黃玉飛

(河南安陽工學(xué)院體育教學(xué)部 河南南陽 455000)

動作捕捉技術(shù)在體育運動領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀①

黃玉飛

(河南安陽工學(xué)院體育教學(xué)部 河南南陽 455000)

本文通過介紹動作捕捉的原理和方法，總結(jié)了不同動作捕捉技術(shù)的特點并展開敘述動作捕捉技術(shù)在體育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，意在得出動作捕捉技術(shù)在體育領(lǐng)域的局限性以及體育運動的動作捕捉對現(xiàn)有的動作捕捉技術(shù)提出的新要求：第一，動作捕捉傳感器小向型化發(fā)展，穿戴定位簡單；第二，慣性動作捕捉在體育領(lǐng)域的應(yīng)用將是主流手段；第三，動作捕捉數(shù)據(jù)采集頻率快慢是體育動作捕捉精度的關(guān)鍵指標(biāo)。

運動技術(shù) 動作捕捉 人體模型 體育運動

先進的科學(xué)技術(shù)測量方法是體育運動研究的基礎(chǔ)，體育運動研究方法的進步，促使了運動技術(shù)水平的不斷提高，以滿足體育人對優(yōu)秀體育成績的追求。因此體育運動科研方法必須由傳統(tǒng)經(jīng)驗性的訓(xùn)練模式向程序化訓(xùn)練方法轉(zhuǎn)變，由訓(xùn)練效果的定性分析向訓(xùn)練過程的精細化分析轉(zhuǎn)變。

動作捕捉與虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展和在體育領(lǐng)域的運用，使運動動作分析過程由連續(xù)平面靜態(tài)圖片分析轉(zhuǎn)變成立體的動態(tài)分析，通過采集固定肌肉位置的運動學(xué)和動力學(xué)以及肌肉表面生理學(xué)數(shù)據(jù)信息，處理數(shù)據(jù)研判分析，找出運動規(guī)律和運動趨勢，為體育運動提供科學(xué)系統(tǒng)的訓(xùn)練效果數(shù)據(jù)支持和訓(xùn)練方法改進的依據(jù)。

1 動作捕捉技術(shù)的發(fā)展

運動捕捉是通過傳感器采集人體標(biāo)定位置的三維空間中的運動軌跡，并將其轉(zhuǎn)化為離散的運動數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)驅(qū)動人體模型運動廣泛運用于軍事模擬、動畫制作、體育運動、康復(fù)醫(yī)療等領(lǐng)域[1]。動作捕捉領(lǐng)域大部分品牌都由國外生產(chǎn)廠商壟斷，主要品牌如下：英國Animazoo公司的慣性動作捕捉系統(tǒng)，其產(chǎn)品特性為：陀螺儀速度快、重量輕對快速動作和細微動作都可捕捉，英國Oxford Metrics Limited公司的vicon光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)，該系統(tǒng)由不同相機對同一個一個標(biāo)記物得空間運動的圖像采集并輸入到計算機進行計算，得出反光球該時刻在空間的三維坐標(biāo)，根據(jù)這些坐標(biāo)進行相關(guān)性分析，可以得到標(biāo)記位置的加位移、速度、位移以及動量和動能等物理量的變化。目前該系統(tǒng)的最高采樣頻率可達10000fps，是現(xiàn)在主流動作捕捉設(shè)備提供商[2]，瑞典公司研究的運動捕捉系統(tǒng)是世界上唯一同時支持主動式和被動式運動捕捉的光學(xué)式運動捕捉系統(tǒng)[3]，由于國外動作捕捉系統(tǒng)研發(fā)時間早，功能強大，能滿足各種工況要求，所以價錢昂貴。國內(nèi)的動作捕捉技術(shù)在最近十年中發(fā)展迅速，主要有：北京天遠科技三維科技有限公司的天遠系統(tǒng)，V.M.SENS公司的MoX Vis是一套靈活的、光學(xué)慣性融合動作捕捉系統(tǒng)解決方案，北京度量科技有限公司的MARS2，MARS2H，MARS4H，MARS8H等設(shè)備，國產(chǎn)設(shè)備相對于國外系統(tǒng)價錢便宜，接口對接靈活多樣，輸出格式種類多，在上下游軟件和橫向軟件間匹配和兼容性好，但是在動作捕捉的實時性，精度和工作范圍方面與國外系統(tǒng)還有一定的差距。

