籃球技術(shù)三維仿真系統(tǒng)的設(shè)計

陳 健，施 澤

1 籃球技術(shù)三維仿真系統(tǒng)研制的必要性

競技體育的目標(biāo)是“更高、更快、更強(qiáng)”，除運動員刻苦訓(xùn)練外，科學(xué)的訓(xùn)練方法和手段是提高運動成績重要而有效的途徑。長期以來，我國籃球運動訓(xùn)練的科技水平相對較低，一直采用以經(jīng)驗為主的訓(xùn)練與教學(xué)方法，教練員憑借肉眼和經(jīng)驗對運動員的技術(shù)動作進(jìn)行指導(dǎo)，運動員也只能通過重復(fù)性練習(xí)掌握技術(shù)要領(lǐng)，嚴(yán)重影響了我國籃球運動水平的進(jìn)一步快速提高［1］?；@球教學(xué)和訓(xùn)練過程中，運動員需要有大量的觀察、模仿、反饋、修正等除了本體感覺外的感覺信號特別是視聽感覺，籃球技術(shù)三維仿真系統(tǒng)所具有的特征能很好彌補(bǔ)這些不足之處。運動員借助此系統(tǒng)可以領(lǐng)會與掌握頂尖選手技術(shù)動作的細(xì)節(jié)與關(guān)鍵點。

籃球技術(shù)三維仿真系統(tǒng)不但可以輔助傳統(tǒng)教學(xué)和訓(xùn)練方式，也有利于激發(fā)運動員學(xué)習(xí)、訓(xùn)練興趣，提高認(rèn)知主體作用的能力，提升知識與技能的獲取和實現(xiàn)對教學(xué)訓(xùn)練信息的有效組織與管理，為教學(xué)和訓(xùn)練提供較為理想的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練環(huán)境。目前國內(nèi)外籃球界經(jīng)過長期實踐與研究取得共認(rèn)：在籃球技術(shù)訓(xùn)練中引入三維仿真技術(shù)，可以幫助運動員在訓(xùn)練過程中盡快掌握動作技術(shù)要領(lǐng)，減少盲目重復(fù)，極大地提高訓(xùn)練效率、降低運動員受傷害可能性，達(dá)到最佳訓(xùn)練效果。基于此，構(gòu)建籃球運動技術(shù)三維仿真系統(tǒng)是件迫切且必要的工作。

2 籃球技術(shù)三維仿真系統(tǒng)的構(gòu)成部分

2．1 虛擬的籃球運動員

本研究所指的“三維數(shù)字虛擬人”與“數(shù)字人體”并非同一概念。數(shù)字人體的研究對象是活人，是建立在多時空下的動態(tài)人體系統(tǒng)，以人體實時觀測、網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)信息處理為主體的技術(shù)系統(tǒng)。而“數(shù)字化虛擬人”或“虛擬人”的研究對象是死人，是將尸體用刀切削成為成千上萬個人體切片后拍照，在電腦里對其進(jìn)行整合，重建人體三維結(jié)構(gòu)［2］。這是“數(shù)字人體”與“數(shù)字化虛擬人”本質(zhì)上的區(qū)別，只是在數(shù)字化虛擬技術(shù)上有一定聯(lián)系?！皵?shù)字化虛擬人”研究包括虛擬可視人、虛擬物理人和虛擬生物人三個研究層面，目前是虛擬可視人，與利用活人作為立足點研究的數(shù)字人體有很大差異性。數(shù)字化虛擬人體的研究目的是了解人體系統(tǒng)在某一時間、空間尺度的情況，其立足點是活人。人體由100多萬億個細(xì)胞組成，僅神經(jīng)系統(tǒng)就約有1 000億個神經(jīng)元，細(xì)胞構(gòu)成的組織、器官間相互作用，人體與外界環(huán)境產(chǎn)生沖突與和諧，這些極為復(fù)雜的人體系統(tǒng)變化是數(shù)字化虛擬人無法實現(xiàn)的，因此在運動虛擬現(xiàn)實研究中所說數(shù)字人如果不特別指定就是專指基于活人的數(shù)字人體。

