鐘亞平 胡衛(wèi)紅 周長濤 吳慶建 劉鵬 錢大鵬

摘要：如何完成高難示范動作和清楚表達復雜的技術要點是當今體育教學訓練中的難題之一。運用WEB虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)了跆拳道教學系統(tǒng)，并通過分組實驗驗證了系統(tǒng)在跆拳道技術教學中的優(yōu)越性。

關鍵詞：跆拳道；教學；虛擬技術

中圖分類號：G807。4文獻標識碼：A文章編號：1006—2076（2012）01—0096—03

Abstract：How to complete the highly difficult movements and clearly demonstrate the complexity oftechnical points is currently one of the key problems in physical training。 In this paper， a Taekwondo teaching system is developed by using WEB virtual reality technology， and its teaching superiority is verified through different experimental groups。

Key words：Taekwondo；teaching；virtual reality technology

虛擬現(xiàn)實技術是由高性能計算機系統(tǒng)創(chuàng)建的一種令人感到身臨其境、可以獲得與環(huán)境交互體驗的虛擬世界。各種研究表明，在教學中應用虛擬現(xiàn)實技術能有效提高學生掌握知識、技能的效率[1]。體育教學訓練中隨著運動技術不斷的提高，教師有時在教學中很難完成示范動作，有時也很難用言語和動作路線清楚表達復雜的技戰(zhàn)術內容，同時學生需要有大量的除了本體感覺外的感覺信號特別是視聽感覺。而虛擬仿真技術所具有的特征卻能很好彌補這些不足之處，它的出現(xiàn)為教學提供了新的教學環(huán)境和平臺，對為積極探索體育教學改革有著重要的意義。

目前，國內外已有研究將虛擬現(xiàn)實技術引入到體育訓練過程中，并取得了一定的效果。U。Y。 Yang等人運用基于虛擬現(xiàn)實技術的沉浸式運動訓練系統(tǒng)進行訓練[2]；美國國家雪橇隊運用仿真雪橇裝置進賽前訓練[3]；Amusitronix的研究開發(fā)人員開發(fā)了VR Baseball，VR Golf，VR Kayaking，VR Tennis，和VR Snow/Skate/Surf 等系統(tǒng)[4]；Sheffield Hallam 大學運用虛擬體操運動員系統(tǒng)進行體操訓練[5]。然而，以上各種實驗性研究所采用的虛擬現(xiàn)實硬件設備過于昂貴，很難在體育教學與訓練中普及應用。現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實技術在教育領域的應用范圍越來越廣，呈現(xiàn)了多元化的發(fā)展趨勢，其中，基于WEB的虛擬現(xiàn)實技術相對簡單，投入的成本相對較低，發(fā)展前景廣闊。

本研究運用WEB虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)了跆拳道教學系統(tǒng)。通過多臺攝像機同時拍攝跆拳道動作，運用SIMI Motion解析三維運動信息，調用MotionBuilder進行人體建模及三維運動仿真，使用VRPIE平臺進行WEB三維展示。通過分組實驗，驗證了系統(tǒng)的優(yōu)越性。

1跆拳道三維運動信息的獲取

跆拳道運動信息的獲取，主要分為跆拳道運動視頻的采集、人體關節(jié)點的標注和運動人體三維坐標的生成三個步驟。

1。1跆拳道運動視頻采集

跆拳道運動視頻采集通過三維攝影測量法拍攝。根據(jù)跆拳道運動的特點，采用4架日本SONY—HCIE型號的攝像機分別置于測試對象區(qū)域平面的四個角處。測試區(qū)域中心放置帶有標記點三維框架，三維標定框架主要用于對運動空間進行標定。首先對測試區(qū)域中心的三維框架的拍攝，然后對每個技術動作進行定點同步拍攝。

