（陜西學(xué)前師范學(xué)院體育系,陜西西安,710100）

淺談籃球技術(shù)三維仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高興貴

（陜西學(xué)前師范學(xué)院體育系,陜西西安,710100）

通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建一種模擬的籃球運(yùn)動(dòng)，即制作三維的仿真籃球系統(tǒng)?？梢园鸦@球運(yùn)動(dòng)員的籃球技術(shù)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程信息進(jìn)行捕捉采集，再通過(guò)計(jì)算機(jī)制作出三維仿真的模擬籃球運(yùn)動(dòng)，這些信息通過(guò)計(jì)算機(jī)的整合后形成了一個(gè)三維的仿真數(shù)據(jù)庫(kù)。

籃球技術(shù)；三維仿真；系統(tǒng)；教學(xué)

1 虛擬的籃球運(yùn)動(dòng)員

本文所論述的主要是“三維數(shù)字虛擬人”，這個(gè)概念和“數(shù)字人體”的概念并不一樣。后者主要是以活人為研究對(duì)象，它是在不同的時(shí)空下，通過(guò)計(jì)算機(jī)建立起來(lái)的動(dòng)態(tài)人體系統(tǒng)。對(duì)人體進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以及計(jì)算機(jī)的信息整合處理而形成的技術(shù)系統(tǒng)。而本文所論述的“數(shù)字化虛擬人”是以死人為研究對(duì)象的。就好比將人的身體解剖成成千上萬(wàn)的零散的部分，再對(duì)這每個(gè)部分進(jìn)行拍照，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)把這些部分整合處理，重新構(gòu)建一個(gè)新的人體三維結(jié)構(gòu)。這兩者的本質(zhì)區(qū)別正在于此，但是兩者又并不是毫無(wú)關(guān)聯(lián)，在數(shù)字化虛擬技術(shù)方面，兩者還是有一定的聯(lián)系。對(duì)數(shù)字化虛擬人研究主要包括三個(gè)方面，一是虛擬可視人，二是虛擬物理人，三是虛擬生物人。就目前來(lái)說(shuō)，虛擬可視人和以活人為研究對(duì)象與研究基礎(chǔ)的數(shù)字人體還是有很大的區(qū)別。數(shù)字化虛擬人的研究主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)，來(lái)觀測(cè)掌握人體系統(tǒng)在一定時(shí)間和一定空間內(nèi)的狀況。它的研究是以活人為基礎(chǔ)，然而我們都知道，人體是由億萬(wàn)個(gè)細(xì)胞組成的，再加上由細(xì)胞構(gòu)成的組織與組織之間，器官和器官之間的相互作用，以及人體與外界環(huán)境的相互作用。這個(gè)龐大系統(tǒng)中的聯(lián)系、變化是極其復(fù)雜的。而數(shù)字化虛擬人顯然不能夠滿足這些研究需要。

有的專家學(xué)者提出了人體模型法，它是一種分層構(gòu)建三維數(shù)字人體的方法。即把虛擬人劃分為三個(gè)部分：基本骨架、肌肉層和皮膚層。其中的人體骨架又分為三個(gè)部分：人體重心、關(guān)節(jié)、骨骼。虛擬人模型的構(gòu)成也包括了兩個(gè)方面：虛擬人骨架、虛擬人表面模型。一般來(lái)說(shuō)，我們看到的虛擬人模型就只包含了虛擬人的表面模型一個(gè)部分，而并不包括虛擬數(shù)字人骨架模型。現(xiàn)在我們所說(shuō)的虛擬人模型主要由兩個(gè)部分組成，即骨架和部位，其中部位又包括肌肉、皮膚、服飾三個(gè)方面。表面模型的組成包含了53塊小的部分，這些小部分之間并不是相互獨(dú)立的，他們之間有一些小的公共區(qū)域。這些小的公共區(qū)域的設(shè)定是為了使數(shù)字人在運(yùn)動(dòng)時(shí)不致于出現(xiàn)裂縫。全身的關(guān)節(jié)以及骨骼段整合起來(lái)就組成了虛擬人骨架模型。這個(gè)模型準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)應(yīng)包括54個(gè)關(guān)節(jié)，其中包括一個(gè)重心位置。另外還應(yīng)包括53塊骨骼段。這就使得各個(gè)部位在各自的關(guān)節(jié)上可以進(jìn)行不同方向上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而就產(chǎn)生了各種各樣的動(dòng)作姿態(tài)。這就使得數(shù)字虛擬人完成的動(dòng)作更接近真實(shí)的人體動(dòng)作，顯得更加準(zhǔn)確和逼真。有人把三維仿真技術(shù)運(yùn)用到了籃球上，而且具有了一定的成效。他們利用相關(guān)軟件建立了骨骼、人體模型、角色等等。同時(shí)制作了虛擬球場(chǎng)等相關(guān)環(huán)境。仿真籃球運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作，通過(guò)輸出設(shè)備，形成三維的動(dòng)畫(huà)。如下圖1所示。

