運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)仿真中的應(yīng)用

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(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100191）

運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100191）

運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)是指利用傳感器記錄物體或人的動(dòng)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(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)進(jìn)行了綜述，然后對運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在體育教學(xué)和訓(xùn)練的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，接著指出了運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的發(fā)展趨勢。

運(yùn)動(dòng)捕捉；體育教學(xué)；運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練；人體建模；虛擬現(xiàn)實(shí)

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(jìn)了科學(xué)技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)中的大量應(yīng)用[1]。從運(yùn)動(dòng)技術(shù)這一視角來看,運(yùn)動(dòng)成績要獲得提高或者突破就必須在運(yùn)動(dòng)技術(shù)研究方法學(xué)上完成兩個(gè)轉(zhuǎn)變：即從傳統(tǒng)的基于人眼觀察到基于高精度運(yùn)動(dòng)捕捉與分析的人體運(yùn)動(dòng)測量方法的轉(zhuǎn)變；從基于包含感情色彩的經(jīng)驗(yàn)方法到基于程序化的人體運(yùn)動(dòng)仿真的人體運(yùn)動(dòng)分析方法的轉(zhuǎn)變。

隨著機(jī)器視覺、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的迅速發(fā)展,精確捕捉人體動(dòng)作并且進(jìn)行重現(xiàn),已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。通過運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)獲取某類技術(shù)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)參數(shù)及生理生化指標(biāo)等數(shù)據(jù),從而統(tǒng)計(jì)出運(yùn)動(dòng)規(guī)律,為體育教學(xué)和運(yùn)動(dòng)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(yàn)的狀態(tài),進(jìn)入科學(xué)化、數(shù)字化時(shí)代。本文重點(diǎn)介紹了運(yùn)動(dòng)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(jìn)行了探討。

1 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)概述

1.1 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的發(fā)展

運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)是指利用傳感器記錄物體或人的動(dòng)作過程的技術(shù),廣泛運(yùn)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(shí)驗(yàn)室、麻省理工學(xué)院、Simon Frase大學(xué)等開展了基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的人體運(yùn)動(dòng)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(shí)用化[3-4]。英國Animazoo公司研究的Animazoo IGS-180/180i物理慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)性能靈活,對快速動(dòng)作和細(xì)微動(dòng)作都可捕捉；英國OMG公司研究的Vicon MX利用運(yùn)動(dòng)捕捉攝像機(jī)和相應(yīng)的設(shè)備來捕捉實(shí)時(shí)的光學(xué)數(shù)據(jù),并提供純動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)結(jié)構(gòu),完成全自動(dòng)三維數(shù)據(jù)重建、跟蹤器自動(dòng)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(dòng)畫制作、工業(yè)測量與控制、運(yùn)動(dòng)分析等領(lǐng)域；瑞典Qualisys公司研究的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是世界上唯一同時(shí)支持主動(dòng)式和被動(dòng)式運(yùn)動(dòng)捕捉的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng),并提供配套的動(dòng)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(gè)全自由式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng),可以隨心所欲地進(jìn)行動(dòng)作捕捉。上面討論的動(dòng)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(jī)構(gòu)和公司也開始從事運(yùn)動(dòng)捕捉的研究：北航虛擬現(xiàn)實(shí)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制了人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備--數(shù)據(jù)衣；中科院自動(dòng)化所進(jìn)行數(shù)據(jù)手套的研究；同濟(jì)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系開發(fā)出了基于光學(xué)的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)。國內(nèi)的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng),在實(shí)時(shí)性和真實(shí)性上與國外有一定的差距,有待提高。

1.2 運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備的組成

運(yùn)動(dòng)捕捉的實(shí)質(zhì)就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡,一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備一般包括以下幾個(gè)部分：

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

2）信號捕捉設(shè)備。負(fù)責(zé)位置信號的捕捉,對于機(jī)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(jī)。

3）數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。負(fù)責(zé)將大量的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)從信號捕捉設(shè)備迅速準(zhǔn)確地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng),并進(jìn)行和處理。

4）數(shù)據(jù)處理設(shè)備。經(jīng)過運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)動(dòng)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(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的分類

運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)可以從不同的角度進(jìn)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(shí)時(shí)性劃分,分為實(shí)時(shí)捕捉系統(tǒng)和非實(shí)時(shí)捕捉系統(tǒng)兩種；根據(jù)工作原理來對其進(jìn)行分類是最常見的一種方式,分為機(jī)械式運(yùn)動(dòng)捕捉、聲學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉、電磁式運(yùn)動(dòng)捕捉、光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉、全自由式視頻捕捉。

2 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的體育教學(xué)和在訓(xùn)練中的應(yīng)用

2.1 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在體育教學(xué)和訓(xùn)練中的應(yīng)用現(xiàn)狀

運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)可以捕捉運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作,進(jìn)行量化分析,研究改進(jìn)的方法,還可以把運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作捕捉下來,與優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作進(jìn)行對比分析,進(jìn)而幫助運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行訓(xùn)練。因此,目前運(yùn)動(dòng)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(xiàng)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(tái)起,以擊球方式直至其進(jìn)洞為止,揮桿動(dòng)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(dòng)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(dá)到提高揮桿動(dòng)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(dòng)作,球員無法看清自身揮桿動(dòng)作的完整過程,也不能準(zhǔn)確比較其揮桿動(dòng)作與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作的差異,因此很難糾正其動(dòng)作的缺點(diǎn)和不足,不易提高球員的揮桿水平。

