3D運動技術(shù)分析研究現(xiàn)狀與述評①

周寧 張翔 白銀川

(1.忻州師范學(xué)院 山西忻州 034000; 2.北京體育大學(xué) 北京 100084)

眾所周知科技是第一生產(chǎn)力,舉辦現(xiàn)代奧運會離不開科技的強(qiáng)大支撐,在運動員實力較量的背后,是國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展程度的綜合力量的比拼,比賽的成績,各項記錄的誕生,不僅僅是人類挑戰(zhàn)生理極限的單一體現(xiàn),同時也彰顯著科技在體育運動中巨大的作用。

運動捕捉技術(shù)廣泛應(yīng)用于田徑、高爾夫、曲棍球、蹦床、跳水等項目,幫助教練員能夠通過觀看運動員在訓(xùn)練和比賽時的運動圖像,發(fā)現(xiàn)運動員技術(shù)動作上存在的微小錯誤,及時糾正運動員錯誤的技術(shù)動作,進(jìn)一步提高運動員的訓(xùn)練效果和比賽時的運動成績,在競爭激烈又殘酷的競技體育中一個微小動作的改變可能會使運動員的成績有大幅的提升,三維運動技術(shù)的廣泛應(yīng)用使體育運動訓(xùn)練開始向科學(xué)化和數(shù)字化時代跨進(jìn)。

1 研究方法

1.1 文獻(xiàn)資料法

通過詳細(xì)了解三維運動捕捉的歷史和發(fā)展概況,并對相關(guān)的期刊文章進(jìn)行整理和分析,最終形成了本論文研究的理論基礎(chǔ)。

1.2 邏輯分析法

圖1 高爾夫輔助訓(xùn)練系統(tǒng)示意圖

圖2 曲棍球運動員利用捕捉系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)動作的分析

通過對所搜集到的資料進(jìn)行整理,分析其中蘊含的知識和信息,并進(jìn)行總結(jié)和概括,科學(xué)的把握有關(guān)三維運動捕捉技術(shù)的現(xiàn)狀。

2 三維運動捕捉技術(shù)的概述

2.1 三維運動捕捉的概念界定與進(jìn)程概述

2.1.1 運動捕捉的概念界定

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]。

2.1.2 進(jìn)程概述

關(guān)于運動捕捉技術(shù)的研究與運用起源于20世紀(jì)70年代,當(dāng)時的美國好萊塢電影設(shè)計公司與制片人試圖通過多種手段來研究出高技術(shù)含量的器械來迅速捕捉動態(tài)演員的高清畫面效果,然而這一偉大的前言構(gòu)想在實踐進(jìn)展中并不十分順利。就當(dāng)研究人員一籌莫展之時,計算機(jī)技術(shù)在全球的迅速推廣與運用激發(fā)了相關(guān)研究人員的靈感,進(jìn)而將先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)與電影動畫設(shè)計銜接起來使用,為運動捕捉技術(shù)的發(fā)展打開了新世紀(jì)的“大門”。隨著運動捕捉技術(shù)研究的逐步深入,到了20世紀(jì)80年代,諸如美國的Biomechanics實驗室、SimonFraser大學(xué)、麻省理工大學(xué)等高等學(xué)府相繼投身于人體運動畫面捕捉的研究之中,進(jìn)而大量的技術(shù)產(chǎn)品被研發(fā)出來。伴隨經(jīng)濟(jì)全球化步伐的影響,運動捕捉技術(shù)由以往單純的技術(shù)研發(fā)走向市場化,并且收到了廣大國家、企業(yè)乃至個人的熱衷與青睞[5]。

2.2 三維運動捕捉技術(shù)的釋義

三維運動捕捉技術(shù)(motioncapture)是借助光電傳感器等“輔助臂手”以立體的形式(即前后、左右、上下)真實捕捉和記錄人體高速運動的過程與軌跡,然后運用計算機(jī)將光電傳感器所存儲的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理、定位以及測繪,將接近真實運動的立體畫面呈現(xiàn)出來。從技術(shù)的層面來看,三維運動捕捉技術(shù)的實質(zhì)就是要測量、跟蹤、記錄物體在立體空間中的運動軌跡。普遍意義的三維運動捕捉技術(shù)設(shè)備由傳光電感器、信號傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)分析設(shè)備等3個部分構(gòu)成。

