王亞瓊 孫 偉
(黔南民族師范學(xué)院體育系,貴州 都勻 558000)
【武術(shù)套路研究】
計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)在武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用
王亞瓊 孫 偉
(黔南民族師范學(xué)院體育系,貴州 都勻 558000)
文章采用文獻(xiàn)綜述的研究方法,從體育科學(xué)研究方法論的視角,論述應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)對(duì)武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的方法與程序。從武術(shù)運(yùn)動(dòng)中人體動(dòng)作結(jié)構(gòu)數(shù)字模型的建立、計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)應(yīng)用的步驟、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)前處理、計(jì)算機(jī)模擬數(shù)字計(jì)算到武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)模型方案的修改、新動(dòng)作技術(shù)模式設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)在運(yùn)動(dòng)技術(shù)訓(xùn)練中的應(yīng)用價(jià)值等方面,詳細(xì)論述了計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)在武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用方法、過程、具體步驟與功能。
計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬 武術(shù) 動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)
對(duì)武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)的研究是武術(shù)教學(xué)與訓(xùn)練實(shí)踐中經(jīng)常涉及到的重點(diǎn)課題,傳統(tǒng)的方法通常使用攝像機(jī)拍攝運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作,然后對(duì)其結(jié)構(gòu)的進(jìn)行分析。但是這種方法只能對(duì)運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行一次性的簡(jiǎn)單回放,對(duì)于武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、生物學(xué)特征的量化及比較分析,則不能得到滿意的結(jié)果。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)代體育發(fā)展的需求,電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展為體育動(dòng)作結(jié)構(gòu)圖像的比較、疊加、動(dòng)力學(xué)測(cè)試、計(jì)算與自動(dòng)分析等功能的實(shí)現(xiàn),為動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)的量化分析與研究奠定了雄厚的基礎(chǔ),尤其是計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究,可以使武術(shù)專家及教練員在武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段就能預(yù)知?jiǎng)幼骷夹g(shù)結(jié)構(gòu)的功能和結(jié)果,從而為研究武術(shù)動(dòng)作技術(shù)的結(jié)構(gòu)特征,進(jìn)行最佳化武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建立了一條科學(xué)技術(shù)與運(yùn)動(dòng)實(shí)踐相結(jié)合的道路。應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技研究武術(shù)動(dòng)作技術(shù)的結(jié)構(gòu)特征,無論是對(duì)武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn),還是武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)的再造與重建,都能使其研究周期大幅度地縮短,提高武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的可行性與實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值,提高武術(shù)運(yùn)動(dòng)技術(shù)訓(xùn)練的調(diào)控水平和訓(xùn)練效率。
計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)這一復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行分析、研究和設(shè)計(jì)的有力工具,其應(yīng)用和影響已涉及眾多體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的科學(xué)研究領(lǐng)域,如對(duì)運(yùn)動(dòng)中人體運(yùn)動(dòng)動(dòng)作結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、動(dòng)力學(xué)特征及生物學(xué)特征領(lǐng)域的研究,充分揭示了動(dòng)作技術(shù)的外部形式與內(nèi)在本質(zhì)的聯(lián)系、原理和動(dòng)作技術(shù)模式的建立與發(fā)展規(guī)律。在武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)研究中,由于研究所涉及到人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的基本結(jié)構(gòu)特性,根據(jù)武術(shù)動(dòng)作技術(shù)的目的及人體完成武術(shù)動(dòng)作技術(shù)的規(guī)律和特征,通常將人體簡(jiǎn)化為多質(zhì)點(diǎn)數(shù)字化模型或多剛體系統(tǒng)的數(shù)字化模型。