二、神經科學與運動控制

三、康復與人體工程學：

我們的方案裝置可以協助師、運動訓練師和人體工程學專家進行評估、篩查和再培訓：

實時信息提供了評估績效并向工作人員或患者提供即時反饋的能力。

同步的外圍數據，例如 EMG 和測力臺，允許對可能導致運動的其他因素進行運動學之外的研究。

用戶定義的、圖標驅動的界面為您獨特的協議提供定制，以確保可靠和簡單的數據收集和分析。

實時生物反饋和虛擬現實，使用多種方式顯示數據，將評估擴展到訓練和行為改變。

原始的、處理過的或用戶定義的數據允許評估康復技術或工作場所環境的有效性。可以立即生成自定義報告以與臨床醫生、風險管理人員和其他人共享此數據。

在數據收集過程中，可以跟蹤、動畫和分析真實的物體，例如工具或茶杯，以監控工人或患者與周圍環境的互動。

定制的交鑰匙解決方案，包括便攜式系統，使用各種動作捕捉技術，允許在任何環境下收集數據。
四、運動生物力學


我們的方案裝置通過許多獨特的功能提供監控運動員和提高表現的能力，包括：

使用佳的運動跟蹤技術來跟蹤、動畫和分析運動員的運動和運動對象，如高爾夫、擊球、投球、網球、保齡球、騎自行車等。

執行運動特定分析以進行評估、篩選和重返賽場。

以各種方法訪問和可視化數據，包括報告摘要、條形圖和時間序列圖、自定義動畫和跟蹤。

使用音頻反饋為培訓和性能增強提供實時反饋。使用虛擬現實擴展實時反饋，為運動員創造身臨其境的體驗。

使用我們的運動監視器特殊用途應用程序對特定運動或與運動相關的運動進行簡化的數據收集和分析，例如：

運動監視器跳躍版： PT、AT 和教練的理想工具，可使用反向運動、深蹲或俯沖快速評估生物力學和神經肌肉性能。

棒球運動監視器：研究質量的動作捕捉解決方案，具有用于跟蹤和分析球員投球和擊球動作的簡化流程。

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目前主流的步態分析技術主要有以下幾種：基于計算機視覺的人體步態捕捉與分析、基于慣性傳感器的人體步態捕捉與分析、基于無線信號的人體步態捕捉與分析。基于計算機視覺的人體步態捕捉又分為基于紅外攝像頭、基于2D攝像頭、基于3D深度攝像頭等多種。上個世紀的技術路線還有基于機械式的步態捕捉。其他的技術路線還有基于電磁式的步態捕捉。

1.2.1.1基于紅外攝像頭的光學步態捕捉

紅外光學動作捕捉技術經歷數十年的持續發展，目前常用的紅外光學動作捕捉技術都是基于計算機視覺原理[4]。紅外攝像頭的光學步態捕捉主要分為被動式和主動式。被動式是在人體關鍵部位粘貼反光標記點，主動式是在人體主要部位佩戴上可發射紅外線的主動式攝像頭。本節主要說明被動形式的光學步態捕捉。在人體的主要骨骼部位以及關節處粘貼反光標記點，利用架設好的紅外攝像頭追蹤反光標記點（Markers），從而計算出反光標記點在空間中的位置。反光標記點和紅外攝像頭分別如圖1-1和圖1-2所示。

1.2.1.2基于3D深度攝像頭的動作捕捉

雙目立體視覺即使用兩個2D平面攝像頭。兩個平面攝像頭獲得兩幅圖像，通過兩幅圖像算出深度信息。飛行時間即由雷達芯片發射出紅外激光散點，照射到物體后反射回雷達芯片的時間，由于光速已知，發射返回時間已知即可測量出攝像頭距物體的距離， 。結構光是攝像頭發出特定的圖案，當被攝物體反射回這一圖案時，深度攝像頭再次接收這一圖案，通過比較發射出的圖案和接收的圖案從而測量出攝像頭距離被攝物體的深度信息。3D深度攝像頭方案對比如表1-1所示。

基本原理是首先找到圖像中移動的物體，然后會對移動的物體進行深度評估，識別出人體的部位，然后將其從背景環境中分割出來。分割之后要做的工作就是模式匹配，將其匹配到骨骼系統上。算法流程如圖1-7所示。

以上三種方案的3D深度攝像頭方案大部分用在娛樂級別方面，比如臉部識別解鎖、人機互動，且由于其探測距離較近，很難用在大空間上。目前基于3D深度攝像頭的芯片在不斷地研究改進中。其硬件芯片仍是目前的難點，再其次是算法的復雜度，大量的圖像計算對硬件的主控芯片的計算能力有較高的要求，在功耗上很難做到低功耗的工作，受制于目前的電池技術，單個傳感器的工作時間比較短。其優勢在于不需要用戶穿戴任何傳感器和粘貼標記點。利用Kinect進行人體下肢骨架識別如圖1-8所示。