2.3 三維運動捕捉技術(shù)分類與評價

2.3.1 機(jī)械式運動捕捉

機(jī)械式運動捕捉是最原始的運動捕捉技術(shù),其工作的原理是通過多關(guān)節(jié)的器械組合來實現(xiàn)多角度、多方向的旋轉(zhuǎn)移動,進(jìn)而實現(xiàn)對人體運動軌跡和路線的跟蹤記錄。傳統(tǒng)的機(jī)械式運動捕捉設(shè)備是由多個不同關(guān)節(jié)的金屬或塑料器材構(gòu)成的,可以根據(jù)現(xiàn)實的需要和拍攝的需求來適時調(diào)節(jié)[3]。機(jī)械式運動捕捉技術(shù)的優(yōu)點是顯而易見的,那就是成本較低,實用性較強(qiáng),能夠?qū)崿F(xiàn)隨時隨地的跟蹤測繪,然而,其自身所占空間的弊端也是不容忽視的,特別是在要求狹小的空間內(nèi)來實施操作擁有不小的難度。

2.3.2 聲學(xué)式運動捕捉

聲學(xué)式是繼機(jī)械式捕捉技術(shù)的“后起之秀”,但其工作的原理卻是相同的。聲學(xué)式運動捕捉裝置類似于計算機(jī)的顯示器、處理器以及傳感器等,其主要又接收器、發(fā)射器以及分析器組成。雖然聲學(xué)式運動捕捉技術(shù)較機(jī)械式捕捉技術(shù)有了很大的提高,但其自身存在的反應(yīng)性較差、延遲性較長、適用性較小等諸多方面的弊端無法克服[3]。

2.3.3 電磁式運動捕捉

顧名思義,電磁式運動捕捉技術(shù)是借助磁場的空間定位來有效捕捉生物體運動的軌跡和狀態(tài),該技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展有效彌補(bǔ)了機(jī)械式運動捕捉技術(shù)操作困難、僵化死板以及聲學(xué)式運動捕捉技術(shù)反應(yīng)性差、延遲性長的弊端。電磁式運動捕捉設(shè)備一般有發(fā)射器、感應(yīng)器、處理中樞等3部分構(gòu)成。它是目前比較先進(jìn)、也較常使用的捕捉設(shè)備。電磁式運動捕捉技術(shù)較以往技術(shù)的一大改觀在于他的定位是6維方面,類似與里面體的形狀物體,其表現(xiàn)出的優(yōu)勢是細(xì)化了不說的空間,是圖片的成像伴隨運動路線的視角適時進(jìn)行捕捉,從而使人體的動作軌跡更加具體化、空間化、形象化、生動化。如果非要找出該設(shè)備的不足,那就是其對于周圍環(huán)境的要求比較高,特別是排斥任何金屬性物體的存在,否則將會影響結(jié)果的精準(zhǔn)度。

2.3.4 光學(xué)式運動捕捉

光學(xué)式運動捕捉技術(shù)是近年來新起的一項動畫捕捉技術(shù),其特點是在對畫面進(jìn)行標(biāo)注點定位的基礎(chǔ)上,通過多不同光電的連線監(jiān)控完成對人體運動軌跡的圖像捕捉。該捕捉技術(shù)的優(yōu)勢在與其精準(zhǔn)度較高,適用范圍較廣,避免了以往需要在人體身上安裝器械的煩惱,從而是人體的動作姿勢更加舒展自然。但它的最大缺點就在于成本相對較高,事后處理工作量大,對環(huán)境要求較高,同時在捕捉過程中還會出現(xiàn)遮擋,導(dǎo)致錯誤的結(jié)果[3]。

3 三維運動捕捉技術(shù)與現(xiàn)代體育訓(xùn)練中的銜接

3.1 運動技術(shù)結(jié)構(gòu)特征的成像

三維運動捕捉技術(shù)的最基本功能在于對人體運動空間特征的數(shù)據(jù)采集,再次基礎(chǔ)上,運用計算機(jī)輔助系統(tǒng)的分析處理,從而得出形象、生動的人體空間圖像,為運動訓(xùn)練提供量化、科學(xué)的指標(biāo)。與此同時,三維運動捕捉技術(shù)使以往抽象的運動生理學(xué)、運動生物學(xué)等體育課程變得簡單化、具體化、數(shù)字化,研究手段進(jìn)一步多樣化、數(shù)字化、科學(xué)化。

3.2 生理生化指標(biāo)的捕獲

三維運動捕捉技術(shù)不僅能夠?qū)θ梭w運動技術(shù)的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行成像,其也可配合生理生化指標(biāo)的測量與檢驗,例如運用三維運動捕捉技術(shù)能夠輔助測量肌電圖、心率指標(biāo)、脈搏指標(biāo)等多維指標(biāo),進(jìn)一步驗證醫(yī)學(xué)測量器械的測的結(jié)果,從而鞏固數(shù)據(jù)的信度值水平。利用軟件工具,還可以對這種信息進(jìn)行處理,用于統(tǒng)計,也可幫助教練下達(dá)指令。

