TWI396110B

TWI396110B - From the plane image of the establishment of three human space center of gravity and computer program products

Info

Publication number: TWI396110B
Application number: TW98120408A
Authority: TW
Original assignee: Nat Univ Chin Yi Technology
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2013-05-11
Also published as: TW201101074A

Description

由平面影像建立三度空間人體重心之方法及電腦程式產品

本發明是有關於一種人體的重心計算方法，特別是指一種將平面影像轉換為三度空間之人體重心計算方法。

參閱圖1，人體由於受地心引力的影響，在作各種不同的運動時，如何保持重心以維持身體的平衡是相當重要的。尤其是對於運動選手而言，如何保持自己的身體在重心線上以維持正確的姿勢，更是在激烈的競賽中如何能勝出的關鍵，例如：一位拳擊選手在比賽時，如何在出拳攻擊對手時，保持自己的重心於兩腳之間，同時，萬一在受到對手攻擊時，又如何保持自己的重心，使得自己可以承受最大的攻擊力而不致倒下，這些議題一直是拳擊選手相當重視的課題。

傳統上，運動選手只能透過不斷反覆的練習，或是不斷的參與比賽，藉由實際的比賽經驗以提昇自己的平衡感，但是這種嘗試錯誤法(try-and-error)是相當沒有效率的，例如：拳擊選手為了訓練自己的平衡感，可能藉由練習或是不斷比賽來累積經驗，可是，往往有可能在練習或比賽時不慎受到巨大的運動傷害而中斷選手的運動生命，因此，這種嘗試錯誤法風險也是相當高的，所以如何有效保持自己的重心，進而有效率且低風險的練習，對於運動選手而言是相當重要的。

因此，本發明之目的，即在提供一種由平面影像建立三度空間人體重心之方法，包含以下步驟：根據一待測人體之輸入值，建立一三維的真實人體模型；根據該待測人體之平面影像，建立一影像人體模型；調整該真實人體模型以使調整完成後的三維真實人體模型能與該影像人體模型疊合；及根據該調整完成後之三維真實人體模型，計算其重心座標。

此外，本發明之另一目的，即在提供一種電腦程式產品，當電腦載入該電腦程式並執行後，可完成由平面影像建立三度空間人體重心之方法中任一步驟。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖2，本發明之較佳實施例包含一建立模型程序1、一模合程序2，及一計算重心步驟3，分別說明如下：參閱圖3，該建立模型程序1包括以下三個步驟：步驟11是一處理器建立一標準人體模型。本發明中該標準人體模型是參考Zatsiorsky和Seluyanov於1983年的著作「The mass and inertia characteristics of the main segment of the human body」中第1152-1159頁，所提出的十六塊人體肢段模型為基礎，進而簡化人體軀幹的動力系統設計而成，所以本發明將該十六塊人體肢段模型的上腹部及胸部合併為一塊上軀幹肢段，參閱圖4，本發明定義一個十五塊人體肢段模型，其中，人體肢段名稱、肢段重量、肢段重心向量及肢段長度之符號整理紀錄於表1；

表1

於該十五塊人體肢段模型中，該處理器並設定複數個關節座標轉換矩陣，其中，另外定義了十四個關節點(編號為B ~O )，且依照每一關節在x 、y 、z 方向上具備的運動能力，分別定義數量不同的自由度，例如：手腕關節可以使得手掌在x 、y 方向上作運動，因此定義腕關節的自由度為2，而頸關節可以使得頸部得以在x 、y 、z 三個方向上運動，因此定義頸關節的自由度為3，依此類推；因此，設計如下所示的座標轉換矩陣：

其中，i 代表在該十五塊人體肢段模型中，該座標轉換矩陣的編號，而q _i 是當待測人體完成該指定姿勢時，第i 個關節自由度上的夾角，分別代表第i 個關節自由度對於x 、y 、z 三個方向上的座標轉換矩陣；上述定義的十四個關節點之名稱、關節自由度、對應關節座標轉換矩陣及關節編號如表2所示：

