美国拥有强大的业务。他们的解决方案从体育到农业，不仅仅只是一家寻求帮助步态分析和研究的公司。它们与工程市场有着极为紧密的联系，在生物科学和体育运动之外具有许多应用。他们系统的优势在于您可以实时使用它，也可以在实际环境中（例如制造和户外）使用它。OptiTrack：运动捕捉的另一个领导者，OptiTrack提供传统的光学解决方案以及新兴的无标记解决方案。OptiTrack在动画，运动科学，虚拟现实和机器人技术领域处于领先地位。他们是一家国际公司，提供自己的专有软件以及软件开发工具包（SDK）。他们还提供其他插件和工具来帮助同步测力板和其他数据集。OptiTrack提供了一项验证研究，表明它对于研究和临床市场都是可行的解决方案。赛博康复“小白盒”：赛博飞特信息技术（北京）有限公司作为国内专注于人体运动功能分析和服务的商业公司，专注于人体步态、平衡、关节活动度、足底压力、动作模式等运动功能链分析、可穿戴设备以及康复中心管理系统的设计与开发。通过一套小型智能康复评估系统，能够快速测评步态、平衡、跳跃、关节灵活性、力量等运动表现能力，为物理治疗师、私人教练、竞技体育教练员或体能教练制定康复和训练计划提供定量、客观、科学的数据支持。NDI：NDI虽然不是运动表现动作捕捉产品，但却是技术如何最大限度地提高精度的一个很好的例子。NDI被称为医疗解决方案，特别是手术和医院护理，可同时提供光学和电磁跟踪。但是，NDI不仅适用于医院，因为它们还提供军事解决方案以及人体动作的动作捕捉。NDI是一家加拿大公司，并拥有多项专利和创新奖。Phoenix Technologies，Inc .：这家加拿大公司在机器人技术和其他技术市场（包括太空和工业应用）中非常强大。该公司专注于便携式相机和无线传感器解决方案，并且都能满足运动和临床需求。该产品的优势之一是其超快的采样率和精度；这些功能可以解释为什么Phoenix拥有航空航天客户，例如国际空间站和NASA。尽管它们具有本机软件，但它们可以与第三方选件集成，也可以与其他平台集成。myoMOTION：Noraxon的产品myoMOTION具有多个数据集中最令人惊叹的视觉显示之一，并且以其EMG系统和基于IMU的可穿戴式运动捕捉系统而闻名。Noraxon位于亚利桑那州，过去的大部分时间都与EMG有关。几年前，Noraxon采取了一项战略性举措，将更多的数据与其他传感器集成在一起，例如力分析和运动捕捉。Noraxon软件可以创建报告，并且可以将其导出到第三方解决方案以进行研究和数据挖掘。DARI Motion：位于堪萨斯州的DARI最初专注于体育运动和高端性能，现已扩展到公司的健康，军事和生物力学研究。DARI可在完全无标记的光学系统中提供经过验证的运动学和动力学运动分析以及深厚的生物力学见解-无需传感器，无需标记，没有特殊的装备并且不需要测力板。它的报告输出可提供各种复杂的数据，从简单的个性化报告到对基础生物力学的深入了解。所有这些公司提高的解决方案都有一定的差异化，运动捕捉在不断发展，解决方案每年都在进步，具备的创新性技术大大的方便了医生、治疗师、教练和运动员进行身体测评和分析。大多数动作捕捉系统的成本并不便宜，一个完整的实验室的预算平均要超过六位数。大多数供应商都有销售部门，您可以与之交谈，如果他们在您所在的地区，相关代理商将提供产品演示。智能康复评估系统：步态分析、平衡测评 、关节活动度测评、足底压力测试等运动康复测评产品合作与分销，请联系小编 关注我们，分享这篇文章，并将朋友圈截图发给小编就会得到精美电子书哦 The End 标签：动作捕捉动作捕捉系统