3.3 為技術(shù)動作創(chuàng)新提供新途徑

在運動訓(xùn)練各類項目中,有很多項目中技術(shù)動作的創(chuàng)新起著至關(guān)重要的作用,技術(shù)動作的創(chuàng)新和發(fā)展在許多競技體育項目中如體操、跳水、乒乓球等技能主導(dǎo)類項目中都非常重要。運動捕捉技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展,為技術(shù)動作的創(chuàng)新發(fā)展,特別是在競技體育領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。其工作的主要原理是對已回收和采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整體,從而全面、清晰的掌握該運動員的整體動過流程,找出其存在的不弱環(huán)節(jié)與不足之處,從而針對出現(xiàn)的問題進(jìn)行動作的糾正,是運動員的動作姿勢更加舒展、優(yōu)美,為運動員競技能力的提高打下扎實的基礎(chǔ)。與此同時,在運動訓(xùn)練中借助三維捕捉技術(shù)的教學(xué),使教練員為舊動作的總結(jié)、新動作的創(chuàng)編提供可靠的數(shù)據(jù)支撐,從而使運動員獲得直觀、正確、形象的動作教學(xué)。

3.4 技術(shù)診斷與分析

三維運動捕捉技術(shù)與現(xiàn)代體育運動訓(xùn)練的完美結(jié)合,徹底改變了以往教練員憑借主觀的經(jīng)驗思維和片面的感官體會的盲目教學(xué),從而提高教練員的專業(yè)知識水平,進(jìn)而有效促進(jìn)運動員競技水平的提升。同時,輔助三維運動捕捉技術(shù)的應(yīng)用,對于運動員損傷的提前判斷和后期治療效果的檢驗發(fā)揮著不可替代的作用,使運動員盡快的擺脫傷病的困擾,減緩競技水平提高的間斷性。

3.5 通過圖像反饋技術(shù)對技術(shù)動作進(jìn)行量化分析

計算機(jī)輔助下的三維運動捕捉技術(shù)對于運動員整體動作圖像的整合功能是其他技術(shù)手段無法實現(xiàn)的,特別是其提供的量化指標(biāo)破解了以往模糊的憑空想象。例如在高爾夫球輔助訓(xùn)練系統(tǒng)(GTRS-1)是一臺專門針對高爾夫球訓(xùn)練的圖像捕捉以期,其對于初學(xué)高爾夫者以及專業(yè)運動員的動作糾正發(fā)揮這積極的作用(見圖1)。該設(shè)備的工作路徑是通過一臺高清相機(jī)進(jìn)行圖像捕捉,然而將采集的數(shù)據(jù)通過傳感器發(fā)送至計算機(jī)處理系統(tǒng),從而運動員在動作過程中的加速度、角速度、角度等多維數(shù)據(jù)指標(biāo)。

圖2所示通過運動捕捉系統(tǒng)利用高分辨率的靜態(tài)圖像和HD視頻流,從而能夠為教練員以及科研人員展示平常很難用肉眼和經(jīng)驗看見的曲棍球運動動作。使得他們能夠更清晰看到動作的圖像,傳統(tǒng)的用肉眼和經(jīng)驗觀察只能看到一個角度的動作狀況。如果用更多攝像機(jī)追蹤某個球員,那么就可以多視角的展示運動員的技術(shù)動作,從而使教練員發(fā)現(xiàn)微小的錯誤,及時對運動員進(jìn)行糾正,進(jìn)一步提高訓(xùn)練的效果[2]。

3.6 虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是借助計算機(jī)軟硬件資源的創(chuàng)建和體驗虛擬世界集成技術(shù)可以實現(xiàn)對真實世界進(jìn)行動態(tài)模擬,它被廣泛應(yīng)用與各種體育項目中,尤其是在跳水和蹦床項目上取得了巨大的成就。運動技術(shù)三維仿真是通過計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)再現(xiàn)優(yōu)秀運動員的技術(shù)動作等細(xì)微環(huán)節(jié)、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(dá)到對體育系統(tǒng)的解釋、分析、預(yù)測、組織、評價的一種實驗技術(shù)科學(xué)。

