韓麗 劉祺

摘 要：近年來，動作捕捉技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于影視制作、游戲仿真、機(jī)械控制及醫(yī)療領(lǐng)域，但其與教學(xué)活動的結(jié)合未見普遍研究。動作捕捉技術(shù)不僅可以實現(xiàn)動作的實時捕捉、運動仿真和動畫，而且可以用于三維立體教學(xué)、動作分析與反饋，從而增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。文章將動作捕捉技術(shù)與傳統(tǒng)體育教學(xué)相結(jié)合，通過建立教練員的動作姿態(tài)庫，生成教學(xué)動畫軟件，實現(xiàn)動作的三維立體分析與講解。最終采用實驗對比分析進(jìn)行驗證，結(jié)果表明動作捕捉技術(shù)在體育排球教學(xué)中的引入，不僅豐富了教學(xué)內(nèi)容，而且獲得了更好的教學(xué)效果，具有極高的研究與應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 動作捕捉;運動軌跡;排球教學(xué)

中圖分類號：G423 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B ? ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2015）04-0077-04

一、引言

隨著計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展和硬件設(shè)備的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality）已經(jīng)被人們所了解并且應(yīng)用到各行各業(yè)中。因此，計算機(jī)特技應(yīng)用到教學(xué)活動中，成為必不可少的手段，能夠極大地提高教學(xué)質(zhì)量。近年來，體育教學(xué)中主要應(yīng)用的多媒體技術(shù)就是CAI，筆者在中國知網(wǎng)進(jìn)行“多媒體技術(shù)與體育教學(xué)”關(guān)鍵詞檢索，結(jié)果發(fā)現(xiàn)約77551 多個研究成果及期刊論文，可見多媒體技術(shù)在體育教學(xué)中應(yīng)用之廣。多媒體技術(shù)主要是利用多媒體計算機(jī)，綜合處理和控制多種媒體信息，具體應(yīng)用在課件方面，以數(shù)字化為基礎(chǔ)，對圖片與文字、音頻與視頻、動畫等多媒體信息進(jìn)行采集、加工處理、存儲和傳遞，并能使各種媒體信息之間建立起有機(jī)的邏輯聯(lián)系，集成為一個具有良好交互性的系統(tǒng)技術(shù)，使得教學(xué)內(nèi)容豐富多彩。但是在教學(xué)實施中還存在很多問題和弊端，其一就是技術(shù)動作的教學(xué)演示，有些高難度的技術(shù)動作是多媒體技術(shù)難以實現(xiàn)的，而且與標(biāo)準(zhǔn)動作比較，運用多媒體技術(shù)設(shè)計出來的動作存在一定不足;其二就是教學(xué)手段單一，靈活性很差，而體育教學(xué)靈活性很強，多媒體技術(shù)難以實現(xiàn);其三就是多媒體技術(shù)無法實現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，自主進(jìn)行動作分析與反饋。

而動作捕捉技術(shù)能夠檢測、記錄運動員的肢體在三維空間的運動軌跡，實時捕捉運動員的動作，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的“抽象運動”，減少人為誤差，教學(xué)動作更加標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋信息量大，反饋直接形象。學(xué)生也可以對自己的技術(shù)動作進(jìn)行分析與反饋，實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)。因此，在體育教學(xué)過程中，如何運用動作捕捉技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，改變傳統(tǒng)教學(xué)的弊端和問題，提高教學(xué)質(zhì)量，具有極高的研究與應(yīng)用價值。

二、動作捕捉在體育教學(xué)中應(yīng)用的意義

1.動作捕捉相關(guān)概念

動作捕捉（Motion capture），也稱為Motion Tracking（動作追蹤）或簡稱Mocap。動作捕捉主要捕捉表演者的動作甚至表情，用這些動作或表情數(shù)據(jù)直接驅(qū)動動畫、虛擬對象模型，制作出逼真的動畫。[1]

