付 全，趙慧勤，吳壯志

（1.首都體育學(xué)院，北京100191；2.山西大同大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西 大同 037009；3.北京航空航天大學(xué)計算機學(xué)院，北京 100191）

運動捕捉技術(shù)在體育運動仿真中的應(yīng)用

付 全1，趙慧勤2，吳壯志3

（1.首都體育學(xué)院，北京100191；2.山西大同大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西 大同 037009；3.北京航空航天大學(xué)計算機學(xué)院，北京 100191）

運動捕捉技術(shù)是指利用傳感器記錄物體或人的動作過程的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于體育、娛樂、醫(yī)療等領(lǐng)域。文章首先對運動捕捉技術(shù)進行了綜述，然后對運動捕捉技術(shù)在體育教學(xué)和訓(xùn)練的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了概述，接著指出了運動捕捉技術(shù)在體育教學(xué)和訓(xùn)練中的應(yīng)用前景，最后在分析總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，指出了運動捕捉技術(shù)的發(fā)展趨勢。

運動捕捉；體育教學(xué)；運動訓(xùn)練；人體建模；虛擬現(xiàn)實

現(xiàn)代體育的不斷量化,對成績和極限的日益追求,直接促進了科學(xué)技術(shù)在體育運動中的大量應(yīng)用[1]。從運動技術(shù)這一視角來看,運動成績要獲得提高或者突破就必須在運動技術(shù)研究方法學(xué)上完成兩個轉(zhuǎn)變：即從傳統(tǒng)的基于人眼觀察到基于高精度運動捕捉與分析的人體運動測量方法的轉(zhuǎn)變；從基于包含感情色彩的經(jīng)驗方法到基于程序化的人體運動仿真的人體運動分析方法的轉(zhuǎn)變。

隨著機器視覺、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的迅速發(fā)展,精確捕捉人體動作并且進行重現(xiàn),已經(jīng)成為研究的熱點。通過運動捕捉技術(shù)獲取某類技術(shù)動作的運動參數(shù)及生理生化指標(biāo)等數(shù)據(jù),從而統(tǒng)計出運動規(guī)律,為體育教學(xué)和運動訓(xùn)練提供標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的技術(shù)指導(dǎo),從而擺脫純粹的依靠經(jīng)驗的狀態(tài),進入科學(xué)化、數(shù)字化時代。本文重點介紹了運動捕捉技術(shù)在體育教學(xué)和訓(xùn)練的應(yīng)用狀況,并對其今后的發(fā)展趨勢進行了探討。

1 運動捕捉技術(shù)概述

1.1 運動捕捉技術(shù)的發(fā)展

運動捕捉技術(shù)是指利用傳感器記錄物體或人的動作過程的技術(shù),廣泛運用于軍事、娛樂、體育、醫(yī)療等領(lǐng)域。該技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代后期[2], 80年代開始,美國Biomechanics實驗室、麻省理工學(xué)院、Simon Frase大學(xué)等開展了基于計算機技術(shù)的人體運動捕捉的研究,從此,吸引了大量研究人

員和開發(fā)商的關(guān)注,并從試用性研究逐步走向了實用化[3-4]。英國Animazoo公司研究的Animazoo IGS-180/180i物理慣性動作捕捉系統(tǒng)性能靈活,對快速動作和細微動作都可捕捉；英國OMG公司研究的Vicon MX利用運動捕捉攝像機和相應(yīng)的設(shè)備來捕捉實時的光學(xué)數(shù)據(jù),并提供純動態(tài)校準(zhǔn)結(jié)構(gòu),完成全自動三維數(shù)據(jù)重建、跟蹤器自動識別等功能；美國Motion Analysis公司已經(jīng)為全球眾多用戶提供了很好的解決方案,涉及動畫制作、工業(yè)測量與控制、運動分析等領(lǐng)域；瑞典Qualisys公司研究的運動捕捉系統(tǒng)是世界上唯一同時支持主動式和被動式運動捕捉的光學(xué)式運動捕捉系統(tǒng),并提供配套的動作數(shù)據(jù)跟蹤分析軟件,而且支持水下捕捉；美國Organic Motion公司創(chuàng)建的Stage系統(tǒng)是世界上第一個全自由式運動捕捉系統(tǒng),可以隨心所欲地進行動作捕捉。上面討論的動捕捉系統(tǒng)均較昂貴,基本不符合國內(nèi)需求。目前,國內(nèi)的很多科研機構(gòu)和公司也開始從事運動捕捉的研究：北航虛擬現(xiàn)實新技術(shù)重點實驗室研制了人體運動數(shù)據(jù)采集設(shè)備--數(shù)據(jù)衣；中科院自動化所進行數(shù)據(jù)手套的研究；同濟大學(xué)計算機科學(xué)與工程系開發(fā)出了基于光學(xué)的運動捕捉系統(tǒng)；北京迪生通博科技有限公司、大連東銳軟件有限公司也在潛心研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)。國內(nèi)的運動捕捉系統(tǒng),在實時性和真實性上與國外有一定的差距,有待提高。