利用2D攝像頭實現3D運動軌跡的捕捉是目前的技術研究。2D攝像頭即平面攝像頭，沒有深度信息。目前基于2D攝像頭的動作捕捉主要采用卷積神經網路（CNN）將稀疏的2D人體姿態凸顯檢測的原理。但是此種捕捉方案需要長時間的運算，并不適合實時的運動分析，且輸出精度低。基于2D攝像頭的動作捕捉目前可以捕捉人體局部的運動姿態，且捕捉之間需要采集大量的數據樣本作為訓練數據集。2D攝像頭在深度信息的預測上存在著偏差，任何一點錯誤的數據都會導致很大的偏差，穩定性*差。的挑戰在于攝像頭的遮擋以及快速的運動都是2D攝像頭很難追蹤到的。其優點在于不需要任何的穿戴，且所需要的2D攝像頭觸手可得，成本*低，這對大眾化的應用是一個不錯的選擇。利用2D平面攝像頭的姿態捕捉應用如圖1-9所示。

慣性動作捕捉系統主要是將慣性傳感器綁定在人身體主要骨骼上，如足、小腿、大腿，實時測量出每段骨骼的旋轉，利用正向運動學（Forward kinematics，FK）和反向運動學（Inverse kinematics，IK）實時推導計算出整個人身體的運動參數。慣性動作捕捉系統的優勢在于他是一種無源的動作捕捉系統，不需要借助任何外部信息，即不受外界環境的干擾。缺點則是由于慣性傳感器普遍存在累計漂移會使慣性系統無法測量出運動的位移。其全身穿戴效果如圖1-10所示。

慣性傳感器主要包括加速度計、陀螺儀、磁力計。其中加速度計、陀螺儀、磁力計多采用MEMS形式，所以稱之為MEMS慣性傳感器。三軸加速度計可以測量載體的三個軸向上的加速度，是一矢量，通過加速度我們也可以計算出載體靜止時的傾角。三軸陀螺儀可以測量出載體的三個軸向上角速度，通過對角速度積分我們可以得到角度， 。三軸磁力計可以測量出周圍的磁場強度及與地球磁場的夾角。通過融合加速度、角速度、磁力值的數據我們可以精準的得到載體的旋轉。融合后的數據一般用四元數或歐拉角來表示。其中四元數形式如 ，歐拉角包含俯仰角（Pitch）、橫滾角（Roll）、偏航角（Yaw）。得到載體的旋轉后再擬合各個骨骼的運動，從而計算出穿戴部位的運動姿態。通過對加速度、角速度的積分可以測量出穿戴者的步速、步距、步長等參數。上的MEMS慣性動作捕捉系統研發生產公司國外有荷蘭Xsens、國內的北京孚心科技公司等。綜述其原理如圖1-11所示。

基于MEMS慣性傳感器的動作捕捉系統的步態分析有很大的優勢，主要體現在由于慣性動作捕捉系統采用的是MEMS芯片，成本較低，每個芯片只需要十元左右，整套系統的價格在幾萬元級別。由于慣性動作捕捉系統是一種無源的系統，整套系統的重量在幾千克的范圍內，所以便于攜帶，且不需要架設繁雜的相機。慣性傳感器只需要開機后就可以使用，沒有繁雜的校準、標定等操作步驟，所以使用十分便捷。慣性動作捕捉系統不受使用環境的影響，不管在室內、還是室外都可以正常使用。 但是MEMS傳感器的精度相比于光學動作捕捉系統來講，精度較低，但對于大眾人群已經完全滿足其需求。由于MEMS式陀螺儀存在零偏且在動態情況下積分累計誤差會隨著時間的推移而產生較大的漂移。MEMS加速度計在不同的狀態下也存在誤差，特別是在高動態下。磁力計很容易受到強磁環境的干擾。但是這一系列的誤差問題都可以通過算法來補償。MEMS式慣性傳感器補償后的靜態精度一般可達到：俯仰角/橫滾角≤0.2°,偏航角≤1°；動態精度：俯仰角/橫滾角≤0.5°, 偏航角≤2°，步態位移誤差可達5%。已滿足步態參數計算的精度要求。

1.2.1.5其他技術路線

機械式動作捕捉依靠穿戴在人身體的機械裝置來測量關節角度以及位移。人體運動帶動機械裝置的運動，從機械裝置上的角度傳感器可以知道運動角度，根據角度和機械部位的長度從而計算出移動位移。這一技術早出現在20世紀，由于機械結構的笨重，在步態分析方面機械動作捕捉早已退出發展的主流。但利用機械外骨骼的搬運發展成了主流。其形狀如圖1-12所示。

其他的技術路線還有基于聲學式的動作捕捉，基于電磁式的動作捕捉等。

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