動作捕捉技術(shù)的雛形是1915年動畫大師Max Fleischer研制的一個將膠片內(nèi)容打到透光臺上的放映機(jī)，把拍攝出的動作影像作為動畫描繪的底樣，逐幀描繪出所需的動作。[2] 20世紀(jì)70年代，基于儀器的運動捕捉技術(shù)開始應(yīng)用于動畫領(lǐng)域，80年代，通過電腦實現(xiàn)的針對人體運動捕捉的研究開始出現(xiàn)，90年代，三維運動軌跡捕捉技術(shù)正式商業(yè)化。[3] 2011年拍攝的《星球崛起》運用了最新的動作捕捉技術(shù)，沒有一只真實動物參與表演，達(dá)到了動作捕捉技術(shù)應(yīng)用的新高峰。[2]

（1）動作捕捉技術(shù)

動作捕捉技術(shù)，就是在運動物體的主要部位設(shè)置關(guān)鍵點，借助計算機(jī)技術(shù)，采用測量、跟蹤、計算等方法把運動物體身上關(guān)鍵點的動作捕捉下來，然后應(yīng)用到已建好的三維模型中， 讓三維模型做出和演員類似的動作。[4] 例如，在表演者的手、肘、肩、膝蓋、腳面等關(guān)鍵部位貼上閃光球，稱為“Marker”，在表演者做出發(fā)球動作的同時，用專門儀器捕捉Marker的運動軌跡，然后運用相關(guān)軟件進(jìn)行處理，處理后應(yīng)用到排球運動員模型上，這樣，模型就可以做出和表演者一模一樣的發(fā)球動作。

（2）動作捕捉系統(tǒng)

動作捕捉技術(shù)從實時性來看，可分為實時捕捉系統(tǒng)和非實時捕捉系統(tǒng)兩類;從應(yīng)用的角度來看，可分為表情捕捉和身體動作捕捉兩類;按人體動作捕捉需求的深淺來區(qū)分，可分為全身運動捕捉和細(xì)節(jié)運動捕捉兩類。按原理來分，可分為機(jī)械式運動捕捉、聲學(xué)式運動捕捉、電磁式運動捕捉和光學(xué)式運動捕捉四種。[3]

2.與常規(guī)體育教學(xué)對比

體育運動中有許多技術(shù)動作，不僅數(shù)量多、速度快，而且比較復(fù)雜，一些還具有瞬時性，這都給教學(xué)帶來較大困難。一方面，教師因為天氣、身體、心理等原因，不能將每個動作都標(biāo)準(zhǔn)地演示出來，技術(shù)動作的瞬時性也導(dǎo)致教師不能間斷的進(jìn)行示范，動作要領(lǐng)轉(zhuǎn)瞬即逝，不利于學(xué)生掌握;另一方面，每個學(xué)生接受能力的不同，身體素質(zhì)的不同，觀察角度的不同，都會對動作重難點的領(lǐng)會產(chǎn)生影響。結(jié)果導(dǎo)致教師反復(fù)演示講解，影響教學(xué)效果，學(xué)生只注重動作練習(xí)，缺乏主動思考能力。而動作捕捉技術(shù)輔助教學(xué)在信息獲取和傳遞方面具有常規(guī)教學(xué)所無法比擬的優(yōu)勢。學(xué)生根據(jù)自身情況，可以針對性的學(xué)習(xí)動作技術(shù)，通過3D動畫反饋教學(xué)，在不斷對照中進(jìn)步，大大提高了教學(xué)質(zhì)量。

3.動作捕捉技術(shù)在體育教學(xué)中的優(yōu)勢分析

（1）突破技術(shù)動作重難點

動作捕捉技術(shù)的應(yīng)用彌補了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，把復(fù)雜的動作進(jìn)行分解，而且可以把動作進(jìn)行多角度慢放，了解動作的每個細(xì)節(jié)，讓學(xué)生感知動作時間、空間的特征?；橄鬄榫唧w，用動畫或者圖像把難以理解的內(nèi)容顯示出來，呈現(xiàn)給學(xué)生完美的視覺效果。通過鏡頭特寫，充分調(diào)動視覺能力，建立正確完整的視覺表象，為技術(shù)動作難點的突破提供有利的條件。

（2）提高學(xué)生綜合能力

動作捕捉技術(shù)的實質(zhì)是一種視覺、空間刺激，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)習(xí)積極性、自覺性。教育心理學(xué)研究表明，學(xué)習(xí)動機(jī)中最現(xiàn)實、最活躍的因素是認(rèn)識的興趣，在興趣高昂的狀態(tài)下學(xué)習(xí)，知識掌握的迅速而牢固。采用動作捕捉技術(shù)把復(fù)雜動作分解、慢放，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，不僅可以提高學(xué)生的觀察能力、分析能力、判斷力，而且激發(fā)了學(xué)生的抽象思維，綜合能力顯著提高。