1。2人體關節(jié)點標注

采用SIMI Motion運動錄像分析系統(tǒng)對采集的三維人體運動數(shù)據(jù)進解析，分析模型采用漢納范（Hanavan）人體數(shù)學模型。從通過攝影測量法拍攝的二維圖像序列/視頻中選取兩個不同角度較為清晰的視頻，對視頻的每一幀進行人體關節(jié)點的標注。標注的關節(jié)點主要包括：頭，肩（左、右），手（左、右），手腕（左、右），肘（左、右），髖（左、右），髖中心，膝關節(jié)（左、右），腳后跟（左、右），腳踝（左、右），足尖（左、右）等20個關節(jié)點。采用數(shù)字濾波法對標注點進行平滑處理，設定截斷頻率為8，使用DLT法獲取三維空間中人體各個關節(jié)點在不同時刻的空間坐標。

1。3運動人體三維坐標生成

人體關節(jié)點標注后，運用SIMI Motion可生成三維人體運動數(shù)據(jù)文件，該文件記錄著各個標定點在每個關鍵幀的三維空間位置數(shù)據(jù)。SIMI Motion可以輸出多種格式，如bvh、c3d、csm、dxf、lws、ma、slf、trc等?？紤]到下一步使用MotionBuilder作為跆拳道基本動作仿真實現(xiàn)工具，因此選用trc格式作為系統(tǒng)的運動人體三維坐標生成格式。

2跆拳道仿真動畫制作

基于動作捕捉技術的跆拳道仿真動畫的制作，主要包括人體建模和動作驅動。系統(tǒng)通過MotionBuilder動畫軟件的Motion File Import功能將TRC格式的動捕數(shù)據(jù)導入到三維場景。動捕數(shù)據(jù)的使用首先需要在MotionBuilder中建立Actor，通過Marker點驅動Motionbuilder的Actor，再用Actor驅動角色，實現(xiàn)角色動畫。實現(xiàn)過程如下：

1） 在MotionBuilder中建立Actor。

2） 依據(jù)動作捕捉的數(shù)據(jù)調整Actor動作。將Actor的T—Pose 匹配到動捕的第一幀上，該過程主要通過移動、旋轉、縮放參考的坐標來實現(xiàn)。

3） 匹配好動捕與Actor之間的位置關系后，創(chuàng)建關聯(lián)區(qū)域。分別將頭部、頸部、肩部、上臂、前臂、手、背、胸、腰、髖、大腿、小腿、腳腕、腳跟、腳尖的位置進行名稱匹配，動捕的關鍵幀動作傳遞給Actor。

4） 導入跆拳道人體模型，將模型與Actor關聯(lián)。

3WEB三維展示

網絡三維交互技術實現(xiàn)了3D模型的網上三維交互演示，具有網絡性、三維性和互動性等特征。系統(tǒng)通過運用VRPIE三維網絡平臺實現(xiàn)跆拳道教學的三維展示功能。VRPIE平臺主要由兩部分組成，分別為制作端軟件VRP—Builder和客戶端插件VRPIE—Player。

VRP—Builder用來編輯和發(fā)布VRPIE場景文件。首先通過VRP插件導出上述的已生成的跆拳道動畫，導入至VRP編輯器，將動作加入到動作庫，增加控制按鈕，通過腳本來建立相應的燈光、攝像機和時間控制器，用來設置燈光和渲染效果、設置鏡頭、控制角色運動的360°旋轉、運動的前進后退、快進快退等功能，控制骨骼動畫的播放。將當前場景編譯成一個可獨立執(zhí)行的EXE文件或者輸出可網絡發(fā)布的VRPIE文件，實現(xiàn)網上發(fā)布。用戶訪問 VRPIE網頁，實現(xiàn)全三維場景的瀏覽和交互。比如，通過鼠標來控制鏡頭的視角及拉伸等操作，進行任意角度及距離的觀看；通過速度進度條控制動作的快進、慢放及暫停等操作；利用聲音效果，系統(tǒng)同步進行動作要領的解說，以及同步顯示基本動作要領的文字說明。圖1為其中一組跆拳道動作的WEB三維展示圖。

