計算機數字模擬技術在武術動作技術結構研究中的應用

王亞瓊 孫 偉

（黔南民族師范學院體育系，貴州 都勻 558000）

【武術套路研究】

計算機數字模擬技術在武術動作技術結構研究中的應用

王亞瓊 孫 偉

（黔南民族師范學院體育系，貴州 都勻 558000）

文章采用文獻綜述的研究方法，從體育科學研究方法論的視角，論述應用計算機數字模擬技術對武術動作技術結構進行研究的方法與程序。從武術運動中人體動作結構數字模型的建立、計算機數字模擬技術應用的步驟、數據輸入、數據前處理、計算機模擬數字計算到武術動作技術結構模型方案的修改、新動作技術模式設計與計算機數字模擬技術在運動技術訓練中的應用價值等方面，詳細論述了計算機數字模擬技術在武術動作技術結構研究中的應用方法、過程、具體步驟與功能。

計算機數字模擬 武術 動作技術結構

1 問題的提出

對武術動作技術結構的研究是武術教學與訓練實踐中經常涉及到的重點課題，傳統的方法通常使用攝像機拍攝運動員的技術動作，然后對其結構的進行分析。但是這種方法只能對運動員的技術動作進行一次性的簡單回放，對于武術動作技術結構的運動學、動力學、生物學特征的量化及比較分析，則不能得到滿意的結果。隨著科學技術的發展與現代體育發展的需求，電子計算機技術的快速發展為體育動作結構圖像的比較、疊加、動力學測試、計算與自動分析等功能的實現，為動作技術結構的量化分析與研究奠定了雄厚的基礎，尤其是計算機數字模擬技術應用于動作技術結構領域的研究，可以使武術專家及教練員在武術動作技術結構的設計階段就能預知動作技術結構的功能和結果，從而為研究武術動作技術的結構特征，進行最佳化武術動作技術結構的設計建立了一條科學技術與運動實踐相結合的道路。應用計算機數字模擬技研究武術動作技術的結構特征，無論是對武術動作技術結構的改進，還是武術動作技術結構的再造與重建，都能使其研究周期大幅度地縮短，提高武術動作技術結構設計方案的可行性與實際應用的價值，提高武術運動技術訓練的調控水平和訓練效率。

2 武術動作技術結構數字模擬仿真模型的建立

計算機數字模擬技術是利用計算機技術對人體運動這一復雜結構系統進行分析、研究和設計的有力工具，其應用和影響已涉及眾多體育運動項目的科學研究領域，如對運動中人體運動動作結構的運動學特征、動力學特征及生物學特征領域的研究，充分揭示了動作技術的外部形式與內在本質的聯系、原理和動作技術模式的建立與發展規律。在武術動作技術結構研究中，由于研究所涉及到人體運動時的基本結構特性，根據武術動作技術的目的及人體完成武術動作技術的規律和特征，通常將人體簡化為多質點數字化模型或多剛體系統的數字化模型。把人體的骨骼、肌肉、肌腱等運動系統組織，處理為數字化的、由多個具有空間形態及質量的剛體模型，并將多個環節之間的作用力及力矩建立成影響動作技術結構的多因素模型，從而建立研究與設計武術動作技術結構的運動學、動力學、生物學運動方程。當選用獨立的廣義坐標研究技術動作時，其數學模型為常微分方程（ODE OrdinaryDifferential Equations）；如果選用非獨立的廣義坐標，則得到的是微分代數方程（DAE Differential Algebraic Equations）。這些方程通常都屬于高階的、高度耦合的非線性方程，除了在極少數情況下可以簡化通過人工方式的計算并求得解析結果外，一般都需要通過計算機技術尋求數值的解析結果。

3 計算機數字模擬技術的方法與過程

3.1 計算機數字模擬技術的方法

通過計算機建立的數字模型來模擬人體研究武術運動動作結構特征的過程與方法包括下述幾個步驟，即輸入數字模型的原始參數、通過電子計算機的程序計算、取得技術動作過程局部環節運動、整體運動動態（靜態）結構特征的描述結果、形成武術動作技術結構的原理等，這一過程稱為計算機數字模擬技術，也稱為數值仿真技術。在實踐中應用計算機數字模擬技術計算時，會遇到正向或逆向問題，如已知人體運動時各局部環節的運動狀態（如各局部環節運動的空間特征、時間特征），求解形成動作技術結構的力學條件（如環節運動所涉及的肌肉拉力矩、環節阻力矩、整體運動狀態下人體內力的傳遞及動量矩沿人體各環節的轉移，外力作用等條件）等。

