三維動畫在武術套路教學與訓練中的應用

張勝利，閆民，張玉彬36

（1.上海電力學院 體育部，上海 200090；2.濟南大學 體育學院，山東 濟南 250022；3.國家體育總局 武術研究院，北京 100029）

三維動畫在武術套路教學與訓練中的應用

張勝利1，閆民2，張玉彬316

（1.上海電力學院 體育部，上海 200090；2.濟南大學 體育學院，山東 濟南 250022；3.國家體育總局 武術研究院，北京 100029）

武術套路與人體三維動畫可以實現直觀和微觀兩個層面的契合。應用三維動畫可以實現武術套路三維立體教學，使武術技術動作更加立體、直觀，可以輔助套路難度技術動作創新，輔助學習新難度動作，可以進行技術診斷和虛擬武術的抽象過程和環境。

學校體育；武術；體育教學；三維動畫

多年以來，在武術套路教學與訓練中，教師和教練員主要采用錄像等二維視覺媒體作為主要教育技術手段來輔助教學與訓練，從宏觀層面采用直觀、模糊方法進行技術指導，較少從精確、量化的微觀層面分析運動技術并用于指導教學與訓練。與傳統的直觀視覺媒體相比，計算機三維動畫具有清晰的三維特性，可以直觀地顯示運動員的技術動作，也可以用量化的方式描述運動員在三維空間的位置及運動軌跡，可以虛擬現實或理想中的新、難技術動作，具有其它媒體所無法比擬的優越性。目前國內應用三維動畫輔助武術教學和訓練的研究還未見到。本研究以3D MAX制作的三維動畫為例，探討如何應用三維動畫技術輔助武術套路教學與訓練。

1 武術套路與人體三維動畫可以實現直觀和微觀兩個層面的契合

三維動畫能否真實、精確地反映武術套路運動技術是我們首先要關注的問題，這就要求人體三維動畫在直觀視覺和微觀量化兩方面達到與武術套路技術的契合。

1)套路技術動作與人體三維動畫的直觀契合。

目前人體三維動畫主要是通過運動捕捉技術制作完成的。運動捕捉技術實時地檢測、記錄表演者的肢體、表情乃至相機、燈光在三維空間的運動軌跡，將它們轉化為數字化的“抽象運動”，并將其“賦予”用動畫軟件(如3D MAX)制作生成的模型，使模型做出和表演者一樣的動作，并生成最終的動畫序列[1]。所以運用運動捕捉技術捕捉運動員的套路技術動作制作完成的人體三維動畫與運動員的實際動作是一致的，拳種的風格、勁力、節奏等都可以反映出來，在視覺效果上，達到與真實人體武術動作的直觀契合。

2)套路技術動作與人體三維動畫的微觀契合。

人體三維動畫系統是通過捕捉表演者的動作甚至表情，用這些動作或表情數據直接驅動動畫模型[2]。所以，使用計算機對人體形態參數數據進行處理，可以得到不同時間計量單位上不同人體姿勢的空間坐標(X、Y、Z)。

人體三維動畫可以精確描述武術套路運動員在不同時相(通常以幀來表示)肢體在三維空間位置(通常以X、Y、Z軸的數值來表示)，可以顯示肢體動作的運動軌跡，可以計算出肢體運動的速度、方向，可以計算出關節的角度、角速度等。武術套路動作質量中動作規格、難度動作的完成情況可以用肢體在空間位置的坐標參數、運動軌跡、關節角度來精確地衡量，達到虛擬與現實在微觀層面的契合。

2 三維動畫輔助武術套路教學、訓練的優勢

1)在教學、訓練中真正達到三維立體示范。

武術套路的特點之一是動作數量多、方向路線變化多，這就給武術套路的學習帶來困難。在教學中如何讓學生快速形成運動表象、建立技術概念是十分重要的。因此示范作用在武術套路教學與訓練中顯得尤其重要。

以往的直觀教學中，除了教師演練外，主要依靠視頻的直觀演示作為輔助教學的媒體。視頻教學具有一定的局限性，首先，視頻是二維顯示，學生要全面了解動作結構，必須不斷改變觀察點。其次，學生只能按照視頻拍攝的角度進行觀看，無法了解人體其他角度的動作技術規格，所以對動作的感知缺乏完整性和準確性。三維動畫有空間三維運動軌跡，制作完成后在觀看時可以達到立體效果，以太極拳三維動畫為例，動畫制作完成后，學習者就可以通過控制按鈕自由旋轉太極拳人體動畫的示范位置、示范面，或實現畫面的放大或縮小，達到立體教學的效果。

