1 概述
我國從 20 世紀 80 年代就開始開展了自由式滑雪空中技巧項目，由于該項目主要突出技巧性、柔韌性以及靈活性，符合中國人的自身運動特點和身體特征，所以自由式空中技巧成為中國選手在雪上項目奪金的突破口?，F今運動員為取得佳績不僅僅要有刻苦的運動訓練，更需要科學技術的全面支持。利用三維仿真人體模型對運動員的動作進行合理的滑雪評判是生物力學研究的主要方法和手段。
1.1 目的與意義
采用三維實體建模軟件對運動員人體進行造型，同時在準確確定的人體運動范圍的數據后, 通過人體測量學、人體工程學等方法建立科學的運動學模型, 對運動員人體運動進行了仿真。本研究采用激光掃描技術，對自由式滑雪運動員在助滑階段的幾個主要動作進行數據采集，即應用逆向工程這種先進的設計理念，以“人體模型- 設計 - 三維仿真 - 再設計”框架為工作過程，建立自由式滑雪運動員三維人體模型。
1.2 激光掃描技術的應用現狀
三維激光掃描技術是基于激光測距原理，借助三維激光掃描儀發射激光，通過特定的測量設備和測量方法獲得實物表面離散的幾何坐標數據的測量技術。由于三維激光掃描具有較高的精度、速度和良好的立體掃描特性，該技術可以真正做到直接從實物中進行高質量的逆向三維數據采集和模型構建。三維激光掃描技術現在已經被廣泛地應用在工程測量、逆向工程、虛擬建模等領域并有著非常廣泛的應用前景。
2 數據的采集
本課題基于激光掃描技術的自由式滑雪運動員的三維人體模型數據采集對象為目前擁有世界高難度動作的中國男子自由式滑雪運動員賈 XX。
激光掃描設備選用 Anthroscan 3D VITUS 三維人體掃描儀。該設備通過激光三角測量原理，較為快速、準確并無接觸地完成人體關鍵尺寸自動測量，自動輸出人體測量數據。三維人體掃描儀為建立人體尺寸標準、人體工效學、運動員選材、服裝、護具設計等被科研院所廣泛應用于人體數據采集和自動處理。
本研究的主要研究對象為自由式滑雪空中技巧運動員在助滑坡上滑行過程中所做的各種動作對出臺速度的影響，運動員在滑行階段的姿態可大體分為啟動———后半蹲———展體———上舉。運動員在助滑過程中分別按照動作順序額依次采集了 6 個動作數據，記作1、2、3、4、5、6，如圖 1。為保證模型采集的真實性和準確性，對采集對象要求穿戴正規的滑雪用具其中包括滑雪靴、運動服、滑雪帽、手套等?！緢D.略】
3 數據處理與分析
本文是利用三維人體掃描儀采集的滑雪運動員數據進行激光掃描點云處理，生成準確的數字模型。利用 Geomagic Studio 軟件對點云數據進行預處理，數據處理主要包括以下工作：轉化數據格式、過濾噪音、數據精簡、孔填充、松弛表面等。經過預處理所生成的IGS 文件導入 pro/ENGINEER 軟件中并在刪除不理想的曲面，創建平滑曲面的前提下對點云進行重新造型，最終形成三維人體模型。后續工作可以導入有限元和流體分析等軟件中進行有限元分析和流場分析。如圖 2 所示?！緢D2】
3.1 模型重構前的預處理
在 pro/ENGINEER 軟件中點擊插入或小平面特征命令，導入之前由 Geomagic Studio 保存的 IGS 格式的點云數據，數據精簡后對細小平面進行包絡處理。隨后會在模型的空隙部位（如：手臂與軀干之間、兩腿之間）形成腹板面，腹板面的出現會影響幾何形狀，因此必須去除。如圖 3 所示。去除腹板后，將對細小平面進行整合、松弛等優化操作，使小平面變得光滑，最后將整個小平面特征以相鄰邊緣整合為一體，此步驟尤為重要，決定了后續的重新造型的成功與否?！緢D.略】
3.2 模型的重新造型
進入重新造型階段后，將人體模型重新進行曲面的劃分，曲面創建工作完成。通過旋轉模型進行觀察，去除曲面的轉折過渡的部分出現的褶皺和變形，優化和去除位置和結構不正確的面和線，創建新的、符合要求的理想曲線和曲面。如圖 4 所示?！緢D.略】
在設計過程實質上是重新建立曲面之間的約束的過程，這樣所需要的自由式滑雪運動員的曲面模型就相繼完成了。如圖 5 所示?！緢D.略】
3.3 保存數據
把在 pro/ENGINEER 軟件中重新造型后的人體三維曲面模型保存為“IGS”格式后，就可以導入 ANSYS、FLUENT 對曲面進行有限元分析。
4 結論
人體形狀為復雜的曲面，如果直接對其進行精確的測量并得到全面、細致的人體數據難度較大。因此獲取人體曲面數據的前提是建立三維人體模型，它是一項基礎性的工作。本文選用激光掃描技術對自由式滑雪空中技巧運動員進行激光掃描點云的方法，測量速度快，測量面積大，數據完整。
通過三維逆向工程軟件將激光掃描技術獲得的數據進行格式轉換，將缺失的和褶皺的人體點云轉化，形成光順、完整的曲面人體模型后，可導入 ANSYS、FLUENT 等工程軟件中進行有限元分析。實現了將激光掃描技術在自由式滑雪運動員三維人體模型建立上的應用，為以后將這一技術應用在技術動作的分析，降低受傷率，提高運動成績與競技水平做下了鋪墊。
參考文獻
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