应用于冲浪运动研究的陆上水下双运动捕捉系统

Xsens动作捕捉 2023-05-09 4464

不知不觉，夏天就到了。

如果问人们最具激情的夏日运动是什么，许多人脑中都会浮现出：冲浪！

冲浪运动是运动员站立在冲浪板上，或利用腹板、跪板、充气的橡皮垫、划艇、皮艇等驾驭海浪的一项水上运动。不论采用哪种器材，运动员都要有很高的技巧和平衡能力，同时要善于在风浪中长距离游泳。

2016年，经国际奥委会批准，冲浪运动已正式成为奥运会项目。

跟当今世界上的任何一项竞技体育一样，冲浪也需要通过有效、有针对性的训练去提高冲浪运动员的技术水平，从而提高运动成绩，科学有效的训练可以显著提高运动员的成绩，同时可以降低运动员受伤的概率。

另一方面，脚踏冲浪板，出没在惊涛骇浪之中，即使是熟悉水性，有高超技巧的人，也难免发生危险。随着冲浪运动的发展，冲浪救生活动也在不断发展。

基于此，部分生物力学研究学者将目光投向了这一惊险刺激的运动方式，展开了系列利用科学手段改进冲浪教学和练习的研究课题。

通过生物力学研究冲浪运动的科学方法

葡萄牙波尔图大学生物力学实验室的Marcia Borgonovo教授领导团队开发了关于冲浪生物力学的研究项目，旨在“改进和应用冲浪新技术”。为此，在不同级别的冲浪者身上进行了不同范围的测试，以衡量不同类型的冲浪者应对各种挑战的反应，有了这些数据，冲浪运动的教学和练习就有了更科学的方法。

不仅如此，此团队还利用人体测量学技术和三维运动捕捉技术，专门对冲浪运动中的起乘（pop-up）动作进行了研究。

冲浪起乘指在冲浪板上从俯卧姿势到站立姿势的快速过渡，是一项对冲浪性能至关重要的任务，这个动作也是冲浪者正确执行计划的关键所在。

当然，冲浪起乘对于人体运动系统也是一个非常独特的挑战，因为它必须在移动和不稳定的表面上以足够的力快速执行动作。

其生物力学独特而复杂，掌握冲浪起乘的生物力学知识将有助于为寻求提高冲浪表现的教练和运动员提供有效的信息。这也是这项研究的最初目的。

这是一项探索性和描述性的研究，使用了人体测量学测量和三维运动捕捉技术，并与在标准化实验室条件下从多个力平台获取的地面反作用力同步。

实验步骤

在进行起乘分析之前，先进行了冲浪者的人体测量和身体成分分析，即使用InBody通过多频生物阻抗分析和评估了身体成分，获取了受试者的体重指数(BMI)、骨骼肌质量百分比 (SMM%)、体脂肪量百分比 (BFM%) 和腰臀比 (WHR)。

应用于冲浪运动研究的陆上水下双运动捕捉系统第3张 — 人体成分分析仪InBody

随后使用12台三维运动捕捉系统Qualisys以200Hz的采样频率记录参与者的三维运动数据。Maker点（球形反光标记）通过双面胶带贴在皮肤上，用弹性带固定。全身模型由以下解剖位置的 46 个Marker点组成。

应用于冲浪运动研究的陆上水下双运动捕捉系统第4张 — 全身标记设置：( a ) 前视图、( b ) 后视图和 ( c ) 测力板布置和冲浪板绘图表示

数据处理和分析

QTM（Qualisys Track Manager）软件可以同时同步获取3D运动学和地面反作用力数据，每个反射轨迹标记都使用各自的解剖参考标签进行识别，标记重建准确率达到100%。在此处理之后，数据文件使用公共域二进制文件格式 C3D (Coordinate 3D–http://C3D.org) 导出，该格式将 3D 数据及其相关参数（即 3D 地面反作用力）存储在单个文件中。

Visual 3D软件用于处理来自C3D文件的运动学和地面反作用力数据，并创建出全身生物力学模型，所有身体节段都是根据固定在解剖点上的标记创建的。

应用于冲浪运动研究的陆上水下双运动捕捉系统第5张 — 生物力学分析软件Visual 3D

结论

使用动作捕捉和特殊配置的力平台分析了实验室中冲浪者模拟的冲浪起乘动作，冲浪起乘是三个连续的阶段：俯卧、过渡和伸展。

在俯卧撑阶段，上肢对称动作，产生相当于全身重量的力，开始从俯卧位到站立位的变化。在过渡阶段，大约 57% 的参与者表现出短暂的空中飞行姿态，而 43% 的参与者在整个运动过程中依然保持与模拟板的接触。在伸展阶段，前下肢对冲浪板施加更大的力，大幅度保持较低的俯仰角并减少阻力，因为冲浪者在波浪中加速并开始操纵浪板。

这些数据为冲浪运动的运动分析提供了有效的生物力学数据，教练员可以通过改善起乘技术来提高运动员的冲浪成绩。

波尔图大学生物力学实验室选择的Qualisys高精度陆上水下三维运动捕捉双系统是Qualisys的一个开创性尝试，即将水上镜头和水下镜头相结合，使其成为一个动作捕捉系统，十分适用于水域研究的相关应用，如大型海洋工程和水下生物力学的研究等。下面我们来看看这套水下高精度运动捕捉系统。

研究报告原文：https://www.mdpi.com/1424-8220/21/5/1783/htm

Qualisys陆上水下双运动捕捉系统

Qualisys动作捕捉系统既可以捕捉陆上动作，也可以采集水下动作，更可以陆上水下结合使用。配套的QTM软件具备先进的技术特点，能同时追踪、修复、计算和分析受试对象的运动，且支持流传输到第三方软件，比如生物力学分析常用的Visual3D和动画制作常用的MotionBuilder、Unity、Unreal等。

产品特点