馮 卿，趙鵬飛，馮 梅（.浙江理工大學(xué)體育教研部，浙江 杭州008；.浙江財(cái)經(jīng)大學(xué)東方學(xué)院外國(guó)語(yǔ)分院，浙江 海寧008；.臺(tái)州初級(jí)中學(xué)體育組，浙江臨海7000）

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基于Moven的籃球技術(shù)三維仿真動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)*

馮 卿1，趙鵬飛2，馮 梅3
（1.浙江理工大學(xué)體育教研部，浙江 杭州310018；2.浙江財(cái)經(jīng)大學(xué)東方學(xué)院外國(guó)語(yǔ)分院，浙江 海寧310018；3.臺(tái)州初級(jí)中學(xué)體育組，浙江臨海317000）

通過(guò)XsensMoven慣性運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)獲取全面真實(shí)的籃球運(yùn)動(dòng)三維數(shù)據(jù)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)生成籃球技術(shù)三維仿真動(dòng)畫，以應(yīng)用于籃球運(yùn)動(dòng)輔助教學(xué)與訓(xùn)練。首先通過(guò)動(dòng)作捕捉技術(shù)采集籃球運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作信息，然后利用三維建模技術(shù)進(jìn)行籃球人物、場(chǎng)景和服飾建模，最后將捕捉的關(guān)鍵動(dòng)作數(shù)據(jù)點(diǎn)與人物模型相綁定，合并場(chǎng)景，生成籃球運(yùn)動(dòng)技術(shù)三維動(dòng)畫。運(yùn)用三維仿真動(dòng)畫形式演示籃球運(yùn)動(dòng)技術(shù)，可以全方位地表達(dá)教學(xué)意圖，優(yōu)化自主學(xué)習(xí)的過(guò)程，提升教學(xué)質(zhì)量。

運(yùn)動(dòng)捕捉；籃球運(yùn)動(dòng)技術(shù)；三維動(dòng)畫；虛擬仿真

一、引言

籃球運(yùn)動(dòng)技術(shù)是一項(xiàng)以模仿訓(xùn)練為主的操作性技能，學(xué)員需要獲得大量的觀察、模仿、反饋、修正等本體感覺外的感知信號(hào)，特別是視聽感覺，在目前教學(xué)模式下，學(xué)生總是通過(guò)觀察教師的親身示范與講解來(lái)領(lǐng)會(huì)運(yùn)動(dòng)技術(shù)。但由于教師專業(yè)水準(zhǔn)的局限，其示范的準(zhǔn)確性及示范面的單一性在一定程度上影響學(xué)習(xí)的效果，加之缺乏及時(shí)溝通與糾正，則會(huì)導(dǎo)致學(xué)生形成錯(cuò)誤的動(dòng)作定型，亦會(huì)容易造成運(yùn)動(dòng)損傷。若在教學(xué)過(guò)程中運(yùn)用三維仿真動(dòng)畫全方位演示的優(yōu)勢(shì)展現(xiàn)教學(xué)技術(shù)內(nèi)容，恰恰能彌補(bǔ)傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的不足。

當(dāng)前，通過(guò)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)創(chuàng)作三維運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫，已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)動(dòng)畫研究的主流。它能夠節(jié)約動(dòng)畫制作周期，提升畫面質(zhì)感的逼真度，在影視和游戲動(dòng)畫制作、人體工程學(xué)研究、模擬訓(xùn)練等許多方面得到開發(fā)與重視，但是極少應(yīng)用于體育教育教學(xué)的前沿。因此，本文研究基于XsensMoven運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)，采集籃球運(yùn)動(dòng)的三維數(shù)據(jù)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，以驅(qū)動(dòng)籃球運(yùn)動(dòng)技術(shù)三維人物動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)，為探索體育仿真信息化資源的開發(fā)渠道提供參考建議。

二、Moven運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)

運(yùn)動(dòng)捕捉 （motion capture）在國(guó)內(nèi)也稱動(dòng)作捕捉，其定義是：通過(guò)在時(shí)域上跟蹤一些關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)來(lái)記錄生物運(yùn)動(dòng)，然后將其轉(zhuǎn)換成可用的數(shù)學(xué)表達(dá)并合成一個(gè)單獨(dú)的3D運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。動(dòng)作捕捉系統(tǒng)主要分為五類：慣性動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)、光學(xué)式動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)、機(jī)械式動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)、聲學(xué)式動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)和電磁式動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)。

XsensMoven便攜式慣性動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)是人體運(yùn)動(dòng)慣性測(cè)量系統(tǒng)的代表，由位于荷蘭恩斯赫德的Xsens Technologies公司研發(fā)出品。它可以實(shí)時(shí)跟蹤和采集人體運(yùn)動(dòng)，免除以照相機(jī)為基礎(chǔ)的測(cè)量系統(tǒng)以及發(fā)射器所帶來(lái)的局限。而區(qū)別于其他捕捉系統(tǒng)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)在于：無(wú)論室內(nèi)或室外、有光無(wú)光均可以使用，行動(dòng)較之靈活，這點(diǎn)尤其適合戶外體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。

