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计算机生物力学在澳大利亚 陈英红 编译 国家体委电子信息中心 |
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陈英红 编译 国家体委电子信息中心 生物力学起源于运动学。运动学是研究运动并应用力学原理修改形体动作的。生物 力学则引入了精确确定形体动作的方法。计算机则提供了定量分析的能力。日益先进的计 算机功能使生物力学也随之不断发展。计算机生物力学开发的工具和程序，能用来非常精 确地分析和评价技术动作。本文主要将介绍计算机生物力学分析的发展，澳大利亚的生物 力学实验室主要情况，以及它是怎样为体育训练提供服务的。 计算机生物力学的发展 ７０年代中期，生物力学分析主要依靠高速摄影机。在对技术动作评价之前，首先将 影片数字化，每次一帧进入计算机进行数据处理。到７０年代末期，生物力学家们认识到 用三维方式来描述人类运动的重要性。在许多运动项目中，良好与精湛动作之间的细微差 别是不能靠简单的二维方式来分辨的。 因此，就需要采集三维数据。将二个或更多的摄影机放在任意位置上，对运动中的目 标进行拍摄，把采集到的数据输入计算机，通过预先编制好的计算机程序获得三维数据。 在采集运动目标数据之前，系统先录制一个标尺，为计算机程序提供协调所有来自摄像机 的数据，并确定运动目标在三维方式中位置所需要的信息。这样，计算机程序就可以应用 直线性换算法得出运动目标的三维方位。 计算机生物力学分析人员从一个单一的技术动作中可以取得相当多的数据，对这些信 息组织、处理和分析后，才能应用于体育运动的技术动作分析。处理和分析的过程通常极 大地依赖于计算机的帮助，因为，把从影片获得的原始数据数字化需要大量的时间，往往 花费几个小时才能数字化几秒钟的动作。 为将这些大量的原始数据变成计算机可以处理的形式，一些提供生物力学分析设备的 厂商作出了很大努力。８０年代，具有数字化能力的高速视频系统的发展令人瞩目。把高 速摄影机提供的慢动作可视记录实时数字化的方法，在某种程度上缓和了生物力学分析中 的一些难题。 比起高速摄影来，高速视频系统的优势就是可立即重放。其主要缺点是，难以从视频 显示器上提取精确的量化信息。目前高速视频系统的产品有ＮＡＣＨＳＶ－２００、滨松 、Ｓｐｉｎ－Ｐｈｙｓｉｃｓ和Ｔｒｉ Ｔｒｏｎｉｃｓ系统。 这些高速视频系统可以直接与计算机相连，通过运动员关节点上的标记实时采集运动 数据，为利用计算机进行动作分析奠定了良好的基础。 新的高速视频系统还在研制中，一旦这些自动数字化系统能提供使用，计算机生物力 学分析人员将立即面对一个挑战，即如何显示和解读系统所采集的庞大运动数据信息量。 这就需要利用高速计算机支持能够实时模拟运动的图形终端。其它的生物力学参数可以叠 加在模型上，用来帮助生物力学分析。 计算机生物力学系统在运动分析中的应用 教练员常常面对的一个问题是，为了改善运动员的技术动作，是否应改变运动员的姿 式。一些失败的例子告诉我们，有时姿式的改变会使动作变得更糟。而当事实证明这种改 变并不成功时，再想改回原动作已不可能了。因此，生物力学家们一个长期的追求目标是 ，使用技术动作的图形模式来做改变姿式的实验。在实际改变运动员的动作之前，用模型 来评改变的结果。这种程序是用复杂的算法来构成模型，用以模拟人体动作。当然，这需 要一个相当长的开发阶段。 ８０年代，计算机生物力学已成功地利用生物反馈系统尝试帮助运动员改进动作。信 息以音频和视觉信号的方式提供，它监视生物力学参数，运动员可以利用这些参数来改进 其动作。已经成功应用这种系统的体育项目有：手枪射击中的稳定性、速降滑雪时减少空 气的阻力、减轻跑鞋的重量、自行车中脚蹬力的适应性。 以前，计算机生物力学总是用于单个技术动作的分析。