1.2 運動捕捉設(shè)備的組成

運動捕捉的實質(zhì)就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運動軌跡,一個典型的運動捕捉設(shè)備一般包括以下幾個部分：

1）傳感器。固定在運動物體特定部位的跟蹤裝置,它將向運動捕捉系統(tǒng)提供物體運動的位置信息。

2）信號捕捉設(shè)備。負責(zé)位置信號的捕捉,對于機械捕捉系統(tǒng)是一塊線路板,對于光學(xué)捕捉系統(tǒng)則是高分辨率紅外攝像機。

3）數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。負責(zé)將大量的運動數(shù)據(jù)從信號捕捉設(shè)備迅速準(zhǔn)確地傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng),并進行和處理。

4）數(shù)據(jù)處理設(shè)備。經(jīng)過運動捕捉系統(tǒng)捕捉到的數(shù)據(jù)要經(jīng)過修正、處理,然后與三維模型相結(jié)合,從而完成計算機動畫制作,因此需要應(yīng)用數(shù)據(jù)處理硬件和軟件來完成。

1.3 運動捕捉系統(tǒng)的分類

運動捕捉系統(tǒng)可以從不同的角度進行分類,根據(jù)捕捉的部位不同,分為軀體捕捉、手勢捕捉、臉部捕捉三種；根據(jù)實時性劃分,分為實時捕捉系統(tǒng)和非實時捕捉系統(tǒng)兩種；根據(jù)工作原理來對其進行分類是最常見的一種方式,分為機械式運動捕捉、聲學(xué)式運動捕捉、電磁式運動捕捉、光學(xué)式運動捕捉、全自由式視頻捕捉。

2 運動捕捉技術(shù)的體育教學(xué)和在訓(xùn)練中的應(yīng)用

2.1 運動捕捉技術(shù)在體育教學(xué)和訓(xùn)練中的應(yīng)用現(xiàn)狀

運動捕捉技術(shù)可以捕捉運動員的動作,進行量化分析,研究改進的方法,還可以把運動員的動作捕捉下來,與優(yōu)秀運動員的動作進行對比分析,進而幫助運動員進行訓(xùn)練。因此,目前運動捕捉技術(shù)在體育教學(xué)和訓(xùn)練中,尤其是在高爾夫球、舉重、蹦床等封閉式項目中得到了廣泛的應(yīng)用[5-6]。

2.1.1 高爾夫

高爾夫最基本的原則就是將一顆球自發(fā)球臺起,以擊球方式直至其進洞為止,揮桿動作是否標(biāo)準(zhǔn)直接關(guān)系到擊球的距離與效果,所以揮桿動作的練習(xí)便成為提高高爾夫球員水平的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的高爾夫球教學(xué)主要利用鏡面等手段根據(jù)教練的糾正指導(dǎo)來達到提高揮桿動作標(biāo)準(zhǔn)性的目的。這種方法只能依靠球員自身的感覺與教練的觀察來分析技術(shù)動作,球員無法看清自身揮桿動作的完整過程,也不能準(zhǔn)確比較其揮桿動作與標(biāo)準(zhǔn)動作的差異,因此很難糾正其動作的缺點和不足,不易提高球員的揮桿水平。

歐美日等發(fā)達國家,在教學(xué)和訓(xùn)練中已經(jīng)普遍采用運動捕捉等技術(shù)使高爾夫教學(xué)直觀化、智能化,從而使運動診斷技術(shù)達到定量水平。GolfSense是全球首款便攜式Golf動作輔助訓(xùn)練系統(tǒng),該系統(tǒng)能實現(xiàn)精準(zhǔn)的動作捕捉和數(shù)據(jù)分析,讓用戶從各個角度精確地分析自己的揮桿動作。隨著高爾夫球運動在國內(nèi)的普及與推廣,特別是一些高校己經(jīng)將高爾夫球的教學(xué)納入正規(guī)的體育課堂,高爾夫教學(xué)與練習(xí)的方法得到眾多教師、教練、學(xué)員的關(guān)注。首都師范大學(xué)的吳瓊[7]開發(fā)了基于運動捕捉數(shù)據(jù)的高爾夫輔助訓(xùn)練原型系統(tǒng)；東北大學(xué)劉星彤[8]研制了基于視頻的高爾夫揮桿動作分析儀；北京體育大學(xué)的趙震波[9]對高爾夫全揮桿動作技術(shù)特征進行了比較全面的分析和研究；大連東銳軟件有限公司發(fā)布了一款高爾夫球輔助訓(xùn)練系統(tǒng)（GTRS-1）,可以計算出選手特定關(guān)節(jié)點在某一時刻的速度、加速度、角度、角速度,并可以與數(shù)據(jù)庫中專業(yè)級運動員數(shù)據(jù)進行對比分析,還可以直觀看到選手在運動過程中身體的位置變化。