在本實施例中，設定右足尖A為起始點，且依據關節順序依序設定出每一肢段的肢段座標轉換矩陣，因此，每一肢段對應的肢段座標轉換矩陣整理如表3所示；

值得注意的是，因為右足尖A 相對於直角座標系x -y -z 之原點，具有移動至座標(x _A ,y _A ,z _A )的位移量，所以，每一肢段之重心座標可以根據右足尖A 之座標、肢段長度、肢段重心向量，及肢段座標轉換矩陣計算出。舉例來說：若起始點A 於三度空間直角座標x -y -z 系統上的座標值為(x _A ,y _A ,z _A )，則右足掌重心座標C ₁ 、右小腿重心座標C ₂ 與右小腿重心座標C ₃ 公式分別如下所示：

其中，L _i 代表每一肢段長度、A _i 代表每一肢段對應的肢段座標轉換矩陣、r _i 代表每一肢段之重心向量，及C _i 代表每一肢段之重心座標。

回復參閱圖3，步驟12是該處理器建立一待測人體的真實人體模型，該步驟12包含以下二子步驟：子步驟121是該處理器接收該待測人體的身高及體重，並計算縮放比例。該處理器比較該待測人體之身高(h ₁ )與該標準人體模型之身高(h ₂ )，以決定一肢段長度縮放比例(HSP )，然後，該處理器再比較該待測人體之體重(w ₁ )與該標準人體模型之體重(w ₂ )，以決定一肢段截面積縮放比例(SSP )，其中，該長度縮放比例計算方式如下所示：

而該截面積縮放比例計算方式如下所示；

因此，在平行於該肢段截面積之該等座標軸(如：x 、y 軸)的縮放比例(WSP )為：

也就是說，每一取樣點x 、y 軸座標值將依照WSP 作縮放，而z 軸座標值則是依照HSP 作縮放；及子步驟122是該處理器依據該等縮放比例以建立一真實人體模型，並將該真實人體模型輸出至該模合程序2。當該真實人體模型之每一肢段長度及截面積設定完成之後，該真實人體模型中之每一關節點的座標即可被固定，舉例來說，若是一待測人體的身高及體重分別為185公分及80公斤重，而採用的標準人體模型之身高及體重為165公分及60公斤重，則該標準人體模型之右髖關節D 的座標值為(x _D ,y _D ,z _D )，而該待測人體上該右髖關節D ^* 的座標值()，根據子步驟121的縮放公式，HSP 及WSP 分別計算如下：

因此，該待測人體上之該右髖關節D ^* 的座標值()=(1.091*x _D ,1.091*y _D ,1.121*z _D )即可得出；及步驟13是該處理器建立一影像人體模型。在本實施例中，步驟13更包含以下三步驟：子步驟131是拍攝該待測人體的一參考影像。一欲被拍攝之人體(被拍者)在拍照時，首先需要在拍攝者與被拍者等距離之處，設立一量尺，且被拍者以直立站立之姿勢與該量尺一同被拍攝下來，以作為一用以與該真實人體模型比較肢段長度使用之參考影像；子步驟132是拍攝該待測人體的一指定影像。該被拍者以欲建立重心模型之指定姿勢(如：出拳動作)在相同於該參考影像之被拍攝位置進行拍攝，作為一指定影像；及子步驟133是該處理器量測該指定影像中之每一肢段的長度，並依照該指定影像建立一影像人體模型，將該影像人體模型及每一肢段長度輸出至該模合程序2。

