運動捕捉技術(shù)在體育運動中的應(yīng)用

張?zhí)炝?王曉華（.咸陽師范學(xué)院體育系，陜西咸陽，7000，.新疆鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆烏魯木齊，8300）

運動捕捉技術(shù)在體育運動中的應(yīng)用

張?zhí)炝?,王曉華2
（1.咸陽師范學(xué)院體育系，陜西咸陽，712000，2.新疆鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆烏魯木齊，830011）

運動捕捉技術(shù)在體育運動中通常運用在運動數(shù)據(jù)捕捉、生理、生化指標管控、運動技術(shù)診斷和分析、運動監(jiān)控、輔助裁決、運動康復(fù)輔助以及虛擬訓(xùn)練等方面。基于運動捕捉技術(shù)在體育運動中的廣泛應(yīng)用，本文對運動捕捉技術(shù)的系統(tǒng)組成進行了分析，并分類分析了運動捕捉系統(tǒng)的特性，同時對運動捕捉技術(shù)在體育中的應(yīng)用進行了深入探討。

運動捕捉；運動監(jiān)控；體育運動

1 概述

運動捕捉技術(shù)有機械式、電磁式、光學(xué)式、聲學(xué)式幾種類型，運動捕捉技術(shù)是在運動捕捉系統(tǒng)的輔助下對運動員的運動技術(shù)動作、運動戰(zhàn)術(shù)配合實時捕捉的高新技術(shù)，運動捕捉技術(shù)還可實現(xiàn)對運動物體三維運動軌跡的實時捕捉并迅速進行數(shù)字解析。運動捕捉系統(tǒng)是一種用于準確測量運動物體在三維空間運動狀況的高技術(shù)設(shè)備, 其在計算機圖形學(xué)的基礎(chǔ)上，通過合理布置在空間中的多個視頻跟蹤器，以圖像形式記錄運動物體的三維運動狀況，經(jīng)由計算機進行處理后，得出不同物體在不同時間計量單位上的空間坐標值，幫助體育教練人員對運動員的運動技術(shù)和運動戰(zhàn)術(shù)做出準確評價，同時，運動裁判人員也可通過運動捕捉設(shè)備實時監(jiān)控運動競賽過程，做出準確的決策判斷。

2 運動捕捉系統(tǒng)工作原理

一般運動捕捉系統(tǒng)分為傳感器、信號捕捉、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理幾個部分。其中，傳感器作為跟蹤裝置被排布在運動物體特定部位之上，負責將物體運動的準確位置信息傳遞給系統(tǒng)；信號捕捉設(shè)備在機械式、光學(xué)式、聲學(xué)式動作捕捉系統(tǒng)中硬件模塊不同，機械式運動捕捉系統(tǒng)中的信號捕捉設(shè)備為一塊線路板，而光學(xué)式運動捕捉設(shè)備中的信號捕捉設(shè)備是一臺紅外攝像機，信號捕捉的功能是采集和識別傳感器傳遞的運動軌跡；數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備負責以數(shù)字信號對信號捕捉設(shè)備傳遞的模擬信號進行轉(zhuǎn)化，并準確向上級計算機系統(tǒng)傳輸；運動捕捉系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理設(shè)備分為兩部分，即計算機硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)處理軟件。數(shù)據(jù)處理設(shè)備負責修正各單位傳輸來的相關(guān)數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)建立三維模型、制作運動動畫。

3 運動捕捉分類

當前我國運動捕捉技術(shù)有機械式、電磁式、光學(xué)式、聲學(xué)式幾種類型。

3.1 機械式運動捕捉系統(tǒng)