2 動作捕捉系統(tǒng)原理

動作捕捉系統(tǒng)原理就是在人體的骨性標(biāo)志處標(biāo)記上傳感器，通過傳感器測量處改標(biāo)記點的運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)，傳輸?shù)接嬎銠C，計算機接收數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，輸入人體模型驅(qū)動模型，工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程圖

從捕捉的方式上來劃分動作捕捉主要分為：機械式，聲學(xué)式，光學(xué)式，電磁式等，不同方式的動作捕捉系統(tǒng)間的特點如下。

機械式動作捕捉：系統(tǒng)由角度傳感器和剛性連桿機構(gòu)組成，角度傳感器嵌在可轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)中，可以測量關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度的變化情況。裝置工作時，根據(jù)角度傳感器所采集的角度變化和位移傳感器采集的剛性連桿的位移變化可以得出運動肢體標(biāo)記處的空間坐標(biāo)[3]。

電磁式和聲學(xué)式原理相近，都是由標(biāo)記位置的發(fā)生裝置，觸發(fā)電磁場或者超聲波，接收器接受，通過在一定空域內(nèi)接受不斷變變化的磁場分布確定標(biāo)記位置的空間坐標(biāo)。聲學(xué)式是通過接收器的接收時間差來確定位置和方向，電磁式分為有線和無線兩種傳輸方式，電磁式無線傳輸和聲學(xué)式在介質(zhì)傳輸?shù)倪^程中都會受到環(huán)境的干擾[4]。

光學(xué)式動作捕捉：光學(xué)式運動捕捉是目前主流的動作捕捉手段，分為主動和被動兩種形式，主要區(qū)別是maker球的發(fā)光形式，被動式的光學(xué)動作捕捉的maker球反射外部光源，主動式的maker球由發(fā)光二極管發(fā)光。系統(tǒng)的紅外攝像機通過監(jiān)視和跟蹤標(biāo)定目標(biāo)上的maker完成運動捕捉，常見的光學(xué)式運動捕捉大多基于計算機視覺原理。從理論上說，同一個maker球，能同時被兩部或兩部以上的相機采集到，就可以根據(jù)預(yù)設(shè)的相機參數(shù)，可以確定這一時刻該點在空間中的位置，當(dāng)相機以高幀率連續(xù)拍攝時，從視頻中就可以得到該點的運動軌跡；慣性式動作捕捉：慣性式動作捕捉系統(tǒng)由姿態(tài)傳感器、信號發(fā)生器，接收器和數(shù)據(jù)處理軟件組成，姿態(tài)傳感器固定于受試者相應(yīng)的部位，通過藍無線傳輸方式將信號融合傳送至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進行運動解算。其中姿態(tài)傳感器集成了慣性傳感器、重力傳感器、磁感應(yīng)計、加速度計、微陀螺儀等，以得到各部分肢體的姿態(tài)信息[5]。

動作捕捉系統(tǒng)通常由信號捕捉設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備四部分組成[6]。

傳感器一般固定在人體或者運動物體的特定部位，向動作捕捉系統(tǒng)提供運動物體運動的位置信息，一般會隨著捕捉動作的細致程度確定標(biāo)記點傳感器的數(shù)目。信號捕捉設(shè)備主要負責(zé)捕捉物體相關(guān)信息的獲取，所獲取的信息會因動作捕捉系統(tǒng)類型的不同而有所差異。數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備主要負責(zé)將數(shù)據(jù)從動作捕捉系統(tǒng)傳輸至PC機，目前采用的傳輸方式主要有USB技術(shù)和無線藍牙技術(shù)等數(shù)據(jù)處理設(shè)備主要包括計算機硬件和軟件，硬件主要指計算機等實體設(shè)備，軟件包括Motionbuilder、Maya、3DMax、opensim等，只有借助于相應(yīng)的硬件和軟件，才能將獲取到的數(shù)據(jù)進行實時回放和重利用[7]。

