基于单目视频的步态力学分析与仿真

论文摘要

人行走姿态的力学分析,即步态力学分析,是人体运动研究的一个重要部分。它在医学、生物学、体育以及动画制作等许多领域都有着广泛的应用前景。虽然现存的步态力学分析方法已经能够对步态进行高精度的、定量的评价,但这些方法都需要使用昂贵而复杂的专用设备或步态分析系统。这一现状在一定程度上限制了步态力学分析的应用。为了克服这一限制,本文试图提出基于单目视频的步态力学分析的新方法,仅根据由单目视频提取的人体步行时空参数与步行基本参数分析下肢各部分的力量情况,从而降低步态力学分析对设备与系统环境的要求,使此项技术更加适用于一般的研究与应用环境。主要的研究内容包括:针对单目视频的数据特点,提出适用的下肢力学模型,并进行分析进而得出数理方程组;讨论时空参数和步行基本参数与方程组各项系数之间的关系,在此基础上提出对方程组系数进行计算与估算的方法;对数理方程组的具体求解进行分析,通过提出边点表数据结构及其相关算法,对最优解的规划问题进行求解。除对步态力学分析的新方法进行详述以外,本文中还介绍了对计算出的力学分析结果进行可视化展示过程中的若干关键问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 目的与意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.3 主要研究内容
• 2 步行的力学建模
• 2.1 步态的基本理论
• 2.2 下肢骨骼与肌肉模型
• 2.3 下肢的力学建模
• 2.4 小结
• 3 确定运动参数的相关算法
• 3.1 步行过程中的形态参数
• 3.2 下肢几何参数的相关算法
• 3.3 下肢物理参数的相关算法
• 3.4 步行中线加速度与角加速度的计算
• 3.5 步行中地面反作用力的估算
• 3.6 小结
• 4 求解方程组与最优解的规划算法
• 4.1 初等变换解非齐次线性方程组
• 4.2 解空间的限制与二元线性规划问题
• 4.3 有向直线表示的凸多边形区域与边点表
• 4.4 由不等式组创建边点表
• 1, F₂）的确定与方程组最优解的获得'>4.5 （F₁, F₂）的确定与方程组最优解的获得
• 4.6 小结
• 5 仿真实现与试验分析
• 5.1 仿真实现的关键问题
• 5.2 试验与分析
• 5.3 小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献