機械式運動捕捉是應(yīng)用機械裝置對物體運動軌跡進行測量與跟蹤的技術(shù)，其主要組成部分是關(guān)節(jié)與剛性連桿，通過裝有角度傳感器的關(guān)節(jié)對關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度情況進行測量，系統(tǒng)依據(jù)關(guān)節(jié)角度變化數(shù)據(jù)與模型機械尺寸計算得出模型姿態(tài)，動畫軟件接收到以上姿態(tài)數(shù)據(jù)后令角色模型做出相同姿態(tài)，動作捕捉完成。機械式運動捕捉的精密度較高，其成本相對較低，能實現(xiàn)對物體運動的實時測量，然而機械式運動捕捉設(shè)備應(yīng)用于運動員的可行性不高，其機械性結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，加大的阻礙了運動員運動動作，限制了運動員運動自由度。

3.2 聲學(xué)式運動捕捉系統(tǒng)

聲學(xué)式運動捕捉裝置包括發(fā)送器和接收器以及處理系統(tǒng)三個部分，其中發(fā)送器為固定的超聲波發(fā)生器，而其接收器為固定在運動物體上的三個超聲探頭。系統(tǒng)通過對發(fā)生器發(fā)生聲波到接收器之間的時間差和相位差可確定接收器的正確位置、方向。聲學(xué)式運動捕捉的精確度與其他類型的運動捕捉系統(tǒng)比較差距較大，聲波在不同氣壓和濕度以及溫度環(huán)境中的傳播速度會發(fā)生變化，且容易受介質(zhì)、噪音的影響，在體育運動中應(yīng)用較少。

3.3 電磁式運動捕捉系統(tǒng)

電磁運動捕捉系統(tǒng)包括發(fā)射源和接收器以及數(shù)據(jù)處理三個部分，其中發(fā)射源負責發(fā)生有時空規(guī)律的電磁場，安置在運動員關(guān)鍵部位的大量接收傳感器隨運動員一起運動在電磁場中，并與數(shù)據(jù)處理器連接得出運動信息，如圖1所示。電磁式運動捕捉系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展成熟，位置排布也較為簡捷，成本方面也相對低廉，且捕捉速度較快，能實現(xiàn)運動的實時監(jiān)控與同步傳輸，但電磁式運動捕捉系統(tǒng)與金屬物相近會產(chǎn)嚴重的電磁場畸變，精確度也隨之大幅度降低，因此對運動環(huán)境要求很高。

圖1 電磁式運動捕捉系統(tǒng)

3.4 光學(xué)式運動捕捉系統(tǒng)

光學(xué)式運動捕捉系統(tǒng)實現(xiàn)運動捕捉是對目標上特定的光點進行監(jiān)視、跟蹤。理論上若兩部相機同時拍攝到空間中的某一點，根據(jù)兩部相機的相機參數(shù)與同一時刻拍攝到該點的圖像即可對該點的空間位置進行確定。當相機以高速率連續(xù)拍攝該點時，可從所得圖像序列中得到該點的準確運動軌跡。光學(xué)式運動捕捉能較好的實現(xiàn)運動員實時運動與高速運動的捕捉，且對運動員的活動范圍限制較小，然而光學(xué)式運動捕捉的后期處理工作量過大，且對場地的光線、反射條件要求較高，在運動員進行復(fù)雜運動時可能出現(xiàn)捕捉混淆誤差。

4 運動捕捉系統(tǒng)在體育運動中的作用

4.1 運動數(shù)據(jù)捕捉作用

運動捕捉系統(tǒng)中的傳感器在對物體運動進行感知的同時還能精確測量和捕捉到運動位置、運動速度、運動員反應(yīng)時間、力矩、運動距離、運動加速度、運動力、運動員爆發(fā)力等復(fù)雜信息，并且能實時捕捉人類運動訓(xùn)練的真實數(shù)據(jù)。該類傳感器經(jīng)不斷改良其外觀并不顯眼，適于運動員佩戴。