2.1.2 舉重

舉重是我國的傳統(tǒng)優(yōu)勢項目之一,從文獻調(diào)研來看,目前通過運動捕捉設(shè)備采集舉重動作,并通過計算機自動完成舉重技術(shù)診斷已經(jīng)成為主流方法。王全會等[10]利用Qualisys運動捕捉設(shè)備完成了對陜西男子舉重抓舉動作技術(shù)的研究；伍勰[11]利用VICON紅外光學(xué)捕捉系統(tǒng),同步采集抓舉動作的三維運動學(xué)及地面反作用力數(shù)據(jù),快速再現(xiàn)抓舉動作的三維棍圖與一系列相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)（人體重心、杠鈴中心軌跡,各關(guān)節(jié)角的運動變化、運動各階段時間比等）；劉國翌、鄧宇等[13-14]通過提出一種利用視頻捕捉技術(shù)重建舉重運動中三維人體運動和杠鈴運動的新方法,為運動分析提供依據(jù)；王向東、武文斌等[14-15]采用基于視頻的方法對舉重技術(shù)進行生物力學(xué)的定量分析。

2.1.3 蹦床

中國的蹦床運動起步較晚,1997年才被“國家體育總局”列為正式競賽項目,在2002年成立蹦床國家隊。由于有良好的體操競技基礎(chǔ),加之在蹦床教學(xué)和訓(xùn)練中充分運用運動捕捉等虛擬現(xiàn)實技術(shù),使得我國蹦床運動員黃珊汕于2004年首次參加雅典奧運會就取得了銅牌的好成績。中國蹦床隊總教練卓賢麟說,這枚銅牌的秘密武器就是“數(shù)字化三維蹦床模擬與仿真系統(tǒng)”[16]。該系統(tǒng)主要采用“全自由式視頻捕捉”技術(shù)采集運動員的動作,運用運動編輯等虛擬現(xiàn)實技術(shù),以三維方式逼真模擬、設(shè)計、分析成套技術(shù)動作,并將模擬結(jié)果與運動員訓(xùn)練視頻同屏、同步對比,以便更好地傳達教學(xué)意圖,幫助運動員認識自身的技術(shù)缺陷,從而有效提高運動員的比賽成績。

2.2 體育仿真系統(tǒng)

運動捕捉等虛擬現(xiàn)實技術(shù)在體育教學(xué)和訓(xùn)練中的應(yīng)用催生了“體育系統(tǒng)仿真”這門交叉學(xué)科的誕生。2000年6月“體育系統(tǒng)仿真”這一交叉學(xué)科概念正式被提出,2002年10月中國國家體育科學(xué)研究所體育系統(tǒng)仿真實驗室開放實驗室成立,2004年10月中國系統(tǒng)仿真學(xué)會理事會接受體育系統(tǒng)仿真專業(yè)委員會申請,2005年正式備案,標(biāo)志國內(nèi)這一學(xué)科的建立。體育系統(tǒng)仿真的定義是：通過計算機模擬技術(shù)再現(xiàn)體育教師的教學(xué)經(jīng)驗、教練員的訓(xùn)練意圖、管理者的組織方案和運動員的訓(xùn)練過程,從而達到對體育系統(tǒng)的解釋、分析、預(yù)測、評價的一種實驗技術(shù)科學(xué),運動捕捉作為體育系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵技術(shù)/設(shè)備,負責(zé)運動數(shù)據(jù)的采集與捕獲。一個典型的體育仿真系統(tǒng)具有如下主要功能：1）虛擬訓(xùn)練場景構(gòu)建。依據(jù)運動項目的具體要求對虛擬訓(xùn)練場地、虛擬訓(xùn)練器材和虛擬人等的建模；2）運動數(shù)據(jù)捕獲。運用運動捕捉技術(shù)采集運動實體的運動數(shù)據(jù),并將其用于生成虛擬人動畫；3）生理生化和心理數(shù)據(jù)采集。生理生化和心理指標(biāo)是運動員競技狀態(tài)的重要反映,根據(jù)運動項目的不同,通過各種傳感器和智能化儀器來采集運動員的生理生化數(shù)據(jù)、心理數(shù)據(jù)；4）動作重演和展現(xiàn)。動作重現(xiàn)是體育系統(tǒng)仿真的重要要求,運動捕捉可以很好地完成該任務(wù),例如在體操項目中,教練員首先采集真實體操運動員的運動動作,之后重新編排,產(chǎn)生新動作,再利用虛擬體操運動員精確地重現(xiàn)體操運動員的體操動作,從而幫助體操運動員改進和創(chuàng)新動作,提高水平；5）技術(shù)診斷與分析。通過對技術(shù)動作做量化分析,且以圖形方式展示分析結(jié)果,以此為基礎(chǔ),對“理想”的技術(shù)動作與運動員技術(shù)動作做比較,進行深層次的分析,然后給出改進技術(shù)動作的指導(dǎo)性意見。