把人體的骨骼、肌肉、肌腱等運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組織,處理為數(shù)字化的、由多個(gè)具有空間形態(tài)及質(zhì)量的剛體模型,并將多個(gè)環(huán)節(jié)之間的作用力及力矩建立成影響動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)的多因素模型,從而建立研究與設(shè)計(jì)武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、生物學(xué)運(yùn)動(dòng)方程。當(dāng)選用獨(dú)立的廣義坐標(biāo)研究技術(shù)動(dòng)作時(shí),其數(shù)學(xué)模型為常微分方程(ODE OrdinaryDifferential Equations);如果選用非獨(dú)立的廣義坐標(biāo),則得到的是微分代數(shù)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(shù)情況下可以簡(jiǎn)化通過人工方式的計(jì)算并求得解析結(jié)果外,一般都需要通過計(jì)算機(jī)技術(shù)尋求數(shù)值的解析結(jié)果。
3.1 計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)的方法
通過計(jì)算機(jī)建立的數(shù)字模型來模擬人體研究武術(shù)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作結(jié)構(gòu)特征的過程與方法包括下述幾個(gè)步驟,即輸入數(shù)字模型的原始參數(shù)、通過電子計(jì)算機(jī)的程序計(jì)算、取得技術(shù)動(dòng)作過程局部環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)、整體運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)(靜態(tài))結(jié)構(gòu)特征的描述結(jié)果、形成武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)的原理等,這一過程稱為計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù),也稱為數(shù)值仿真技術(shù)。在實(shí)踐中應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)計(jì)算時(shí),會(huì)遇到正向或逆向問題,如已知人體運(yùn)動(dòng)時(shí)各局部環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(如各局部環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)的空間特征、時(shí)間特征),求解形成動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)條件(如環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)所涉及的肌肉拉力矩、環(huán)節(jié)阻力矩、整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下人體內(nèi)力的傳遞及動(dòng)量矩沿人體各環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)移,外力作用等條件)等。
在計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)的運(yùn)算過程中,必須要增加對(duì)其力學(xué)附加約束條件,以求得各輸入量的最佳組合,完成對(duì)武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)的最佳化設(shè)計(jì)。在建立數(shù)字模擬仿真模型有關(guān)參數(shù)足夠準(zhǔn)確的條件下,計(jì)算結(jié)果能夠準(zhǔn)確地真實(shí)地反映運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)特征,對(duì)武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)研究所獲得的結(jié)果,具有很強(qiáng)的預(yù)測(cè)性和極為實(shí)用的指導(dǎo)作用。例如美國(guó)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)專家艾。里爾博士對(duì)鐵餅運(yùn)動(dòng)員威爾金森擲鐵餅的技術(shù)診斷,通過計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)對(duì)其動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)的研究,模擬計(jì)算了其投擲鐵餅過程中動(dòng)作空間特征、動(dòng)作速率、力和動(dòng)量傳遞與動(dòng)量矩轉(zhuǎn)移等參數(shù)的高階、高度耦合非線性方程,對(duì)威爾金森的技術(shù)動(dòng)作結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)的最佳動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)方案,由于這些研究都是建立在科學(xué)的理論基礎(chǔ)之上,因而可以為優(yōu)化運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)提供科學(xué)的指導(dǎo),對(duì)提高運(yùn)動(dòng)技術(shù)水平具有極為重要的意義。
3.2計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)應(yīng)用的過程
計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)應(yīng)用的過程涉及到多個(gè)不同的方面,如根據(jù)武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)的研究課題、目的和任務(wù),建立多剛體系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)態(tài)性質(zhì)的數(shù)字化模型、建立動(dòng)作結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及生物學(xué)方程、應(yīng)用或編制軟件、調(diào)試計(jì)算、數(shù)據(jù)檢查校核、反饋調(diào)節(jié)與控制,至最終建立與完善武術(shù)最佳化動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)(模式)等,其工作流程如圖1所示。