4.2 生理生化指標捕捉作用

運動捕捉系統(tǒng)能較準確的捕捉到運動員生理生化指標、運動心理指標，通過對肌電圖和脈搏以及心率等指標的監(jiān)測計算出運動員訓(xùn)練、比賽等數(shù)字數(shù)據(jù)。例如，在競走或自行車、滑冰和劃船等運動項目中在運動員胸部排布好心率監(jiān)測器，通過腕部或其他部位佩戴的小型顯示器即可實現(xiàn)對運動員生理生化指標的捕捉。

4.3 運動監(jiān)控作用

運動捕捉系統(tǒng)可以刻實現(xiàn)對運動員訓(xùn)練特征以及競賽狀況的準確監(jiān)控，通過監(jiān)控運動員訓(xùn)練特征數(shù)據(jù)可以找出運動員運動效率差異，對運動員的不良習慣進行精確修正，并有針對性的設(shè)計差異化訓(xùn)練動作提高運動員訓(xùn)練水平與競技成績。

4.4 裁判決斷輔助作用

體育競技比賽中參賽運動人員較多，運動員處于高速運動中，且時有高難度復(fù)雜動作出現(xiàn)，人眼觀察復(fù)雜事物的速度以及人腦反應(yīng)信息的速度有限，競技場上裁判出現(xiàn)誤判的現(xiàn)象屢見不鮮，運動捕捉系統(tǒng)可對運動員的一系列動作以及位置、方向進行準確定位，不僅可將捕捉動作傳達給裁判幫助裁判判決，同時可傳輸運動捕捉信息到運動指揮中心和大屏幕。

4.5 運動康復(fù)與虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練

運動捕捉技術(shù)可通過分析傷病運動員的運動數(shù)據(jù)，有針對性的指導(dǎo)運動員進行特定部位康復(fù)訓(xùn)練，大大提高康復(fù)訓(xùn)練的效率并有效縮短了運動員康復(fù)時間。同時，運動捕捉系統(tǒng)可以對三維空間進行捕捉并計算出三維坐標，在此基礎(chǔ)上可建立動態(tài)數(shù)據(jù)模型，運用三維虛擬仿真實技術(shù)對運動員進行強化訓(xùn)練，以達到運動成績和競技水平大幅度提高的目標。

5 結(jié)語

運動捕捉技術(shù)已經(jīng)滲透到我國動畫動漫和體育教學(xué)、影視以及游戲等多種領(lǐng)域，其在體育運動中的運用最為廣泛深入，運動捕捉系統(tǒng)可對體育運動員的生理生化進行實時監(jiān)測，并準確捕捉運動員的訓(xùn)練過程，幫助運動員提升訓(xùn)練水平，對運動員運動過量的復(fù)原以及傷病運動員的輔件也大有裨益，近年來，體育教學(xué)中還基于運動捕捉等技術(shù)發(fā)展起虛擬現(xiàn)實體育教學(xué)訓(xùn)練方法，對我國體育成才的培養(yǎng)意義重大。

[1]向澤銳,支錦亦,徐伯初,李娟. 運動捕捉技術(shù)及其應(yīng)用研究綜述[J]. 計算機應(yīng)用研究,2013,08:2241-2245.

[2]付全,趙慧勤,吳壯志. 運動捕捉技術(shù)在體育運動仿真中的應(yīng)用[J]. 山西大同大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,05:81-84.

Motion capture technique application in sports

Zhang Tianliang1,Wang Xiaohua2
（1.Xianyang Normal University,Shanxi Xianyang,712000;2.Xinjiang railway vocational and technical colle ge,Xinjiang Urumqi,830011）

In sports, motion capture technology is usually used in sports data capture, physiological and biochemical index control and technical diagnosis and analysis, motion monitoring and auxiliary decision, sports rehabilitation assistance and virtual training and so on. Based on motion capture technology is widely used in sports, in this paper the system composition of motion capture technology is analyzed, and the classified analysis of the characteristics of the motion capture system, as well as the motion capture technology application in sports has carried on the deep discussion.

motion capture; Movement monitoring; sports

G807.4

A