Moven慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)綜合了微型慣性測(cè)量傳感器（加速度計(jì)、陀螺儀）以及輔助技術(shù)（GPS/GNSS視覺磁場(chǎng)傳感器）的優(yōu)勢(shì)，它共有16個(gè)慣性傳感器（圖1），軀干安置11個(gè)傳感器，可內(nèi)嵌在動(dòng)作捕捉服上，頭部安置1個(gè)，手部安置2個(gè)，腳部安置2個(gè)。

在采集運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)前，需要選擇一個(gè)地磁場(chǎng)不受干擾的工作環(huán)境，進(jìn)行計(jì)算機(jī)設(shè)備安裝調(diào)試。這時(shí)，工作人員協(xié)助運(yùn)動(dòng)員模特穿戴專用服裝，并完成慣性傳感器之間的電纜連接。同時(shí)，須要檢查所有慣性傳感器安裝的正確位置，合理固定傳感器與身體相應(yīng)位置；另外確保模特身體表面、場(chǎng)地附近不能帶有金屬物品，否則會(huì)造成電磁場(chǎng)畸變，影響精度。然后，引導(dǎo)表演者做一些常規(guī)的動(dòng)作，比如站立、走、跑、跳，進(jìn)行動(dòng)作捕捉工作之前動(dòng)作校準(zhǔn)，使得動(dòng)捕數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。在校準(zhǔn)工作結(jié)束后，即打開系統(tǒng)自帶的MVN studio采集及分析軟件進(jìn)行錄制，模特在無(wú)線通信范圍內(nèi)展示各種技術(shù)動(dòng)作，此時(shí)，接收傳感器將接收到的信號(hào)通過(guò)電纜傳送給處理單元，根據(jù)這些信號(hào)可以解算出每個(gè)傳感器的空間位置和方向，從而對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)動(dòng)作進(jìn)行精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)捕捉和傳輸。錄制后的動(dòng)作數(shù)據(jù)可以即時(shí)導(dǎo)出，其支持的輸出格式有BVH（Biovision分級(jí)數(shù)據(jù)）、FBX、C3D（三維坐標(biāo)）等。

圖1　全身典型配置圖（16個(gè)慣性傳感器節(jié)點(diǎn)組成）

三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1.實(shí)現(xiàn)流程

本文采用慣性捕捉系統(tǒng)技術(shù)獲取籃球運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作的關(guān)鍵骨骼點(diǎn)，然后將這些描述運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)鍵點(diǎn)綁定在虛擬籃球人物模型上，使用這些關(guān)鍵點(diǎn)驅(qū)動(dòng)虛擬的三維籃球運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作過(guò)程，這樣可以有效的記錄下籃球運(yùn)動(dòng)員的肢體動(dòng)作和全方位的技術(shù)特征。該實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要流程如圖2所示。

2.籃球虛擬場(chǎng)館的建模

基于Maya軟件構(gòu)建虛擬籃球場(chǎng)館，要注意根據(jù)建筑設(shè)計(jì)圖的比例進(jìn)行還原，同時(shí)，盡可能減少模型的面數(shù)，刪除立體模型不可視面。比如，欄桿座椅要盡量以透視紋理實(shí)現(xiàn)（見圖3），達(dá)到減少場(chǎng)館模型的文件尺寸。

圖2　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程

圖3　

3.籃球運(yùn)動(dòng)員人物模型構(gòu)建

首先，三維仿真動(dòng)畫演示的成敗是取決于角色模型的準(zhǔn)確與恰當(dāng)程度，所以建模是動(dòng)畫制作過(guò)程的重頭戲。由于Maya擁有強(qiáng)大的建模和動(dòng)畫渲染功能，因此，利用其軟件環(huán)境來(lái)創(chuàng)建籃球運(yùn)動(dòng)員的人物骨架與蒙皮。在骨架構(gòu)建中，人體模型與骨骼的連接會(huì)受到相關(guān)骨骼與模型權(quán)重的影響，而它直接關(guān)系到骨骼運(yùn)動(dòng)中模型表面的變形效果，在此可以通過(guò)設(shè)置蒙皮權(quán)重來(lái)完善上述問題（見圖4）。同時(shí)，采取UV紋理貼圖、合并組織模型和簡(jiǎn)化模型面數(shù)，達(dá)到優(yōu)化模型，能保證減少文件尺寸和虛擬交互環(huán)境運(yùn)動(dòng)的流暢性的效果（見圖5）。