圖1 計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)工作流程圖
隨著現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,目前市場(chǎng)上己有許多研究多剛體系統(tǒng)模型力學(xué)的計(jì)算機(jī)程序軟件,應(yīng)用這些軟件程序能求解武術(shù)運(yùn)動(dòng)過程中人體多剛體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的正向、逆向問題,由于武術(shù)運(yùn)動(dòng)中人體的一切技術(shù)動(dòng)作結(jié)構(gòu)都必然遵循力學(xué)和生物學(xué)的基本原理,因而通過其數(shù)字模擬技術(shù)的計(jì)算方式能解決運(yùn)動(dòng)中人體武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)的量化分析問題。計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)的步驟包括數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)前處理、模擬計(jì)算、數(shù)據(jù)后處理、技術(shù)動(dòng)作方案的修改或創(chuàng)新動(dòng)作設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)后處理和圖像顯示。
4.1 數(shù)據(jù)輸入
數(shù)據(jù)的輸入包括從通過三維立體攝影的方法所獲得的武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)資料影片或平面錄像拍攝所得的動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),從電子測(cè)力臺(tái)系統(tǒng)測(cè)試所得的動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)及人體慣性、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等生物力學(xué)參數(shù),數(shù)據(jù)的輸入過程具有統(tǒng)計(jì)學(xué)處理,輸入數(shù)的篩選、修改、平滑程序,對(duì)有誤或可疑數(shù)據(jù)可進(jìn)行重新確認(rèn)和修改。
4.2 數(shù)據(jù)前處理
數(shù)據(jù)前處理包括數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、誤差處理、時(shí)間同步處理等。根據(jù)影片或錄像資料中一般都具有慣性和非慣性參考坐標(biāo)(如背景參考標(biāo)記、人體結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)軸等)來表示動(dòng)作空間特征。計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算的坐標(biāo)系通常建立在人體多剛體模型的慣性主軸上,所以在運(yùn)算前需將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,對(duì)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,在誤差處理中剔除奇異點(diǎn),以及對(duì)整套數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理,時(shí)間同步處理則是對(duì)平面圖像空間特征數(shù)據(jù)與時(shí)間特征的吻合,或?qū)⑷S攝影中兩個(gè)互為垂直的平面圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行同步校正,這些數(shù)據(jù)前處理工作對(duì)于系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性具有直接的影響與作用。
4.3 計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬計(jì)算
輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過正確的前處理階段后,即可根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算,得到武術(shù)技術(shù)動(dòng)作在空間運(yùn)動(dòng)的全過程,并將它與實(shí)際影像比較來驗(yàn)證模擬程序的準(zhǔn)確程度與誤差性。當(dāng)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的結(jié)果圖像與實(shí)際動(dòng)作圖像相比較,兩者軌跡基本吻合時(shí),說明計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)程序計(jì)算是符合所研究實(shí)際的,其結(jié)果對(duì)武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、設(shè)計(jì)與再造,對(duì)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練實(shí)踐具有良好的指導(dǎo)作用與意義。
4.4 武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)的修改與新動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬計(jì)算技術(shù)的一項(xiàng)重要功能,是修改局部動(dòng)作和設(shè)計(jì)新的武術(shù)最佳化動(dòng)作技術(shù)模式及訓(xùn)練方案,由于圖形變化可采用數(shù)學(xué)語言描述,通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)識(shí)別,局部動(dòng)作的修改經(jīng)數(shù)據(jù)輸入后,整個(gè)運(yùn)動(dòng)圖形會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的改變。如果在計(jì)算機(jī)顯示中觀察到的結(jié)果理想,則說明修改或新設(shè)計(jì)的動(dòng)作值得嘗試。這一功能對(duì)研究武術(shù)技術(shù)動(dòng)作的最佳化結(jié)構(gòu),對(duì)武術(shù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過程中的教練員、運(yùn)動(dòng)員具有十分重要的指導(dǎo)性作用,特別是對(duì)運(yùn)動(dòng)中武術(shù)基本動(dòng)作的確立和創(chuàng)造高、難、新動(dòng)作,可以使教練員一些新的設(shè)想先在仿真程序中證明其可行且有效后,再作實(shí)際嘗試,可以最大限度地減小和防治運(yùn)動(dòng)創(chuàng)傷的產(chǎn)生,更高效率地提高武術(shù)動(dòng)作技術(shù)訓(xùn)練的效果及安全性。