在計算機數字模擬技術的運算過程中，必須要增加對其力學附加約束條件，以求得各輸入量的最佳組合，完成對武術動作技術結構的最佳化設計。在建立數字模擬仿真模型有關參數足夠準確的條件下，計算結果能夠準確地真實地反映運動狀態的動態結構特征，對武術動作技術結構研究所獲得的結果，具有很強的預測性和極為實用的指導作用。例如美國運動生物力學專家艾。里爾博士對鐵餅運動員威爾金森擲鐵餅的技術診斷，通過計算機數字模擬技術對其動作技術結構的研究，模擬計算了其投擲鐵餅過程中動作空間特征、動作速率、力和動量傳遞與動量矩轉移等參數的高階、高度耦合非線性方程，對威爾金森的技術動作結構提出了優化設計的最佳動作技術結構方案，由于這些研究都是建立在科學的理論基礎之上，因而可以為優化運動員的動作技術結構提供科學的指導，對提高運動技術水平具有極為重要的意義。

3.2計算機數字模擬技術應用的過程

計算機數字模擬技術應用的過程涉及到多個不同的方面，如根據武術動作技術結構的研究課題、目的和任務，建立多剛體系統的連續運動及動態性質的數字化模型、建立動作結構的運動學、動力學及生物學方程、應用或編制軟件、調試計算、數據檢查校核、反饋調節與控制，至最終建立與完善武術最佳化動作技術結構（模式）等，其工作流程如圖1所示。

圖1 計算機數字模擬技術工作流程圖

4 計算機數字模擬技術的程序及步驟

隨著現代電子計算機技術的高速發展，目前市場上己有許多研究多剛體系統模型力學的計算機程序軟件，應用這些軟件程序能求解武術運動過程中人體多剛體系統運動學和動力學的正向、逆向問題，由于武術運動中人體的一切技術動作結構都必然遵循力學和生物學的基本原理，因而通過其數字模擬技術的計算方式能解決運動中人體武術動作技術結構的量化分析問題。計算機數字模擬技術的步驟包括數據輸入、數據前處理、模擬計算、數據后處理、技術動作方案的修改或創新動作設計及數據后處理和圖像顯示。

4.1 數據輸入

數據的輸入包括從通過三維立體攝影的方法所獲得的武術動作技術結構資料影片或平面錄像拍攝所得的動作技術結構運動學參數，從電子測力臺系統測試所得的動作技術結構動力學參數及人體慣性、轉動慣量等生物力學參數，數據的輸入過程具有統計學處理，輸入數的篩選、修改、平滑程序，對有誤或可疑數據可進行重新確認和修改。

4.2 數據前處理

數據前處理包括數據的坐標轉換、誤差處理、時間同步處理等。根據影片或錄像資料中一般都具有慣性和非慣性參考坐標（如背景參考標記、人體結構的坐標軸等）來表示動作空間特征。計算機仿真計算的坐標系通常建立在人體多剛體模型的慣性主軸上，所以在運算前需將原始數據進行坐標轉換，對參數進行統計處理，在誤差處理中剔除奇異點，以及對整套數據進行平滑處理，時間同步處理則是對平面圖像空間特征數據與時間特征的吻合，或將三維攝影中兩個互為垂直的平面圖像數據進行同步校正，這些數據前處理工作對于系統計算結果準確性具有直接的影響與作用。

4.3 計算機數字模擬計算

輸入數據經過正確的前處理階段后，即可根據動力學方程計算，得到武術技術動作在空間運動的全過程，并將它與實際影像比較來驗證模擬程序的準確程度與誤差性。當計算機模擬計算的結果圖像與實際動作圖像相比較，兩者軌跡基本吻合時，說明計算機數字模擬技術程序計算是符合所研究實際的，其結果對武術動作技術結構的改進、設計與再造，對運動訓練實踐具有良好的指導作用與意義。

