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(yùn)會離不開科技的強(qiáng)大支撐,在運(yùn)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(yùn)動中巨大的作用。

運(yùn)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(yùn)動員在訓(xùn)練和比賽時的運(yùn)動圖像,發(fā)現(xiàn)運(yùn)動員技術(shù)動作上存在的微小錯誤,及時糾正運(yùn)動員錯誤的技術(shù)動作,進(jìn)一步提高運(yùn)動員的訓(xùn)練效果和比賽時的運(yùn)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(yùn)動員的成績有大幅的提升,三維運(yùn)動技術(shù)的廣泛應(yīng)用使體育運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動捕捉技術(shù)的現(xiàn)狀。

2 三維運(yùn)動捕捉技術(shù)的概述

2.1 三維運(yùn)動捕捉的概念界定與進(jìn)程概述

2.1.1 運(yùn)動捕捉的概念界定

運(yùn)動捕捉技術(shù)是借助運(yùn)動捕捉系統(tǒng)對運(yùn)動員的技術(shù)動作和戰(zhàn)術(shù)配合或者對運(yùn)動物體的三維運(yùn)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(yùn)動捕捉技術(shù)的研究與運(yùn)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(yùn)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(yùn)動捕捉技術(shù)的發(fā)展打開了新世紀(jì)的“大門”。隨著運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動捕捉技術(shù)的釋義

三維運(yùn)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(yùn)動的過程與軌跡,然后運(yùn)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(yùn)動的立體畫面呈現(xiàn)出來。從技術(shù)的層面來看,三維運(yùn)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(yùn)動軌跡。普遍意義的三維運(yùn)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(yùn)動捕捉技術(shù)分類與評價

2.3.1 機(jī)械式運(yùn)動捕捉

機(jī)械式運(yùn)動捕捉是最原始的運(yùn)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(yùn)動軌跡和路線的跟蹤記錄。傳統(tǒng)的機(jī)械式運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動捕捉

顧名思義,電磁式運(yùn)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(yùn)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(yùn)動捕捉技術(shù)操作困難、僵化死板以及聲學(xué)式運(yùn)動捕捉技術(shù)反應(yīng)性差、延遲性長的弊端。電磁式運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動捕捉

光學(xué)式運(yùn)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(yùn)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(yùn)動捕捉技術(shù)與現(xiàn)代體育訓(xùn)練中的銜接

3.1 運(yùn)動技術(shù)結(jié)構(gòu)特征的成像

三維運(yùn)動捕捉技術(shù)的最基本功能在于對人體運(yùn)動空間特征的數(shù)據(jù)采集,再次基礎(chǔ)上,運(yùn)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(yùn)動訓(xùn)練提供量化、科學(xué)的指標(biāo)。與此同時,三維運(yùn)動捕捉技術(shù)使以往抽象的運(yùn)動生理學(xué)、運(yùn)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(yùn)動捕捉技術(shù)不僅能夠?qū)θ梭w運(yùn)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(yùn)用三維運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動員的動作姿勢更加舒展、優(yōu)美,為運(yùn)動員競技能力的提高打下扎實的基礎(chǔ)。與此同時,在運(yùn)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(yùn)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(yùn)動捕捉技術(shù)與現(xiàn)代體育運(yùn)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(yùn)動員競技水平的提升。同時,輔助三維運(yùn)動捕捉技術(shù)的應(yīng)用,對于運(yùn)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(yùn)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(yùn)動捕捉技術(shù)對于運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yáng)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(yùn)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(yùn)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(yùn)用三維運(yùn)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(yùn)動捕捉技術(shù)在體育領(lǐng)域的應(yīng)用前景

4.1 運(yùn)動捕捉技術(shù)在體育中廣泛應(yīng)用的可能性

運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動捕捉技術(shù)產(chǎn)生將推動體育學(xué)科的發(fā)展

運(yùn)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(yùn)動捕捉技術(shù)的產(chǎn)生,運(yùn)動捕捉將在體育科研、運(yùn)動訓(xùn)練、運(yùn)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(yùn)動捕捉技術(shù)在體育訓(xùn)練中對捕捉運(yùn)動數(shù)據(jù)、生理生化指標(biāo)、運(yùn)動監(jiān)控、技術(shù)診斷與分析、輔助裁判裁決、運(yùn)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(yùn)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(yùn)動捕捉技術(shù)在體育中的應(yīng)用研究表明,運(yùn)動捕捉技術(shù)對提高運(yùn)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(yùn)動捕捉技術(shù)在運(yùn)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(yùn)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(yùn)動捕捉技術(shù)在體育運(yùn)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(yùn)動捕捉技術(shù)及其在運(yùn)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(yùn)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(yùn)動捕捉技術(shù)在體育運(yùn)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(yùn)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).