2.3 運動捕捉技術(shù)在體育教學(xué)和訓(xùn)練中的應(yīng)用前景

目前,我國的學(xué)校體育教學(xué)內(nèi)容和方法比較落后,仍然采用從教材中傳授既定的基本理論知識、體育基本技能、體育基本技術(shù),教學(xué)手段主要采用教師講解、示范、圖解錄像等較傳統(tǒng)的方法。二十一世紀(jì)是人類全面進入信息化社會的新世紀(jì),在體育教學(xué)改革中,信息技術(shù)應(yīng)用于體育教學(xué)已經(jīng)成為必然趨勢?；谶\動捕捉技術(shù)的體育系統(tǒng)仿真教學(xué)與訓(xùn)練,由于具有高仿真性、開放共享性、人機交互性、重復(fù)使用性以及安全性好等特點,已經(jīng)成為傳統(tǒng)體育教學(xué)與訓(xùn)練方法的一種有益補充,并顯示出巨大的潛力,在教學(xué)和訓(xùn)練中的應(yīng)用將有著廣闊的空間。

3 結(jié)束語

運動捕捉技術(shù)經(jīng)過近40年的發(fā)展,已在許多研究領(lǐng)域得到了應(yīng)用,如表演動畫、體育訓(xùn)練與教學(xué)、影視和游戲、人體生物力學(xué)等?；谶\動捕捉等技術(shù)發(fā)展起來的虛擬現(xiàn)實體育教學(xué)與訓(xùn)練方法,是以現(xiàn)代教育理論為指導(dǎo),以虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等為支撐而建立的新型教學(xué)與訓(xùn)練方法。該方法運用動作捕捉系統(tǒng)采集人體運動數(shù)據(jù),并將其用于生成虛擬人動畫,效果非常逼真,且能保證訓(xùn)練的科學(xué)性；同時運用計算機圖形學(xué)技術(shù)建立虛擬訓(xùn)練場景,并使軟件系統(tǒng)具備了互動操作、全方位觀摩以及運動輔助教學(xué)、動作技術(shù)分析等功能。隨著寬帶時代的來臨,運動捕捉等虛擬現(xiàn)實技術(shù)必將具有更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景,在體育領(lǐng)域我們需要緊密關(guān)注、大膽應(yīng)用,這對于深化體育教學(xué)和訓(xùn)練改革,提高教學(xué)與訓(xùn)練的效率大有裨益。

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〔責(zé)任編輯 石白云〕

App lication of Motion Capture Technology in Physical Simulation

FU Quan1，ZHAO Hui－qin2，WU Zhuang－zhi3
（1.Capital University of Physical Education and Sports，Beijing，100191；
（2.School of Education Science and Technology，ShanxiDatong University，Datong Shanxi，037009；
3.School of Computer Science and Engineering，Beijing University of Aeronautics＆Astronautics，Beijing，100191）

Motion capture technology is the use of sensors to record themotion process of objects or persons，which is widely used in sports，entertainment，medical area and other fields.The article first reviews the motion capture technology.Then the application status of the motion capture technique in physical education and training is reviewed.Third，the article points out the prospects of themotion capture technology in physical education and training.The article is ended with a sketch of future directions of themotion capture technology.

motion capture；physical education；sports training；bodymodelling；virtual reality

G807

A

2013－08－08

付全（1972－），男，黑龍江尚志人，博士，副教授，研究方向：運動心理學(xué)。

1674－0874（2013）05－0085－03