如今已经有了最新的趋势，即 应用计算机来评价和改进集体配合。美国所进行的、着眼于排球队中攻防打法的研究即是 这方面的一个例子。 比其它因素更直接地影响到技术动作改善的因素是创伤。随着训练负荷的增大，会有 更多的运动员受伤。计算机生物力学分析与医学结合，一起去识别有受伤危险的运动员。 通过测试和勾画，找出有可能受伤的运动员；向他们提出建议，协助修改运动员姿式，防 止这类创伤复发。 在澳大利亚，许多有关体育的计算机生物力学分析是研究生在大学里进行的。８０年 代列入研究的一些课题有： ·用于救生的冲浪板垫料技术的比较分析； ·利用测力平台检测手枪射击的稳定性和为教练员们服务； ·用体育雷达枪检测网球发球速度； ·用光电管描绘出跑步者速度与加速度的测试图； ·用力转换器描绘出桨手力量的测试图； ·用高速摄影机和投影分析仪分析游泳运动员的运动姿式； ·用胶片和数字化设备描绘出体操运动员的重心轨迹，以改进体操技术； ·用测力平台分析捧球投掷、乒乓球和多项飞碟中运动员身体重心的移动； ·对轮椅运动员进行分析和改进他们的设备。 澳大利亚体育学院新的生物力学实验室 澳大利体育学院新的生物力学实验室建于８０年代中期，其目的是为优秀运动员提供 技术动作分析，向教练员提出技术建议，以改进运动员的动作。 新的实验室有大约５５０平方米，包括一条Ｒｅｋａｔａｎ塑胶跑道，实验室场地可 以安装２个大的、２个小的和一个Ｋｉｓｔｔｅｒ透明测力平台，一个固定的、埋入地下 的框架轨道系统上有１００多个位置可供安装平台用。实验室场地上安装好的测力平台， 在测量时显露出来，且与周围的地面一样平整。在透明测力平台上的活动，可以从低于场 地水平面的房间里观察，场地下面建有联接每个测力平台和控制间的通道。 实验室场地包括跳远和三级跳的沙坑，两种跳跃项目的起跳板和三级跳的单脚跳及跨 步跳落地区可由测力平台监测。在跳高和撑竿跳的起跳区可监测位置装置到地面的反作用 力。撑竿跳穴头的外加力可以由安装在穴头下面的测力平台测出。 实验室开发的一角可进行投掷项目的研究，器械从室内一个测力平台区域投掷到室外 田径场。链球、铅球和铁饼的投掷圈位于实验室内，由胶合板构成。在投掷圈与力有关部 分的底下安装了测力平台，以测量投掷中的反作用力，标枪投掷者也可以由同样覆盖在塑 胶跑道下的平台来监测。 在实验室的４００米圆形跑道和１１０米直跑道上，有一段１７米长的跑道上配置了 仪器。可以方便地用测力平台监测通过室内的直跑道和在它上面的起跑器。还有若干测力 平台框架装在实验室内的圆跑道上。 在举重台和女子无篮板篮球投篮区，动作完成情况可以由每区内安装在一起的两个测 力平台来监测。可移动篮板和女子无篮板球的篮筐可用顶部的升降机放置到离传感投篮区 不同距离的位置上。 跳高区有一排测力平台的位置，可以用来测量网球击球动作的有关信息。特别是它可 用于监测发球中的地面反作用力。 一个盛满了泡沫塑料块，尺寸为８×４×２米的大体操坑中，可用于体操运动员落地 训练。体操运动员在安有力转换器的器械上完成动作，这种器械放置在体操坑上。器械可 以装在坑的中心或一端。体操马安装在离坑较远的测力平台上。起跳板也可以安装在测力 平台上。通过这些设备，可以提供有关体操技巧完成情况的生物力学信息数值。 踏车建在实验室里一个凹陷的区域中，用以监测短跑和自行车在平地和坡地上的动作 轨迹。 生物力学部门有二个数字化室、一个暗室、一个控制室、一个为安放未来的高速视频 系统和计算机模拟终端的音频视像室、一个放映室、（用于放映影片和集体讨论）、四个 生物力学技术办公室、二个供生物力学和特别测试用的运动设备大区域。实验室由计算机 和电子车间职员提供技术支持。 这个实验室只是世界上最好的体育生物力学实验室之一。 （计算机世界报 1994年 第10期） |
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