2)輔助武術套路難度動作創新。

對于難美類項群的運動項目而言，創編新動作是非常重要的。在武術套路自選項目比賽中，完成一個創新的B級動作難度(含連接難度)加0.2分；完成一個創新的C級動作難度(含連接難度)加0.3分；完成一個創新的超C級動作難度加0.4分[3]。以往創編新難度動作的過程主要是在教練員和運動員的大腦中和身體上試驗完成。由于現實人體的客觀局限性，運動員在試做新創編動作時，存在較大的風險。所以，教練員和運動員感到缺乏一個能夠清晰、穩定、完整、快速的創編和演示動作的輔助工具，來對創編動作進行“定量化、形象化”解釋。這樣直接影響了動作的效果和創編新動作的效率。

對于虛擬實境中的每一個單獨動作的對象來說，空間位置的確定是由空間坐標的3個變量x、y、z來決定的，任何對象的運動都可以由其在空間的運動曲線模型來描述。運用計算機三維動畫的人體建模技術可以建立一個標準的武術套路運動員動態人體模型。通過改變各時間點所對應的人體模型各部位的三維坐標參數(即X、Y、Z軸的數值)，可以實現人體模型身體旋轉、翻滾、跳越、起伏轉折以及四肢的擺動、屈伸等動作，從而創編出任何想象中的武術動作。然后對新動作進行分析、評價，修改不合理的部分，找出最有可能實現的創新動作，從而提高創編動作的質量。

此外，利用人體三維動畫進行武術套路新動作的創編時，可以對人體模型的動作進行分割、復制、刪除等修改，從而縮短創編新動作的時間；可以隨時從不同角度進行加速、減速、定格等播放，進行新動作的效果演示，快速得到創編動作的反饋，以便隨時進行修改，從而提高創編動作的效率。

3)縮短建立動作表象的過程。

對于武術套路教學和訓練而言，建立清晰、正確的動作表象是非常重要的一環。應充分利用運動員的視覺、聽覺形成動作表象，明確動作的技術結構及技術要領，建立完整的技術概念[4]。在以往武術套路難度動作的教學和訓練中，建立動作表象的途徑一方面是靠教師對技術的講解、示范，觀看優秀武術套路運動員的錄像獲得外部技術信息。另一方面是靠運動員的本體感覺，獲得內部技術信息。

通過觀看優秀武術套路運動員難度動作的三維動畫，可以比觀看二維視頻更快速、更準確地獲得外部技術信息，建立完整、清晰的技術概念。通過觀看自身技術動作的三維動畫，反饋自身的運動信息，使運動員更好地感知身體內部信息，感受自己身體在空間的位置和肢體的運動坐標，從而更快更好地建立動作表象。

4)在套路技術診斷中達到直觀與量化的結合。

在武術套路訓練中，通過技術分析，診斷出運動員動作技術的不足，進行有針對性的訓練，對于提高動作技術水平是非常重要的。技術分析方法大體有兩種，即生物力學分析法和簡單觀察法。目前對武術套路動作技術的生物力學分析主要是通過運動捕捉技術對運動員三維運動軌跡進行實時捕捉，得到運動員在不同時間點的空間位置(通常以X、Y、Z軸的數值來表示)，然后對采集到的技術動作的各項參數(包括位移、速度、加速度、力矩等)進行生物力學分析，找出運動員動作技術中存在的不足。

武術套路技術包括動作質量、演練水平、難度(自選項目)[5]。演練水平主要還是通過直觀觀察、模糊評判來反映，無法進行生物力學的精確分析，這是由武術套路的項目特點決定的。所以武術套路技術分析不可能單純依靠生物力學分析法，還要依靠觀察分析。通過運動捕捉技術得到的運動員的技術動作是以三維空間點的形式存在，還不是直觀的人體動作。人體三維動畫很好地解決了這一問題。通過建立三維人體模型，然后把運動捕捉獲得的數據導入人體模型，人體模型就會產生和人體同樣的運動，以此產生的運動員套路技術動作三維動畫可以直觀地反映運動員的套路演練水平。

通過運動捕捉技術生成的人體三維動畫不但可以直觀地反映運動員的套路技術水平，還可以對運動員三維空間的運動軌跡進行精確的量化。教練員不但可以觀察運動員的演練水平，還可以從各個時相和各種角度觀察運動員動作規格和難度的完成情況。如踢腿的高度、身體旋轉的角度等，都可以得到精確的數值。對錯誤動作進行準確的時間和空間定位，找到此時人體姿勢的空間坐標(X，Y，Z)，對錯誤動作的人體形態參數數據進行分析，找出錯誤原因，完成量化的數字分析。教練員能夠有的放矢地糾正運動員技術動作。