4.5 數(shù)據(jù)后處理和圖像顯示
計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)計(jì)算得到的數(shù)據(jù),需根據(jù)研究課題內(nèi)容和任務(wù)的要求,以不同的方式所顯示。計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)計(jì)算程序具有各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能,可以將結(jié)果以各種圖形方式顯示。這一過程稱為數(shù)據(jù)后處理,最后可得非常直觀和最合理的技術(shù)動(dòng)作圖形結(jié)果。在研究和設(shè)計(jì)最佳化武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)方案的過程中,這些通過計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)計(jì)算得到的連續(xù)圖形輸出,對(duì)武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)方案的修改和創(chuàng)新,具有極為重大的參考價(jià)值,能夠起到直接和決定的作用。
利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字模擬仿真,并利用三維動(dòng)畫技術(shù)研究技術(shù)動(dòng)作時(shí)可具備以下功能和作用價(jià)值:
(1)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真,采用三維方式逼真模擬技術(shù)動(dòng)作,以三維動(dòng)畫顯示技術(shù)解析武術(shù)動(dòng)作技術(shù)立體空間結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及生物學(xué)特征。使運(yùn)動(dòng)員更容易、更快速地掌握技術(shù)動(dòng)作要領(lǐng),從而大幅度地提高運(yùn)動(dòng)員整體運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練水平和動(dòng)作技能水平。
(2)動(dòng)作編排模擬與設(shè)計(jì)合理的動(dòng)作體系,完成武術(shù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中新動(dòng)作技術(shù)方案的設(shè)計(jì)與技術(shù)動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)模式化。通過計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)可以編輯、修改、設(shè)計(jì)新動(dòng)作,從各種編排結(jié)果中挑選、設(shè)計(jì)最佳化武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)方案,據(jù)此建立武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)模式,指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)技術(shù)教學(xué)與訓(xùn)練。
(3)模擬結(jié)果與訓(xùn)練技術(shù)動(dòng)作的對(duì)比,可以對(duì)武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化比較分析,進(jìn)行技術(shù)診斷,并以圖形方式展示分析結(jié)果。包括武術(shù)運(yùn)動(dòng)中人體動(dòng)作的空間狀態(tài)變化、人體重心運(yùn)動(dòng)軌跡的變化、位移、速度、加速度、力和力矩作用等。在此基礎(chǔ)上,可以應(yīng)用科學(xué)、合理的動(dòng)作模式與運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作做深層次的比較分析,通過將運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練動(dòng)作與標(biāo)準(zhǔn)模擬動(dòng)作顯示在同一個(gè)屏幕上,并以相同視點(diǎn)、同步對(duì)比,進(jìn)行技術(shù)診斷,根據(jù)武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)員改進(jìn)技術(shù)動(dòng)作的指導(dǎo)性方案。
計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)應(yīng)用于武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)的研究目前是武術(shù)運(yùn)動(dòng)技術(shù)研究的重點(diǎn)課題。國(guó)內(nèi)外同行雖然在人體運(yùn)動(dòng)模擬的計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)計(jì)算技術(shù)研究方面已有一些結(jié)果,但由于其計(jì)算復(fù)雜度高,需要人為設(shè)定繁瑣的參數(shù)而難以完全滿足運(yùn)動(dòng)實(shí)踐的需要。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)計(jì)算技術(shù)在不斷與武術(shù)動(dòng)作技術(shù)結(jié)構(gòu)研究相結(jié)合的實(shí)踐中,將顯現(xiàn)越來越大的指導(dǎo)作用與價(jià)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(tǒng)體育學(xué)。
2.孫 偉(1 9 8 7~),男。研究方向:計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用。