歐美日等發(fā)達(dá)國家,在教學(xué)和訓(xùn)練中已經(jīng)普遍采用運(yùn)動(dòng)捕捉等技術(shù)使高爾夫教學(xué)直觀化、智能化,從而使運(yùn)動(dòng)診斷技術(shù)達(dá)到定量水平。GolfSense是全球首款便攜式Golf動(dòng)作輔助訓(xùn)練系統(tǒng),該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的動(dòng)作捕捉和數(shù)據(jù)分析,讓用戶從各個(gè)角度精確地分析自己的揮桿動(dòng)作。隨著高爾夫球運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)作分析儀；北京體育大學(xué)的趙震波[9]對高爾夫全揮桿動(dòng)作技術(shù)特征進(jìn)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(jì)算出選手特定關(guān)節(jié)點(diǎn)在某一時(shí)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(yùn)動(dòng)員數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,還可以直觀看到選手在運(yùn)動(dòng)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(xiàng)目之一,從文獻(xiàn)調(diào)研來看,目前通過運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備采集舉重動(dòng)作,并通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成舉重技術(shù)診斷已經(jīng)成為主流方法。王全會(huì)等[10]利用Qualisys運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備完成了對陜西男子舉重抓舉動(dòng)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(dòng)作的三維運(yùn)動(dòng)學(xué)及地面反作用力數(shù)據(jù),快速再現(xiàn)抓舉動(dòng)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(yùn)動(dòng)變化、運(yùn)動(dòng)各階段時(shí)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(yùn)動(dòng)中三維人體運(yùn)動(dòng)和杠鈴運(yùn)動(dòng)的新方法,為運(yùn)動(dòng)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(jìn)行生物力學(xué)的定量分析。

2.1.3 蹦床

中國的蹦床運(yùn)動(dòng)起步較晚,1997年才被“國家體育總局”列為正式競賽項(xiàng)目,在2002年成立蹦床國家隊(duì)。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(yùn)用運(yùn)動(dòng)捕捉等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),使得我國蹦床運(yùn)動(dòng)員黃珊汕于2004年首次參加雅典奧運(yùn)會(huì)就取得了銅牌的好成績。中國蹦床隊(duì)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(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作,運(yùn)用運(yùn)動(dòng)編輯等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),以三維方式逼真模擬、設(shè)計(jì)、分析成套技術(shù)動(dòng)作,并將模擬結(jié)果與運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練視頻同屏、同步對比,以便更好地傳達(dá)教學(xué)意圖,幫助運(yùn)動(dòng)員認(rèn)識自身的技術(shù)缺陷,從而有效提高運(yùn)動(dòng)員的比賽成績。

2.2 體育仿真系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)捕捉等虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)驗(yàn)室開放實(shí)驗(yàn)室成立,2004年10月中國系統(tǒng)仿真學(xué)會(huì)理事會(huì)接受體育系統(tǒng)仿真專業(yè)委員會(huì)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(jì)算機(jī)模擬技術(shù)再現(xiàn)體育教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、教練員的訓(xùn)練意圖、管理者的組織方案和運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練過程,從而達(dá)到對體育系統(tǒng)的解釋、分析、預(yù)測、評價(jià)的一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)科學(xué),運(yùn)動(dòng)捕捉作為體育系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵技術(shù)/設(shè)備,負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集與捕獲。一個(gè)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(yùn)動(dòng)項(xiàng)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(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)捕獲。運(yùn)用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)采集運(yùn)動(dòng)實(shí)體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),并將其用于生成虛擬人動(dòng)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(yùn)動(dòng)員競技狀態(tài)的重要反映,根據(jù)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的不同,通過各種傳感器和智能化儀器來采集運(yùn)動(dòng)員的生理生化數(shù)據(jù)、心理數(shù)據(jù)；4）動(dòng)作重演和展現(xiàn)。動(dòng)作重現(xiàn)是體育系統(tǒng)仿真的重要要求,運(yùn)動(dòng)捕捉可以很好地完成該任務(wù),例如在體操項(xiàng)目中,教練員首先采集真實(shí)體操運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作,之后重新編排,產(chǎn)生新動(dòng)作,再利用虛擬體操運(yùn)動(dòng)員精確地重現(xiàn)體操運(yùn)動(dòng)員的體操動(dòng)作,從而幫助體操運(yùn)動(dòng)員改進(jìn)和創(chuàng)新動(dòng)作,提高水平；5）技術(shù)診斷與分析。通過對技術(shù)動(dòng)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(dòng)作與運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作做比較,進(jìn)行深層次的分析,然后給出改進(jìn)技術(shù)動(dòng)作的指導(dǎo)性意見。

2.3 運(yùn)動(dòng)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(jìn)入信息化社會(huì)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\(yùn)動(dòng)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(jī)交互性、重復(fù)使用性以及安全性好等特點(diǎn),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(bǔ)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(yùn)動(dòng)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(dòng)畫、體育訓(xùn)練與教學(xué)、影視和游戲、人體生物力學(xué)等?；谶\(yùn)動(dòng)捕捉等技術(shù)發(fā)展起來的虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(yùn)用動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采集人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),并將其用于生成虛擬人動(dòng)畫,效果非常逼真,且能保證訓(xùn)練的科學(xué)性；同時(shí)運(yùn)用計(jì)算機(jī)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(dòng)操作、全方位觀摩以及運(yùn)動(dòng)輔助教學(xué)、動(dòng)作技術(shù)分析等功能。隨著寬帶時(shí)代的來臨,運(yùn)動(dòng)捕捉等虛擬現(xiàn)實(shí)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(yùn)動(dòng)心理學(xué)。

1674－0874（2013）05－0085－03