此外，人體三維動畫優勢之一是可以對動作技術進行修改，運用運動捕捉技術對優秀武術套路運動員的技術動作進行捕捉，對其中不規范的部分進行修改，可以建立標準技術動作模型。

5)虛擬武術中的抽象過程和環境。

計算機三維動畫另一優勢是虛擬現實技術，虛擬現實技術是指利用計算機生成一種模擬環境，并通過多種專用設備使用戶“投入”到該環境中，實現用戶與該環境直接進行自然交互的技術[6]。利于虛擬現實技術可以完成在現實人體或環境中所無法完成的任務。武術特別是傳統武術比較注重練“氣”，其中涉及到人體經絡、穴位以及氣血運行等中醫知識。這些內容，肉眼無法觀察，錄像也只能是對已經完成動作或直觀景物的再現，對于這樣的抽象概念卻束手無策。在以往的教學中，也只能是通過掛圖等靜態圖像來學習，因為這些過程非常抽象，學生難以理解，在教學過程存在困難。而計算機三維動畫的虛擬現實技術可以非常清晰地虛擬這一過程。可以利于3D MAX軟件中的角色動畫制作一個人物，并將武術中的抽象內容賦予其上。這樣，就將抽象的概念轉化成直觀影像，使原本抽象的過程變得直觀、生動，便于理解。

虛擬現實技術具有的沉浸性、交互性、想象性，使得參與者能在虛擬環境中做到沉浸其中、超越其上、進出自如和交互自由[7]。這是利用三維動畫中的三維建模功能，建立一個與真實接近的場景。利用這一技術可以對武術比賽環境進行模擬，用三維動畫制作的比賽空間環境，立體感強，使學習者產生“沉浸感”。在平時的訓練或教學中，運動員通過交互設備(佩戴 3D眼鏡、頭盔顯示器、傳感手套等)產生身臨其境的感覺，仿佛置身其中，成為其中的一員，能夠感受到武術比賽現場的氣氛，以此來提高學生的適應能力。目前，將此項技術應用于武術教學、訓練的研究還未見到，但其研究前景看好。

通過運動捕捉制作的三維動畫與運動員的實際動作是一致的，可以在視覺直觀和微觀量化兩方面達到與武術套路技術的完美契合。利用三維動畫輔助武術套路的教學和訓練是可行和有效的。武術教師可以與計算機專業人員合作，實現強強聯合，制作出高質量的武術三維動畫。隨著計算機技術的快速發展，制作三維動畫越來越容易，廣大武術工作者要嘗試運用三維動畫輔助武術套路教學和訓練并在應用中不斷完善，提高武術教學、訓練的科技含量，更好地促進武術的發展。

[1] 曲毅，李存華. 運動捕捉技術在影視動畫制作中的應用研究[J]. 信息技術，2006(11)：124-126.

[2] 黃波士，陳福民. 運動捕捉及其在動畫制作中的應用[J]. 計算機工程，2005(13)：168-170.

[3] 國際武術聯合會審定. 武術套路競賽規則(試行)[S]. 2008：10.

[4] 《運動訓練學》教材小組. 運動訓練學[M]. 北京：人民體育出版社，1990：138.

[5] 國際武術聯合會. 武術套路競賽規則(試行)[S].2008：8.

[6] 申蔚，曾文琪. 虛擬現實技術[M]. 北京：清華大學出版社，2009：3.

[7] 沈洪，呂小星，朱軍. 多媒體計算機與虛擬現實技術[M]. 北京：清華大學出版社，2009：32.

Application of 3D animation in Wushu routine teaching and training

ZHANG Sheng-li1，YAN Ming2，ZHANG Yu-bin3
（1.Department of Physical Education，Shanghai Univercity of Electric Power，Shanghai 200090，China；2.School of Physical Education，University of Jinan，Jinan 250022，China；3.Wushu Institute of General Administration of Sport，Beijing 100029，China）

The authors analyzed the advantages of 3D animation in the sports area today, probed into how to apply 3D animation technology to assist Wushu routine teaching and training, and revealed the following findings: applying 3D animation can realized the 3D Wushu routine teaching, make Wushu technical moves more vivid and intuitive, assist the innovating of difficult technical moves in routines and the learning of new difficult moves, make technical diagnoses, and virtualize abstract processes and environments of Wushu

school physical education；Wushu；physical education teaching；3D animation

G807

A

1006-7116(2012)01-0090-03

2011-05-24

國家社會科學基金項目(10BTY045)。

張勝利（1974-），男，副教授，博士，研究方向：民族傳統體育學。