3.7 輔助裁判決斷

縱觀當(dāng)今世界的競技體育比賽,其所倡導(dǎo)和宣揚的“更高、更快、更強(qiáng)”體現(xiàn)的淋漓盡致,讓所在場觀眾賞心悅目、嘆為觀止。然而,在比賽的過程也時有不和諧的因素發(fā)出,其中裁判員的誤判、錯判、漏判嚴(yán)重影響了競技體育比賽的客觀性、正確性、流暢性,同時也對運動員的心理水平有著間接的消極影響。因此,以往單靠裁判員用肉眼評判的手段變得不再合理,而三維運動捕捉技術(shù)的介入有效緩解了這一悲觀局面。例如,在各級各類的網(wǎng)球公開賽中,經(jīng)常運用三維運動捕捉技術(shù)來評判網(wǎng)球是否出界(即所謂的“鷹眼”)。其具體的操作手段是,在球場的四周覆蓋一條窄窄的帶電銅傳感器帶,然后在上面覆蓋一層導(dǎo)電聚合物。這些傳感器嵌入球場的三個區(qū)域:邊界內(nèi)5cm處、邊界上面和邊界外35cm處。使用的網(wǎng)球中也有導(dǎo)電物質(zhì)。這樣,只要網(wǎng)球擊中球場,傳感器就會把數(shù)據(jù)傳輸給電腦,電腦會計算出網(wǎng)球的確切位置。這些數(shù)據(jù)會傳給裁判,同時也會傳輸?shù)诫娨暺聊簧蟍3]。

4 三維運動捕捉技術(shù)在體育領(lǐng)域的應(yīng)用前景

4.1 運動捕捉技術(shù)在體育中廣泛應(yīng)用的可能性

運動捕捉技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展都受到科學(xué)技術(shù)水平的局限,現(xiàn)有運動捕捉技術(shù)還不成熟,受到定位精度、實時性、使用方便程度、可捕捉運動范圍大小、受環(huán)境影響程度、成本、多目標(biāo)捕捉能力等多種因素的制約,這些制約因素使得運動捕捉技術(shù)在體育領(lǐng)域的應(yīng)用還有很大的局限性[3]。但可以預(yù)見的是,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,運動捕捉技術(shù)在體育領(lǐng)域的應(yīng)用無論是廣度還是深度上都將得到進(jìn)一步發(fā)展。

4.2 新的運動捕捉技術(shù)產(chǎn)生將推動體育學(xué)科的發(fā)展

運動捕捉技術(shù)將向著高精度、低成本、方便使用、功能強(qiáng)大的方向不斷發(fā)展,隨著新的更加簡便使用的運動捕捉技術(shù)的產(chǎn)生,運動捕捉將在體育科研、運動訓(xùn)練、運動康復(fù)、體育器材研發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮更為重大的作用,從而全面推動和促進(jìn)體育學(xué)的科學(xué)化發(fā)展[6]。

5 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,運動捕捉技術(shù)在體育訓(xùn)練中對捕捉運動數(shù)據(jù)、生理生化指標(biāo)、運動監(jiān)控、技術(shù)診斷與分析、輔助裁判裁決、運動康復(fù)和虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練發(fā)揮著巨大的作用,通過實時地運動捕捉技術(shù)對訓(xùn)練中出現(xiàn)的問題進(jìn)行技術(shù)診斷和分析,并以視頻和圖像以及量化的數(shù)據(jù)等方式反饋給教練,為教練員提供科學(xué)的準(zhǔn)確地定量依據(jù)和量化的訓(xùn)練指標(biāo),從而提高訓(xùn)練的效率性和科學(xué)性。同時三維運動捕捉技術(shù)在體育中的應(yīng)用研究表明,運動捕捉技術(shù)對提高運動成績、訓(xùn)練的效率和科學(xué)性確實有積極的作用。

[1]張俊峰.運動捕捉技術(shù)在運動訓(xùn)練中的應(yīng)用[J].吉林體育學(xué)院學(xué)報,2005(4):69-72.

[2]陳健,姚頌平.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在體育運動仿真中的應(yīng)用[J].體育科學(xué),2006(6):34-39.

[3]馮利正,陳健.運動捕捉技術(shù)在體育運動中的應(yīng)用[J].杭州師范學(xué)院學(xué)報:醫(yī)學(xué)版,2005(5):24-27.

[4]陳健,姚頌平.運動捕捉技術(shù)及其在運動技戰(zhàn)術(shù)診斷中的應(yīng)用[J].上海體育學(xué)院學(xué)報,2006(4):70-73.

[5]董能,趙志明.運動捕捉技術(shù)在體育領(lǐng)域應(yīng)用及其前景分析[J].山西體育科技,2006(1):95-96.

[6]馮利正,蔣賢俊.運動捕捉技術(shù)在體育運動中的應(yīng)用綜述[J].杭州師范學(xué)院學(xué)報,2005(3):33-36.

[7]陳加,吳曉軍.聯(lián)合LBS和Snake的3D人體外形和運動跟蹤方法[J].計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報,2012(3).