2 籃球運(yùn)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作的捕捉和采集

運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)作為一種高新的技術(shù)設(shè)備，能夠及時(shí)捕捉并準(zhǔn)確測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體在三維空間的運(yùn)動(dòng)狀況。排布在空間上不同位置、不同角度的視頻設(shè)備，能夠把運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡和相關(guān)狀況記錄下來(lái)，這種記錄是以圖像的形式被保存，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，對(duì)圖像進(jìn)行處理。從而能夠得到不同時(shí)間段上，不同物體在空間中的坐標(biāo)。如下圖2所示

我們通常所說(shuō)的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備一般由四部分構(gòu)成，包括了傳感器、信號(hào)捕捉設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備。傳感器是一種跟蹤裝置，它安裝在運(yùn)動(dòng)物體上，并固定于某一特定部位，便于采集捕捉運(yùn)動(dòng)物體的位置信息。跟蹤器的數(shù)目越多，那么對(duì)運(yùn)動(dòng)捕捉就能夠越細(xì)致。信號(hào)捕捉設(shè)備是一種硬件設(shè)備，它主要對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)對(duì)傳感器的識(shí)別，形成物體運(yùn)動(dòng)軌跡的模擬信號(hào)。數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備可以將信號(hào)捕捉設(shè)備所形成的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使之形成數(shù)字信號(hào)。并把此數(shù)字信號(hào)傳輸進(jìn)計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理設(shè)備包含了兩個(gè)部分，一個(gè)是計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備，另一個(gè)是數(shù)據(jù)處理軟件。它負(fù)責(zé)處理傳進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整合修正。從而才能在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建三維模型，并且制作相關(guān)的動(dòng)畫(huà)。

3 籃球運(yùn)動(dòng)技術(shù)三維仿真數(shù)據(jù)庫(kù)

其實(shí)在中國(guó)籃球協(xié)會(huì)以及搜狐網(wǎng)、新浪網(wǎng)上都已經(jīng)建立了相關(guān)的籃球數(shù)據(jù)庫(kù)。但這些數(shù)據(jù)庫(kù)主要是為廣大網(wǎng)民提供大眾化信息。而且都不能提供籃球的戰(zhàn)術(shù)分析、球員的動(dòng)作分解等等相關(guān)的視頻數(shù)據(jù)。更沒(méi)有較為成熟和專業(yè)的虛擬籃球場(chǎng)景的設(shè)計(jì)和動(dòng)作指導(dǎo)?；诖朔N情況，我們就有必要把相關(guān)的籃球數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一地、有效地、更深層次地管理。形成一個(gè)籃球數(shù)據(jù)庫(kù)的系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該包括以下四個(gè)部分：

圖1

3.1數(shù)據(jù)庫(kù)

這個(gè)所謂的數(shù)據(jù)庫(kù)就是在存儲(chǔ)設(shè)備上，通過(guò)計(jì)算機(jī)的處理，存放海量的籃球數(shù)據(jù)資源?？梢哉f(shuō)，它是整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的核心。

3.2硬件

硬件是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它主要包括了CPU、內(nèi)存、外存和輸入輸出設(shè)備。他們是數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)資源的物質(zhì)載體!

3.3軟件

軟件部分包括了OC、數(shù)據(jù)庫(kù)的管理系統(tǒng)以及各種編程語(yǔ)言和應(yīng)用開(kāi)發(fā)的軟件。軟件是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中一個(gè)重要的工具和助手。

3.4人

這里所說(shuō)的人，他包括了數(shù)據(jù)庫(kù)的管理員、程序員和操作員。三種人的職責(zé)和分工各不相同，數(shù)據(jù)庫(kù)管理員在數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和維護(hù)上發(fā)揮著關(guān)鍵作用。數(shù)據(jù)庫(kù)程序員主要負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的相關(guān)工作。他們利用系統(tǒng)提供的高級(jí)語(yǔ)言，如C語(yǔ)言、Java語(yǔ)言等開(kāi)發(fā)相關(guān)的應(yīng)用程序。以便于在數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建新的信息、改變已有的信息或者產(chǎn)生數(shù)據(jù)報(bào)表等等。而數(shù)據(jù)庫(kù)操作員則只需要通過(guò)程序員編寫(xiě)好的程序直接對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)使用相關(guān)命令和具體操作。