（3）提高教學(xué)效果

常規(guī)的體育教學(xué)，往往都是教師反復(fù)重復(fù)動作要領(lǐng)，指出易犯錯誤的原因，學(xué)生反復(fù)練習(xí)，實際的教學(xué)效果并不理想，學(xué)生易出現(xiàn)反感情緒。動作捕捉技術(shù)的應(yīng)用打破常規(guī)的教學(xué)模式，先觀看教學(xué)動畫，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。給出正誤兩組動作，學(xué)生自主分析思考動作之間的差異，找出錯誤動作產(chǎn)生的原因，提升運動技能的理解能力，避免常見錯誤動作的發(fā)生，便于快速掌握動作重難點，提高教學(xué)效果。

三、動作捕捉技術(shù)在排球教學(xué)中的應(yīng)用

動作捕捉技術(shù)應(yīng)用在常規(guī)排球課程教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，過程如圖1，首先進(jìn)行動作設(shè)計，然后對運動員進(jìn)行動作捕捉，建立教學(xué)動作數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理后，用3Dmax軟件實現(xiàn)模型的轉(zhuǎn)化，最后制作成動畫應(yīng)用在教學(xué)中。

1.動作的設(shè)計與采集

基本動作的訓(xùn)練主要是為了在實戰(zhàn)中應(yīng)用。學(xué)生經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練，將規(guī)范動作變成一種本能反應(yīng)，才能夠在實戰(zhàn)中迅速做出正確的選擇，減少不必要失誤的發(fā)生。針對排球中的發(fā)球、傳球、扣球、攔網(wǎng)以及基本步法等基本動作進(jìn)行設(shè)計，來滿足排球教學(xué)的需求。

教練員穿上關(guān)鍵部位貼有Marker的單色服裝，演示設(shè)計好的教學(xué)動作，如圖2。采用多臺近紅外高感度專用攝像機(jī)也就是信號捕捉設(shè)備，對運動員身上的Marker進(jìn)行跟蹤和監(jiān)視，記錄下教練員的動作軌跡。

2.教學(xué)動作數(shù)據(jù)庫的建立與數(shù)據(jù)分析

（1）數(shù)據(jù)庫建立

采用光學(xué)式動作捕捉技術(shù)，對捕捉到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，還原為空間三維點，以此數(shù)據(jù)生成模型運動所需的動作數(shù)據(jù)，用該數(shù)據(jù)去驅(qū)動計算機(jī)動畫模型。[5]然后利用偏移映像、運動拼接等運動編輯技術(shù)完成動作修改，最后將模型的動作與骨架圖一起保存起來，建立教學(xué)動作數(shù)據(jù)庫，如圖3。

（2）數(shù)據(jù)分析

利用捕捉到的運動目標(biāo)的標(biāo)識點的空間三維運動軌跡坐標(biāo)，分析運動目標(biāo)的運動特征，如圖4，計算出所需的相關(guān)運動參數(shù)，如發(fā)球時手臂的最佳角度、接球時手腕的角度等，便于學(xué)生對技術(shù)動作進(jìn)行系統(tǒng)性分析。

教師也可以在Windows平臺上打開三維坐標(biāo)窗口，對捕捉到的三維數(shù)據(jù)，包括關(guān)節(jié)圖、軌跡圖、骨骼模型圖的顯示、再現(xiàn)，更加直觀的展示出動作的要領(lǐng)。也可以對學(xué)生的動作進(jìn)行捕捉，在平面坐標(biāo)窗口中表示出坐標(biāo)變化曲線、運動特征曲線等，與標(biāo)準(zhǔn)動作的運動曲線進(jìn)行對比，例如發(fā)球動作中腕部關(guān)節(jié)點運動軌跡，如圖5，找出關(guān)鍵節(jié)點的差異，有助于教師采用正誤對比，及時糾正學(xué)生的錯誤動作，大大提高了教學(xué)質(zhì)量。