中國科學(xué)院計算機(jī)研究所孫勇超等人提出了分層構(gòu)建三維數(shù)字人體的人體模型法，即虛擬人由基本骨架、肌肉層和皮膚層構(gòu)成，其中人體骨架由人體重心、關(guān)節(jié)和骨骼構(gòu)成，虛擬人模型包括虛擬人骨架和虛擬人表面模型，通?？吹教摂M人模型只是虛擬人的表面模型，而沒有虛擬數(shù)字人骨架模型，現(xiàn)在一般把虛擬人模型劃分成兩層表示，即骨架和部位（包括肌肉、皮膚、服飾）。表面模型由53塊部位組成，每對相互連接的部位之間設(shè)有小塊公共區(qū)域，這樣在虛擬數(shù)字人運動時才不會出現(xiàn)裂縫的情況。虛擬人骨架模型由全身的所有關(guān)節(jié)和骨骼段組成。吳永棟提出虛擬數(shù)字人骨架模型應(yīng)包括54個關(guān)節(jié)（包括一個重心位置）和53塊骨骼段，每個部位體可以分別繞著各自的關(guān)節(jié)在不同自由度方向上作旋轉(zhuǎn)運動，產(chǎn)生不同姿態(tài)，使數(shù)字虛擬人所做的動作與真實人體有較高的逼真度。浙江大學(xué)的張林和陜西師范大學(xué)的陳健嘗試對籃球技術(shù)動作進(jìn)行三維仿真，并且取得了階段性成果。其研究利用Pose軟件進(jìn)行三維人體模型的建立、骨骼的建立和關(guān)節(jié)功能的設(shè)定、骨骼和人體模型的蒙皮與綁定、角色的設(shè)定，借助Maya軟件進(jìn)行虛擬球場空間及環(huán)境的制作、優(yōu)秀籃球運動員的動作仿真、非線性技術(shù)動作的組合編輯、三維動畫的渲染與輸出（如圖1－2）［3］。

圖1 籃球運動員人體模型

圖2 籃球運動員角色設(shè)定

2．2 籃球運動技術(shù)信息的運動捕捉

運動捕捉技術(shù)是借助運動捕捉系統(tǒng)對運動員的技術(shù)動作和戰(zhàn)術(shù)配合或者對運動物體的三維運動軌跡進(jìn)行實時捕捉和數(shù)字解析的一種高新技術(shù)［1］。運動捕捉系統(tǒng)是一種用于準(zhǔn)確測量運動物體在三維空間運動狀況的高技術(shù)設(shè)備，其原理是基于計算機(jī)圖形學(xué)，通過排布在空間中的數(shù)個視頻捕捉設(shè)備將運動物體（跟蹤器）的運動狀況以圖像形式記錄下來，通過計算機(jī)進(jìn)行處理，得到不同時間計量單位上不同物體（跟蹤器）的空間坐標(biāo)（X，Y，Z）［4］。

如圖3所示，典型的運動捕捉設(shè)備一般由傳感器、信號捕捉設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備四部分組成。傳感器是固定在運動物體特定部位的跟蹤裝置，向系統(tǒng)提供運動物體運動的位置信息，其跟蹤器的數(shù)目取決于運動捕捉的細(xì)致程度；信號捕捉設(shè)備是負(fù)責(zé)采集、識別傳感器獲得的有關(guān)運動軌跡的模擬信號的硬件設(shè)備，對于光學(xué)系統(tǒng)則是高分辨率紅外攝像機(jī)；數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備將信號捕捉設(shè)備獲得的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并將其快速準(zhǔn)確地傳輸?shù)接嬎銠C(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)處理設(shè)備由計算機(jī)硬件設(shè)備和數(shù)據(jù)處理軟件兩部分構(gòu)成，完成對數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備傳來的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正、以此進(jìn)行三維模型建模以及動畫制作。

圖3 運動技術(shù)捕捉系統(tǒng)