不同原理的動作捕捉系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，一般可從以下幾個方面進行性能評估：定位精度、采樣頻率、動作數(shù)據(jù)質(zhì)量、快速捕捉能力、多目標(biāo)捕捉能力、運動范圍、環(huán)境約束、使用便捷性、適用性等，常見的動作捕捉系統(tǒng)特點歸納如下：光學(xué)式（主動和被動）定位精準，采樣頻率和數(shù)據(jù)質(zhì)量高，能很好的進行快速動作捕捉，捕捉空間運動范圍適中，多目標(biāo)捕捉困難，在室外受強光干擾嚴重，適合室內(nèi)小范圍單人動作捕捉；慣性式：定位精度低，采樣頻率高，佩戴方便，連接簡單，捕捉范圍非常廣，能實現(xiàn)多人動作捕捉，且標(biāo)記點之間不存在遮擋和干擾現(xiàn)象，成本低廉。電磁式因為有線纜連接，大幅度的動作很難應(yīng)用，容易受到外界電磁環(huán)境的影響。

3 動作捕捉技術(shù)在體育領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 運動動作仿真

動作捕捉系統(tǒng)捕捉到的運動數(shù)據(jù)通過后期處理以后得到了骨性標(biāo)志的運動學(xué)數(shù)據(jù)，其中包括標(biāo)記點的（x、y、z）坐標(biāo)、速度和加速度等，將此處理過的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到預(yù)設(shè)的人體肌肉模型中，用數(shù)據(jù)驅(qū)動人體肌肉模型，對受試者的動作精確仿真，分析運動角度，人體重心分布，關(guān)節(jié)受力等生物力學(xué)信息，配合相應(yīng)的肌肉模型可以在人體無外設(shè)硬件的情況下測量肌肉力量。

3.2 運動技術(shù)分析

通過動作捕捉教練員和遠動員可以實時回放自己的動作，觀看動作環(huán)節(jié)的軌跡，角度，同時可以把不同時間段的動作相互比較分析，糾正錯誤動作，優(yōu)化動作。提高運動成績，把訓(xùn)練模塊化，數(shù)字化，建立運動數(shù)據(jù)庫，對訓(xùn)練效果實時監(jiān)控。

3.3 運動器械軌跡分析

在持有器械的體育運動中，如網(wǎng)球，高爾夫，羽毛球等，運動動作捕捉技術(shù)，同時捕捉器械的隨揮軌跡和球的飛行軌跡。

4 結(jié)語

動作捕捉技術(shù)用于捕捉體育運動領(lǐng)域，首先要滿足體育動作速率快，場地不確定，捕捉數(shù)據(jù)精準方面的現(xiàn)實問題，更重要的是系統(tǒng)設(shè)備進場安裝，調(diào)試，定位佩戴，不能影響受試者正常的技術(shù)動作，從上文中分析得到：光學(xué)式（主動和被動）能滿足于運動動作迅速的高精度動作捕捉，但是前期的安裝奪目攝像頭，捕捉范圍和測試前的maker點的定位耗時費力，不適合長距離室外的運動捕捉。慣性式安裝佩戴方便，校準快捷，無空間范圍限制可同時進行多人動作捕捉，但是慣性動作捕捉原理本身基于單腳支撐和地面約束假設(shè)，系統(tǒng)無法進行雙腳離地的運動定位解算，進行動作捕捉的時候要考慮是否雙腳離地。

[1]羅逸葦.Vicon三維運動捕捉系統(tǒng)在人體運動分析中的應(yīng)用[J].浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2007(1)：40-43.

[2]付全，趙慧勤，吳壯志.運動捕捉技術(shù)在體育運動仿真中的應(yīng)用[J].山西大同大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013(5)：81-84.

[3]A Survey of Computer Vision-Based Human Motion Capture.Computer Vision and Image Understanding[Z].2001(81)：231-268.

[4]A survey of advances in vision-based human motion capture and analysis. Computer Vision and Image Understanding[Z].2006(104)：90-126.

[5]李啟雷，金文光，耿衛(wèi)東.基于無線慣性傳感器的人體動作捕獲方法[J].浙江大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2012(02)：280-285.

[6]李庚睿.基于運動捕捉對人體上肢運動規(guī)律的研究[D].西安工程大學(xué)，2015.

[7]戴歡.基于慣性動作捕捉的人體運動姿態(tài)研究[D].石家莊鐵道大學(xué)，2011.

G80

A

2095-2813(2017)09(c)-0210-02

10.16655/j.cnki.2095-2813.2017.27.210

河南省社科聯(lián)，省經(jīng)團聯(lián)調(diào)研課題《動作仿真技術(shù)在體育運動訓(xùn)練領(lǐng)域的應(yīng)用研究》，項目編號：SKL-2017-2721。

黃玉飛(1985—)，男，漢族，河南安陽人，碩士，助教，研究方向：體育教育訓(xùn)練學(xué)。