3.數(shù)據(jù)編輯、格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)出

對捕捉的三維運動數(shù)據(jù)的任意標(biāo)識點任意時刻在x、y、z方向上可進(jìn)行靈活的手動編輯、修補，并提供完備的差值、濾波處理，使之更接近完美，使模型動作更具特色。另外，三維圖形的同步顯示更直觀，生動的3D模型輔助顯示能夠更準(zhǔn)確的把握修改結(jié)果。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能可以向3Dmax Studio、Maya、Motion Builder等3DGC軟件提供通用格式的運動數(shù)據(jù)（CSM、BVH、TRC、FBX等）。

四、動作捕捉技術(shù)教學(xué)效果分析

為了全面準(zhǔn)確地了解動作捕捉技術(shù)在排球教學(xué)中的作用，以及學(xué)生對這種教學(xué)的看法，筆者采用實驗法和數(shù)理統(tǒng)計法進(jìn)行分析。

1.實驗法

首先，對遼寧師范大學(xué)2012級排球選修課的班級進(jìn)行隨機(jī)抽樣，隨意選出兩個班級，隨機(jī)分為實驗班和對照班。實驗前，對兩個班學(xué)生對排球的興趣、現(xiàn)有的技術(shù)水平和學(xué)習(xí)動機(jī)進(jìn)行問卷調(diào)查。 結(jié)果表明：兩組學(xué)生的排球興趣、技術(shù)水平和學(xué)習(xí)動機(jī)沒有顯著差異（P>0.05）;對兩班學(xué)生的力量、速度、耐力、柔韌以及靈敏度進(jìn)行測試，對得出成績進(jìn)行分析，結(jié)果表明兩班學(xué)生身體素質(zhì)存在顯著差異（P>0.05）;對兩班學(xué)生進(jìn)行理論測試，對得出成績進(jìn)行分析，結(jié)果表明兩班學(xué)生理論成績無顯著差異（P>0.05）。[5] 因此，符合研究要求。

其次，進(jìn)行實驗安排，實驗時間為2013年9月至2013年12月，教學(xué)時間為16學(xué)時。對照組采用傳統(tǒng)教學(xué)方法，教師對動作進(jìn)行講解演示，指導(dǎo)學(xué)生練習(xí)，糾正錯誤動作，最后與實驗班統(tǒng)一進(jìn)行考試。實驗組在課前先運用動作捕捉技術(shù)捕捉優(yōu)秀運動員的發(fā)球、傳球、攔網(wǎng)以及扣球等技術(shù)動作，然后用3Dmax軟件把上述動作制作成教學(xué)動畫。在上課時觀看3D動畫演示的標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)動作，同時觀看預(yù)先構(gòu)建出來的可能出現(xiàn)的錯誤動作，從多角度進(jìn)行對比觀察，分析原因。然后進(jìn)行實際練習(xí)，用攝像機(jī)拍攝學(xué)生練習(xí)的動作，回放視頻與標(biāo)準(zhǔn)動作對比，教師給與指導(dǎo)，逐漸掌握動作要領(lǐng)，形成正確的動作定型。

最后，對兩組學(xué)生進(jìn)行考核，請兩名教師對學(xué)生的四項技術(shù)進(jìn)行獨立打分，再平均得到各項的分值。

2.數(shù)理統(tǒng)計法

所需數(shù)據(jù)均用SPSS13.0統(tǒng)計軟件包進(jìn)行分析處理。通過對兩組學(xué)生的理論和發(fā)球、傳球、攔網(wǎng)以及扣球技術(shù)的掌握情況進(jìn)行對比分析，數(shù)據(jù)見表1。

結(jié)果表明，兩組學(xué)生的理論和發(fā)球、傳球、攔網(wǎng)以及扣球成績存在顯著差異，這表明在排球教學(xué)中應(yīng)用動作捕捉技術(shù)，對提高學(xué)生的技術(shù)水平、提高教學(xué)質(zhì)量有很大幫助。

動作捕捉技術(shù)在排球教學(xué)中的應(yīng)用，實現(xiàn)了與虛擬場景系統(tǒng)的實時交互，便于量化分析，對教學(xué)中出現(xiàn)的不足進(jìn)行改進(jìn)，擺脫純粹依靠理論教學(xué)的狀態(tài)，進(jìn)入數(shù)字化時代，大大提高教學(xué)效果，可以預(yù)料動作捕捉技術(shù)將會在教學(xué)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：魯利瑞）