運動捕捉技術(shù)可以捕捉籃球運動員的動作，便于進(jìn)行量化分析，結(jié)合人體生理學(xué)、物理學(xué)原理，研究改進(jìn)方法，使體育訓(xùn)練擺脫純粹依靠經(jīng)驗的狀態(tài)，進(jìn)入科學(xué)化、數(shù)字化時代。把成績差的運動員的動作捕捉下來，將其與優(yōu)秀運動員的動作進(jìn)行對比分析，幫助其訓(xùn)練，為科學(xué)地訓(xùn)練提供準(zhǔn)確的定量依據(jù)和量化的訓(xùn)練指標(biāo)，是提高運動水平和成績，實現(xiàn)體育科研的科學(xué)依據(jù)［5］。借助運動技術(shù)捕捉技術(shù)和計算機(jī)圖像處理技術(shù)可以極大提高籃球技術(shù)訓(xùn)練的可視性，并且有助于對技術(shù)動作做量化分析，以圖形方式展示分析結(jié)果，包括位移、速度、力等（見圖4）。在此基礎(chǔ)上對“理想”動作與運動員技術(shù)動作做深層次分析，提出運動員改進(jìn)技術(shù)動作的指導(dǎo)性意見［5］。

圖4 運動技術(shù)捕捉獲得的力學(xué)數(shù)據(jù)

2．3 籃球運動技術(shù)三維仿真

運動捕捉獲得大量籃球技術(shù)動作實例數(shù)據(jù)庫后，通過中國科學(xué)院計算機(jī)研究所研發(fā)的虛擬人合成軟件包VHSDK5．0以三維方式顯示每一個實例動作，并用可視化的方式交互設(shè)計和修改技術(shù)動作，再經(jīng)過牛頓歐拉運動模型驗證所得新動作的合理性，由此得到個性化的“標(biāo)準(zhǔn)”技術(shù)動作。

為方便地完成可視化交互動作設(shè)計，假定對于人體運動motion（t）而言，需要修改姿態(tài) posture（ti）以得到新的姿態(tài)posture（ti）?？梢栽诖笮閄×Y的用戶視窗中通過鼠標(biāo)選取相應(yīng)的剛體并拖動，假設(shè)拖動過程中鼠標(biāo)在x、y方向的變化量分別為Δx和Δy，根據(jù)歐拉定理假定可以用zyx方向的歐拉角〈α，β，γ〉來表示這一旋轉(zhuǎn)，則有如下關(guān)系：

其中a，b，c為影響因子，分別表示Δx和Δy對歐拉角〈α，β，γ〉在x，y，z三個方向的影響程度。解得：

從而完成新姿態(tài)posture（ti）的設(shè)定。

采用偏移映射（Displacement mapping）技術(shù)來獲得新的運動motion（t）。計算ti時刻的偏移量：

按圖8所示計算其他時刻的偏移量，得到與motion（t）對應(yīng)的運動偏移d（t）＝＜d－1（t），d0（t），…，d n（t）＞，將運動偏移d（t）疊加到原來的運動 motion（t）上便得到新運動。即 mo－

圖5 偏移量的構(gòu)造

根據(jù)運動員體態(tài)參數(shù)特征預(yù)算人體慣性參數(shù)，確定牛頓歐拉運動模型中需要的轉(zhuǎn)動慣量等個性化參數(shù)，得到個性化的運動方程，根據(jù)該方程驗證新運動motion′（t）的合理性。如圖6－7所示，通過可視化的交互設(shè)計、運動驗證和反饋這一交互過程完成對籃球運球突破技術(shù)的三維仿真設(shè)計［3］。