圖4　

圖5　

4.籃球人物模型的骨骼綁定

動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采集的運(yùn)動(dòng)軌跡是人體關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，要使得這些數(shù)據(jù)能夠驅(qū)動(dòng)人物模型按照運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)，需要進(jìn)行骨骼綁定。骨骼綁定時(shí)必須注意模型關(guān)節(jié)各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)權(quán)重的影響，以保證模型運(yùn)動(dòng)的自然協(xié)調(diào)。綁定具體步驟如下：首先，將Moven動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Motionbuilder（MB）中，并把動(dòng)畫模型的關(guān)鍵幀局設(shè)置為0，使得人體形狀調(diào)整成初始動(dòng)作TPOSE（基本骨骼）姿態(tài)，用Character節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)23個(gè)身體環(huán)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行Biped（兩足動(dòng)物）基本骨骼的角色化。然后，同時(shí)導(dǎo)入不帶動(dòng)畫的Bone skeleton（BS）人體骨骼模型，用移動(dòng)和縮放工具將原始采集數(shù)據(jù)與后者進(jìn)行尺寸、比例和角度上的空間匹配，以保持兩者初始動(dòng)作一致；再將Bs骨骼與原始數(shù)據(jù)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行映射，從而使得Bs人體骨架模型被動(dòng)捕數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)得以運(yùn)動(dòng)，并保存為*fbx文件格式。最后，完成運(yùn)動(dòng)骨骼綁定和調(diào)試結(jié)束后，便可將新建人物數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入Maya軟件中，利用角色控制工具Character Contorols，將數(shù)據(jù)模型的運(yùn)動(dòng)綁定在角色人物的根節(jié)點(diǎn)上，從而驅(qū)動(dòng)角色模型，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)作捕捉技術(shù)的籃球運(yùn)動(dòng)員三維數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)展現(xiàn)。

5.運(yùn)動(dòng)捕捉籃球技術(shù)三維數(shù)據(jù)的動(dòng)畫生成

籃球運(yùn)動(dòng)員模特穿戴好動(dòng)捕服裝，在合適的場(chǎng)地內(nèi)，通過(guò)動(dòng)作捕捉技術(shù)真實(shí)地記錄籃球運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作，對(duì)動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型的映射處理，利用Maya軟件進(jìn)行人物、場(chǎng)景渲染及后期音效，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的三維動(dòng)畫重現(xiàn)。

圖6實(shí)際投籃技術(shù)動(dòng)作與生成的動(dòng)畫效果對(duì)比

圖6展示了籃球運(yùn)動(dòng)員的實(shí)際投籃動(dòng)作與數(shù)據(jù)生成的動(dòng)畫兩者之間的對(duì)比效果，以檢驗(yàn)動(dòng)作捕捉技術(shù)是否對(duì)于籃球技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行全方位的正確記錄。其中，圖6（a）是根據(jù)本文介紹的籃球技術(shù)仿真動(dòng)畫生成的方法，利用Moven系統(tǒng)設(shè)備實(shí)時(shí)采集籃球運(yùn)動(dòng)員的某幀動(dòng)作。以此可以獲得和該幀動(dòng)作相對(duì)應(yīng)的三維數(shù)據(jù)。圖6（b）是根據(jù)本文介紹的動(dòng)畫生成方法，利用圖6（a）獲得三維動(dòng)捕數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)角色模型生成的相應(yīng)動(dòng)畫幀效果，該動(dòng)畫效果與圖6（a）實(shí)際技術(shù)動(dòng)作一致。

四、結(jié)束語(yǔ)

籃球技術(shù)動(dòng)作呈三維動(dòng)畫展示具有逼真自然、動(dòng)感無(wú)限的特點(diǎn)，可以全視角、任意距離觀察技術(shù)動(dòng)作的細(xì)節(jié)和關(guān)鍵點(diǎn)，幫助學(xué)員建立全面、直觀的運(yùn)動(dòng)表象，且人機(jī)交互作用能激發(fā)學(xué)員模仿訓(xùn)練的興趣，提升學(xué)員自主學(xué)習(xí)的能力，提高教學(xué)與訓(xùn)練的效果。

運(yùn)用Moven運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)收集較系統(tǒng)的籃球運(yùn)動(dòng)技術(shù)三維數(shù)據(jù)，便于教師隨時(shí)整合和運(yùn)用教學(xué)資源，制作成符合教學(xué)需求的動(dòng)畫數(shù)據(jù)庫(kù)；亦可利用運(yùn)動(dòng)捕捉采集的技術(shù)動(dòng)作運(yùn)動(dòng)參數(shù)展開運(yùn)動(dòng)技術(shù)的科研分析，從而統(tǒng)計(jì)出運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使得教學(xué)過(guò)程更加直觀化和智能化。當(dāng)然，在掌控并高效利用數(shù)據(jù)的過(guò)程中，勢(shì)必對(duì)體育教師的信息技術(shù)素養(yǎng)提出了更高的要求。

隨著“十三五”教育信息化的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)捕捉等虛擬信息技術(shù)必將在體育領(lǐng)域具備更加廣闊的應(yīng)用前景，也將在拓展高校體育教育數(shù)字化資源建設(shè)中發(fā)揮一席之地。

［1］黃波士，陳福民.人體運(yùn)動(dòng)捕捉及運(yùn)動(dòng)控制的研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005，41（7）：60-63.

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（編輯：魯利瑞）

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1673-8454（2016）10-0074-03

浙江省高等教育課堂教學(xué)改革項(xiàng)目“雙主”教學(xué)模式在普通高?；@球課堂教學(xué)中的應(yīng)用研究”（kg2013122）；全國(guó)教育信息技術(shù)研究“十二五”規(guī)劃2013年度立項(xiàng)專項(xiàng)課題“大學(xué)籃球課程仿真系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用”（136231381）。