4.4 武術動作技術結構的修改與新動作技術結構的設計

計算機數字模擬計算技術的一項重要功能，是修改局部動作和設計新的武術最佳化動作技術模式及訓練方案，由于圖形變化可采用數學語言描述，通過計算機系統的自動識別，局部動作的修改經數據輸入后，整個運動圖形會產生相應的改變。如果在計算機顯示中觀察到的結果理想，則說明修改或新設計的動作值得嘗試。這一功能對研究武術技術動作的最佳化結構，對武術運動訓練過程中的教練員、運動員具有十分重要的指導性作用，特別是對運動中武術基本動作的確立和創造高、難、新動作，可以使教練員一些新的設想先在仿真程序中證明其可行且有效后，再作實際嘗試，可以最大限度地減小和防治運動創傷的產生，更高效率地提高武術動作技術訓練的效果及安全性。

4.5 數據后處理和圖像顯示

計算機數字模擬技術計算得到的數據，需根據研究課題內容和任務的要求，以不同的方式所顯示。計算機數字模擬技術計算程序具有各種數據轉換功能，可以將結果以各種圖形方式顯示。這一過程稱為數據后處理，最后可得非常直觀和最合理的技術動作圖形結果。在研究和設計最佳化武術動作技術結構方案的過程中，這些通過計算機數字模擬技術計算得到的連續圖形輸出，對武術動作技術結構方案的修改和創新，具有極為重大的參考價值，能夠起到直接和決定的作用。

5 計算機數字模擬技術在運動技術訓練中的應用價值

利用計算機進行數字模擬仿真，并利用三維動畫技術研究技術動作時可具備以下功能和作用價值：

（1）利用計算機進行數據仿真，采用三維方式逼真模擬技術動作，以三維動畫顯示技術解析武術動作技術立體空間結構的運動學、動力學及生物學特征。使運動員更容易、更快速地掌握技術動作要領，從而大幅度地提高運動員整體運動訓練水平和動作技能水平。

（2）動作編排模擬與設計合理的動作體系，完成武術運動訓練中新動作技術方案的設計與技術動作標準模式化。通過計算機數字模擬技術可以編輯、修改、設計新動作，從各種編排結果中挑選、設計最佳化武術動作技術結構方案，據此建立武術動作技術結構模式，指導運動技術教學與訓練。

（3）模擬結果與訓練技術動作的對比，可以對武術動作技術結構進行量化比較分析，進行技術診斷，并以圖形方式展示分析結果。包括武術運動中人體動作的空間狀態變化、人體重心運動軌跡的變化、位移、速度、加速度、力和力矩作用等。在此基礎上，可以應用科學、合理的動作模式與運動員技術動作做深層次的比較分析，通過將運動員的訓練動作與標準模擬動作顯示在同一個屏幕上，并以相同視點、同步對比，進行技術診斷，根據武術動作技術結構原理設計運動員改進技術動作的指導性方案。

計算機數字模擬技術應用于武術動作技術結構的研究目前是武術運動技術研究的重點課題。國內外同行雖然在人體運動模擬的計算機數字模擬技術計算技術研究方面已有一些結果，但由于其計算復雜度高，需要人為設定繁瑣的參數而難以完全滿足運動實踐的需要。隨著現代科學技術的高速發展，計算機數字模擬技術計算技術在不斷與武術動作技術結構研究相結合的實踐中，將顯現越來越大的指導作用與價值。

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Application of the Digital Simulation Technique of Computer in Studying Action Technique Structure of Wushu

Wang YaqiongSun Wei
（Dept.of Physical Education，Qiannan Normal College for Nationalities,Duyun Guizhou 558000）

The paper studies the methods and procedure of the digital simulation technique of computer in studying action technique structure form the aspect of study methodology of sports science on the basis of document summarization.The paper has discoursed in detail the method,process as well as material step and function of the digital simulation technique of computer in studying action technique structure of Wushu from the aspects of building the digital model of incarnate action technique structure of Wushu,step as well as the processing,transcription and computation of data in the applying the digital simulation technique of computer,modifying the scheme of the action technique structure model of Wushu,designing the model of the new action technique,applying the digital simulation technique of computer to the training of the athletics technique.

digital simulation of computer Wushu structure of action technique

G85

A

1004—5643（2010）03—0042—03

1.王亞瓊（1 9 5 8～），女，教授。研究方向：民族傳統體育學。

2.孫 偉（1 9 8 7～），男。研究方向：計算機技術應用。