2．4 籃球運動技術(shù)三維仿真數(shù)據(jù)庫

圖6 籃球運動員及籃球場地的虛擬設(shè)計

圖7 運動技術(shù)的三維仿真設(shè)計

盡管中國籃協(xié)、搜狐、新浪等已經(jīng)建立籃球數(shù)據(jù)庫，但該數(shù)據(jù)庫是以提供大眾化信息為目標(biāo)，沒有提供以某球隊或者某運動員為目標(biāo)的搜索引擎，且不能提供相關(guān)技戰(zhàn)術(shù)分析的視頻片斷等數(shù)據(jù)。就籃球技戰(zhàn)術(shù)而言，尚未發(fā)現(xiàn)有相關(guān)的且較為成熟的專業(yè)籃球技術(shù)數(shù)據(jù)庫設(shè)計的報道。為有效管理海量的籃球技術(shù)數(shù)據(jù)，選擇構(gòu)建籃球技術(shù)數(shù)據(jù)庫是唯一選擇?；@球技術(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（BTDBS）包括以下幾部分：1）數(shù)據(jù)庫（DB），集中在存儲設(shè)備上存放數(shù)據(jù)資源，是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心；2）硬件，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的物質(zhì)載體，主要包括中央處理器（CPU）、內(nèi)部存儲器、外部存儲器以及輸入輸出設(shè)備（I／O）；3）軟件，主要包括操作系統(tǒng)（OC）、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS—如SQL Server）、各種宿主語言（如C＋＋、Java等）和應(yīng)用開發(fā)支撐軟件（如Power Builder、Delphi等）；4）人，主要包括數(shù)據(jù)庫管理員（DBA）、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序員（APU）和數(shù)據(jù)庫操作員（NPU），其中數(shù)據(jù)庫管理員負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的定義、建立與維護(hù)控制；數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序員的主要職責(zé)是利用系統(tǒng)提供的高級語言、接口和工具開發(fā)使用數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序，以實現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫中建立信息、檢索信息、刪除或變化已存在的信息，或產(chǎn)生各種形式的報告等等；數(shù)據(jù)庫操作員不必用語言或工具寫過程程序，直接用命令或者查詢語言進(jìn)行直接存取和操作數(shù)據(jù)庫運行?；@球技術(shù)三維仿真數(shù)據(jù)庫應(yīng)該涵蓋眾多高水平國內(nèi)外籃球運動員的經(jīng)典技術(shù)集成，借助查詢與搜索命令可以實現(xiàn)對不同籃球運動員移動、運球、傳球、投籃、籃板球、個人防守諸多技術(shù)的平面預(yù)覽與三維輸出演示（見圖8－9）［6］。

3 若干討論

3．1 籃球技術(shù)三維仿真研究的核心問題

圖8 籃球技術(shù)數(shù)據(jù)庫的主界面圖

圖9 籃球技術(shù)數(shù)據(jù)庫的查詢條件設(shè)定

籃球技術(shù)三維仿真研究的核心問題就是對籃球運動員進(jìn)行建模。目前人體模型的建模方法一般采用運動學(xué)和動力學(xué)的逆解或有限元分析的方法。這些研究方法對人體模型作了不同程度的簡化，每種研究方法都具有各自的優(yōu)勢特點和不足，尤其在籃球運動員的運動建摸與仿真中，由于以上的建模方法運算復(fù)雜，研究周期長，且一般由于沒在實際應(yīng)用中修正過，其仿真實際效果較差。另外，如何確定邊界條件消除奇異點也是一個難以解決的問題。中國科學(xué)院唐毅等人提出了數(shù)字運動員的概念，其主要思想是以多目標(biāo)測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等計算智能方法進(jìn)行運動員的人體運動模型仿真，利用三維人體運動圖象解析的運動學(xué)數(shù)據(jù)，以及六維力測力平臺測出的動力學(xué)數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模方法和基于專家知識的關(guān)節(jié)空間優(yōu)化的方法。其建模的核心思想是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成動力學(xué)參數(shù)到關(guān)節(jié)空間的映射，從而對籃球運動員的關(guān)鍵動作進(jìn)行運動仿真。