參閱圖5，該模合程序2是該處理器將該真實人體模型及該影像人體模型進行模合，以調整該真實人體模型以符合該影像人體模型。該模合程序2包含以下步驟：步驟21是該處理器比較步驟131得到的參考影像中每一肢段長度與該真實人體模型之每一肢段長度，以計算出每一肢段縮放比例，然後該處理器將該真實人體模型之每一肢段分別依照對應之縮放比例進行縮放，以使得該真實人體模型之所有肢段長度相等於該影像人體模型；步驟22是該處理器將該真實人體模型與該影像人體模型疊合，並將該等關節依照表2之關節編號而設定二個變數i 、j ，其中，i 代表的是目前模合程序進行到哪一個關節(初始值為1，即代表右腳踝最早開始作模合)，而j 代表的是最後一個關節編號(其值為14，即代表左腕關節最慢作模合)；步驟23是該處理器比較二個變數i 、j 是否相等，若是，表示該模合程序2已經完成，因此跳至該計算重心步驟3；若否，表示該模合程序2尚未完成，繼續執行步驟24；步驟24是該處理器根據變數i 以決定對哪一個關節開始模合，並且根據第i 個關節作角度上的微調。舉例來說，假設變數i 的值為1表示該處理器將對右踝關節進行模合，而由於右踝關節自由度為2(參閱表2)，因此該處理器可以先固定一方向(如：y 軸)的角度為0度，然後對另一軸(如：z 軸)的角度以每次調整一單位度數(如：1度)的方式進行微調，而當有z 軸的角度都試過，但仍無法使得兩模型模合成功後，再將y 軸的角度變化量調整一單位度數後，再重複上述方式，以期找到正確y 軸與z 軸的角度值。舉例來說：對於右踝關節，第一次執行步驟24時，分別設定y 軸與z 軸的角度值為0度與0度，當第二次執行時，分別設定y 軸與z 軸的角度值為0度與1度，以此類推，若是到第181次的設定(y 軸與z 軸的角度值為0度與180度)皆無法使得該關節被模合成功，則第182次的設定值將會分別設定y 軸與z 軸的角度值為1度與0度，依序類推下去。而當設定好固定的角度之後，透過座標轉換矩陣計算出該關節之三維座標值(x ,y ,z )，然後將調整後的三維座標值(x ,y ,z )藉由一三維影像轉換成平面影像之座標公式，轉換成一平面座標值(X ^* ,Y ^* )：

其中，k 為一控制參數。然後，繼續執行步驟25；步驟25是該處理器將該步驟24所計算出的平面影像座標值與該影像人體模型之相同關節點之座標值作比較，如果相等，表示步驟24所設定之該等關節角度，可以使得該真實人體模型與該影像人體模型於該關節上模合成功，繼續執行步驟26，否則表示步驟24中所設定之該等關節角度無法使得該真實人體模型與該影像人體模型模合成功，需要再進行調整，因此跳回步驟24；步驟26是該處理器已經將第i 個關節模合成功，因此，將進行下一個關節的模合，故變數i 的值將會加1，然後跳回至步驟23；該計算重心步驟3是該處理器依據模合成功後的結果，先計算出待測人體每一肢段之重心向量，並分別代入每一肢段之重心座標公式中，以計算出每一肢段的重心座標，然後，再利用如下所示之重心計算公式，以計算出該待測人體總重心座標R _C 。該公式如下所示：

其中，W _i 代表每一肢段之重量，C _i 代表每一肢段之重心座標。

舉例來說，參閱圖6，欲計算一體操選手之重心位置時，依照步驟131、132取得該選手之影像(如圖6(a)所示)之後，建立一影像人體模型，然後，依照步驟21計算該影像人體每一肢段的縮放比例，將該影像人體模型之每一肢段長度依照該縮放比例調整之後，如圖6(b)、6(c)所示，由步驟22中標示該影像人體模型之每一關節點，並將該影像人體模型與該真實人體模型依照相對應之關節點位置進行如步驟23~26的模合動作，直到二模型之每一關節角度與每一肢段長度之數據皆相同，則表示該影像人體模型與該真實人體模型完全吻合，最後，如圖6(d)所示，根據模合結果計算並顯示該體操選手之總重心位置。

此外，值得注意的是，本實施例也可進一步以三度空間方式顯示已模合成功的真實人體模型，以供使用者清楚看出立體化的姿勢。

本發明是利用該處理器將一平面影像(如：照片、圖片)作影像數位化(image digitizing)以得到一影像人體模型，然後將該影像人體模型與一由該處理器依據真實人體所建立的真實人體模型進行模合，模合成功之後，該處理器可藉由調整該真實人體模型之該等關節角度，以模擬人體在不同姿勢下或是不同運動過程中的重心位置，以作為預防運動傷害、復健、太空運動或運動員訓練等需要作重心模擬的情況參考使用。

對於像拳擊手或是體操選手而言，在激烈的運動過程中，需要隨時保持自己的重心，以順利擊倒對手或是展現最完美的演出；而本發明提出的建立重心的方法，可以藉由拍攝選手在運動過程中的一連串的照片，然後藉由電腦模擬，分別調整出在每一個狀態時重心最穩定的姿勢，然後選手再根據模擬結果，進行反覆不斷的練習。例如：拳擊選手在攻擊及防禦時的重心位置是不相同的，而透過本方法可以模擬出，當拳擊選手由攻擊狀態轉為防禦狀態時或是由防禦狀態轉為攻擊狀態時，選手身體該如何隨著狀態的改變而變化，以使得重心位置可以保持在最穩定的狀況下，進而減少因狀態轉換而被對手趁勢擊倒的機會，因此，相較於傳統嘗試錯誤法而言，本方法是相當快速且有效率的。