關(guān)于籃球技術(shù)的三維仿真數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)資源，它的覆蓋面應(yīng)當(dāng)廣泛，比如國(guó)內(nèi)國(guó)外的各大高校、各個(gè)地區(qū)的籃球協(xié)會(huì)中的優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作。把他們進(jìn)行整合分類，用戶通過(guò)網(wǎng)站中的搜索即可以查詢到他們想要了解的資料。在運(yùn)動(dòng)員的投籃、防守、突破、傳球以及球隊(duì)的戰(zhàn)術(shù)上面都能夠?qū)崿F(xiàn)三維立體的輸出演示，是用戶能夠更加有效地學(xué)習(xí)。

4 三維仿真技術(shù)運(yùn)用于籃球的意義與價(jià)值對(duì)于現(xiàn)代的籃球教學(xué)與訓(xùn)練來(lái)說(shuō)，三維仿真技術(shù)在其中的運(yùn)用具有極其重要的意義和價(jià)值。它能夠?qū)@球運(yùn)動(dòng)員的移動(dòng)、投籃、速度、傳球等技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行量化的分析，并把分析結(jié)果以表格或者圖像的方式完整具體地呈現(xiàn)出來(lái)。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)動(dòng)員可以把形成的數(shù)據(jù)資料和規(guī)范的技術(shù)動(dòng)作資料等進(jìn)行比對(duì)，從而找出自身的具體問(wèn)題。另外，由于籃球?qū)W習(xí)和訓(xùn)練的實(shí)踐性很強(qiáng)，往往受到訓(xùn)練場(chǎng)地、天氣狀況、訓(xùn)練器材、訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)等各個(gè)方面原因的限制，甚至運(yùn)動(dòng)員受傷等情況。這些都會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員不能夠完成相關(guān)的訓(xùn)練。而三維仿真技術(shù)的應(yīng)用能夠在一定程度上彌補(bǔ)這些問(wèn)題。運(yùn)動(dòng)員通過(guò)具有自主性、選擇性和針對(duì)性的觀看模仿，能夠更深層次地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題。在幫助他們改進(jìn)技術(shù)動(dòng)作的同時(shí)，也提高了教學(xué)訓(xùn)練的效率和成果。對(duì)于一些高難度動(dòng)作，教師往往不能夠反復(fù)而又準(zhǔn)確地完成，而三維仿真技術(shù)就使得運(yùn)動(dòng)員的反復(fù)觀看和模仿成為可能。

5 結(jié)語(yǔ)

籃球技術(shù)三維仿真系統(tǒng)的應(yīng)用，是一種教學(xué)上的改革和創(chuàng)新。它不僅能夠更加有效地輔助教學(xué)，還能夠增加運(yùn)動(dòng)員的學(xué)習(xí)熱情。在不斷提升學(xué)員知識(shí)與技能的同時(shí)，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)教學(xué)信息的及時(shí)反饋和管理。為教學(xué)訓(xùn)練提供了更加科學(xué)、更加有效地環(huán)境。隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，相信在以后的籃球訓(xùn)練中，三維仿真技術(shù)將會(huì)運(yùn)用得更加廣泛，其技術(shù)也會(huì)越來(lái)越成熟完善。

[1] 陳健.基于現(xiàn)代計(jì)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(bào)(自然科學(xué)版），2006（5）：38-40.

[2] 孫勇超.蹦床運(yùn)動(dòng)仿真中虛擬運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作編排方法的研究[R].首屆智能CAD與數(shù)字娛樂(lè)學(xué)術(shù)會(huì)議，2003.

[3] 陳健.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)技術(shù)仿真中的應(yīng)用[J].體育科學(xué),2006(9):97-101.

Design of 3D simulation system of basketball technique

Gao Xinggui
(Shaanxi Preschool Teachers College Department of physical education,Shaanxi Xi'an,710100)

Through the construction of a simulated basketball computer technology,namely making basketball simulation system of three-dimensional.Can the information technology of basketball and basketball players ofmotion capture,and then through the computer to make simulation of basketball 3D simulation,these information through the computer integration forms a three-dimensional simulation database.

basketball technology;simulation system;teaching