3．2 籃球技術(shù)三維仿真研究的價值

籃球技術(shù)三維仿真研究在現(xiàn)代籃球技術(shù)教學(xué)與訓(xùn)練中的作用巨大，它可以對技術(shù)動作做量化分析并以圖形方式展示分析結(jié)果（包括籃球運動員的位移速度與節(jié)奏、動作的角速度、球的運功曲線等），在此基礎(chǔ)上對“理想”動作與運動員技術(shù)動作做深層次分析，構(gòu)建虛擬的運動員訓(xùn)練與比賽環(huán)境，彌補(bǔ)因為天氣、場地、器材、經(jīng)費等方面的原因或者運動員受傷等原因?qū)е聼o法訓(xùn)練帶來的負(fù)面影響。通過模擬結(jié)果與運動員真實訓(xùn)練視頻進(jìn)行對比，將運動員的訓(xùn)練動作與標(biāo)準(zhǔn)模擬動作顯示在同一個屏幕上，并以相同視點、同步對比，讓教練員與運動員分析動作差異，幫助找出技術(shù)缺點并改進(jìn)，提高訓(xùn)練效率，也可虛擬運動員事先嘗試完成這一新動作，避免高難度和復(fù)雜的技術(shù)動作所帶來的運動傷害，降低運動訓(xùn)練的風(fēng)險系數(shù)。

3．3 籃球技術(shù)三維仿真研究的新趨勢

籃球技術(shù)三維仿真研究需要計算機(jī)專家必須與籃球運動專家密切合作、攜手攻關(guān)，保證成果在運動訓(xùn)練與比賽中轉(zhuǎn)化為成績的提高。從現(xiàn)有成果看，無論是蹦床、跳水、體操等表現(xiàn)難美性項目，還是籃球、曲棍球等同場對抗性項目，由于未考慮運動員的個體生理心理等因素而導(dǎo)致研究泛化，其實用性距離運動訓(xùn)練、比賽的實際要求較遠(yuǎn)，計算機(jī)專家的勞動痕跡太明顯。這主要與我國體育界精通計算機(jī)信息技術(shù)的專家、學(xué)者太少及體育的特殊性使計算機(jī)專家無法獲得高水平運動技術(shù)直觀感覺的現(xiàn)狀有關(guān)。體育界與計算機(jī)界的合作基本上延續(xù)的是“訂貨與加工”模式，因此確切地講我國現(xiàn)階段的運動技術(shù)虛擬仿真研究還處于初級階段。為改變這一現(xiàn)狀，清華大學(xué)體育部、浙江大學(xué)教育學(xué)院、上海體育學(xué)院等高校已經(jīng)率先設(shè)立了類似于“視頻切割與識別”、“現(xiàn)代計算機(jī)信息技術(shù)在體育中的運用”、“體育三維仿真”等專業(yè)的碩士點或博士點，開始為我國體育界培養(yǎng)既精通運動訓(xùn)練與比賽又精通計算機(jī)的碩士、博士等高層次人才［6］。

［1］ 陳 ?。诂F(xiàn)代計算機(jī)信息技術(shù)的籃球戰(zhàn)術(shù)教學(xué)軟件的研制［J］．杭州師范學(xué)院大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006（5）：38－40．

［2］ 孫勇超．蹦床運動仿真中虛擬運動員動作編排方法的研究［R］．首屆智能CAD與數(shù)字娛樂學(xué)術(shù)會議，2003．

［3］ 陳 ?。摂M現(xiàn)實技術(shù)在體育運動技術(shù)仿真中的應(yīng)用［J］．體育科學(xué)，2006（9）：97－101．

［4］ 馮立正，陳 ?。\動捕捉技術(shù)在體育中的應(yīng)用［J］．杭州師范學(xué)院學(xué)報，2005（3）：21－23．

［5］ 陳 健．運動捕捉技術(shù)及其在運動技術(shù)診斷中的應(yīng)用［J］．上海體育學(xué)院學(xué)報，2006（4）：46－49．

［6］ 陳 健．籃球技戰(zhàn)術(shù)多媒體數(shù)據(jù)庫的研制與開發(fā)［J］．上海體育學(xué)院學(xué)報，2007（4）：29－31．