圖1WEB三維跆拳道教學效果圖

4實驗研究

4。1研究對象

選取山東體育學院××專業(yè)72名從未練習過跆拳道的在校本科生作為被測對象，其中男子44人，女子28人。隨機分為實驗組和對照組，每組36人，其中男子22人，女子14人。

4。2實驗要求

實驗組在教學過程中運用跆拳道WEB三維演示系統(tǒng)結合老師教學。每次課分為兩部分，第一部學生通過三維演示系統(tǒng)觀看將要學習的跆拳道基本動作，在三維演示系統(tǒng)中切換不同角度觀察動作技術特點及注意問題；第二部分在場地練習跆拳道基本動作，由教師進行動作指導及糾正。對照組由同一個教師采用傳統(tǒng)教學，課程內容、評價測試保持一致。實驗時間從2010年3月至6月，共36課時。

4。3實驗數(shù)據(jù)采集

實驗前對實驗對象進行身體素質測試，主要以與跆拳道相關的身體測試項目為主，包括縱叉、橫叉、50次高抬腿、100米跑速度、立定跳遠、30秒立臥撐。

實驗后對實驗對象身體素質進行第二次測試，同時對實驗對象進行技術動作評分。評分評委為三位山東省跆拳道隊教練，針對每個動作三位評委各自評分，以平均分為最終得分。評分過程中實驗組與對照組隨機出場，以免干擾評委對成績的評定。評分項目為前滑步、后滑步、上步、前踢、橫踢。

4。4實驗結果與分析

實驗組與對照組在練習跆拳道前后所測得的身體素質數(shù)據(jù)見表1、表2。數(shù)據(jù)顯示，經過跆拳道的學習，實驗組與對照組學生的身體素質均比實驗前有所提高，柔韌、力量、速度、耐力等方面均有顯著性進步，說明跆拳道的練習取得了效果，提高了學生的身體素質；對比實驗組與對照組的進步程度，實驗組大于對照組，通過獨立樣本t檢驗驗證P＞0。05，差異不具有顯著性，說明WEB虛擬技術跆拳道教學手段相對傳統(tǒng)教學方法在教學過程中對于學生身體素質提高方面沒有顯著的促進作用。

通過對實驗組的訪談，學生普遍認為通過運用基于WEB虛擬技術的跆拳道教學系統(tǒng)，在跆拳道學習過程中更主動、更積極，可以更加自主的選擇學習的角度，從而激發(fā)學習興趣；更加準確掌握動作要領，從而更快取得優(yōu)秀成績。基于WEB虛擬技術的跆拳道教學系統(tǒng)能夠很好地解決學生課余時間練習缺乏指導的難題，避免學生在課后練習中因為大腦錯誤表象而產生錯誤動作。學生可以通過重復觀看、模擬系統(tǒng)中的動作來提高自己的技術水平，真正做到“因材施教”。

5結論

本研究運用運動捕捉、三維建模和WEB三維展示技術建立了基于WEB虛擬技術的跆拳道教學系統(tǒng)，為虛擬現(xiàn)實技術與運動訓練教學有效整合提供了可操作的方法和手段。實驗研究表明，基于WEB虛擬技術的跆拳道教學系統(tǒng)對跆拳道教學的技術動作提高具有顯著性。

參考文獻：

[1] 虛擬現(xiàn)實技術在教育中的應用[M]。北京：科學出版社，2007。

[2] U。Y。 Yang， G。J。 Kim。 Implementation and Evaluation of An immersive， vr—based， motion training system[J]。Tele—operators and Virtual Environments， Vol。 11（3）， June 2002。 304—323。

[3] 李祥晨，孫晉海。 體育系統(tǒng)仿真[M]。 北京：人民體育出版社，2001。

[4] Amusitronix。 VR Sports[OL]。http：//www。amusitronix。com/VRSport。html， 2003。

[5] Sykes Andy。 News Virtual gym fixes it for young athletes[OL]。http：//www。shu。ac。uk/schools /slm/ news/sport1。html， 2003。