雖然現在也有以攝影器材拍攝選手在運動過程中一連串姿勢的變化，以供後續藉由反覆觀看影片或是影帶的對照進一步調整選手的動作姿勢，可是，習知這種做法，使用者單純由二度空間的平面影像僅能猜測到粗略的動作情形，而無法具體得出三度空間的重心位置和立體化姿勢。而本發明提出之方法，可以迅速的將平面影像轉化為立體模型，然後藉由電腦的輔助針對每一個關節作各種不同可能性的模擬，相較於習知之做法，顯然是更為精準且更有效率的。綜上所述，確實能達成本發明之目的。

而本發明之電腦程式產品，當電腦載入該電腦程式並執行後，可完成以上較佳實施例中所述之方法。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1．．．建立模型程序

11~13．．．步驟

2．．．模合程序

21~26．．．步驟

3．．．步驟

圖1是拳擊選手重心示意圖；

圖2是本發明之由平面影像建立三度空間人體重心之方法之流程圖；

圖3是建立模型程序之流程圖；

圖4是一個十五肢段人體模型之每一肢段重心位置及肢段長度示意圖；

圖5是模合程序流程圖；及

圖6是本發明之一範例說明。

1．．．建立模型程序

2．．．模合程序

3．．．計算重心

Claims

一種由平面影像建立三度空間人體重心之方法，包含以下步驟：根據一待測人體之輸入值，建立一三維的真實人體模型；根據該待測人體之平面影像，建立一影像人體模型；調整該真實人體模型以使調整完成後的三維真實人體模型能與該影像人體模型疊合；及根據該調整完成後之三維真實人體模型，計算其重心座標。
依據申請專利範圍第1項所述之由平面影像建立三度空間人體重心之方法，其中，在計算重心座標步驟之前，先依據調整完成後的真實人體模型，計算該真實人體模型之每一肢段的重心向量。
依據申請專利範圍第1項所述之由平面影像建立三度空間人體重心之方法，其中，基於使該真實人體模型的每一關節角度與該影像人體模型對應之關節角度相符合來調整該真實人體模型，且當所有關節角度都符合時，判斷調整完成後的三維真實人體模型與該影像人體模型有疊合。
依據申請專利範圍第1項所述之由平面影像建立三度空間人體重心之方法，其中，更包括當要被調整的關節具有一個自由度時，直接調整該自由度上的角度，以使其與該影像人體模型上之對應關節可以符合。
依據申請專利範圍第4項所述之由平面影像建立三度空間人體重心之方法，其中，判斷該真實人體模型的關節角度是否與該影像人體模型對應之關節角度符合的步驟包括：計算出該真實人體模型的關節角度之三維座標值，然後將該三維座標值轉換成一平面影像座標值，若轉換出的平面影像座標值與該影像人體模型上之對應關節的座標值相等，則表示兩個關節角度符合。
依據申請專利範圍第1項所述之由平面影像建立三度空間人體重心之方法，其中，當要被調整的關節具有n個自由度時，n為複數，先固定n-1個自由度上的角度，然後調整剩餘一個自由度上的角度，當無法找出一可以與該影像人體模型之對應關節疊和之角度時，依序調整其他n-1個自由度上的角度，直到找出可以與該影像人體模型上之對應關節可以疊合之角度值。
依據申請專利範圍第6項所述之由平面影像建立三度空間人體重心之方法，其中，判斷該真實人體模型的關節角度是否與該影像人體模型對應之關節角度符合的步驟包括：計算出該真實人體模型的關節角度之三維座標值，然後將該三維座標值轉換成一平面影像座標值，若轉換出的平面影像座標值與該影像人體模型上之對應關節的座標值相等，則表示兩個關節角度符合。
一種電腦程式產品，當電腦載入該電腦程式並執行後，可完成請求項第1至7項中任一項所述之方法。