计算机数字模拟技术在武术动作技术结构研究中的应用

王亚琼 孙 伟

（黔南民族师范学院体育系，贵州 都匀 558000）

【武术套路研究】

计算机数字模拟技术在武术动作技术结构研究中的应用

王亚琼 孙 伟

（黔南民族师范学院体育系，贵州 都匀 558000）

文章采用文献综述的研究方法，从体育科学研究方法论的视角，论述应用计算机数字模拟技术对武术动作技术结构进行研究的方法与程序。从武术运动中人体动作结构数字模型的建立、计算机数字模拟技术应用的步骤、数据输入、数据前处理、计算机模拟数字计算到武术动作技术结构模型方案的修改、新动作技术模式设计与计算机数字模拟技术在运动技术训练中的应用价值等方面，详细论述了计算机数字模拟技术在武术动作技术结构研究中的应用方法、过程、具体步骤与功能。

计算机数字模拟 武术 动作技术结构

1 问题的提出

对武术动作技术结构的研究是武术教学与训练实践中经常涉及到的重点课题，传统的方法通常使用摄像机拍摄运动员的技术动作，然后对其结构的进行分析。但是这种方法只能对运动员的技术动作进行一次性的简单回放，对于武术动作技术结构的运动学、动力学、生物学特征的量化及比较分析，则不能得到满意的结果。随着科学技术的发展与现代体育发展的需求，电子计算机技术的快速发展为体育动作结构图像的比较、叠加、动力学测试、计算与自动分析等功能的实现，为动作技术结构的量化分析与研究奠定了雄厚的基础，尤其是计算机数字模拟技术应用于动作技术结构领域的研究，可以使武术专家及教练员在武术动作技术结构的设计阶段就能预知动作技术结构的功能和结果，从而为研究武术动作技术的结构特征，进行最佳化武术动作技术结构的设计建立了一条科学技术与运动实践相结合的道路。应用计算机数字模拟技研究武术动作技术的结构特征，无论是对武术动作技术结构的改进，还是武术动作技术结构的再造与重建，都能使其研究周期大幅度地缩短，提高武术动作技术结构设计方案的可行性与实际应用的价值，提高武术运动技术训练的调控水平和训练效率。

2 武术动作技术结构数字模拟仿真模型的建立

计算机数字模拟技术是利用计算机技术对人体运动这一复杂结构系统进行分析、研究和设计的有力工具，其应用和影响已涉及众多体育运动项目的科学研究领域，如对运动中人体运动动作结构的运动学特征、动力学特征及生物学特征领域的研究，充分揭示了动作技术的外部形式与内在本质的联系、原理和动作技术模式的建立与发展规律。在武术动作技术结构研究中，由于研究所涉及到人体运动时的基本结构特性，根据武术动作技术的目的及人体完成武术动作技术的规律和特征，通常将人体简化为多质点数字化模型或多刚体系统的数字化模型。把人体的骨骼、肌肉、肌腱等运动系统组织，处理为数字化的、由多个具有空间形态及质量的刚体模型，并将多个环节之间的作用力及力矩建立成影响动作技术结构的多因素模型，从而建立研究与设计武术动作技术结构的运动学、动力学、生物学运动方程。当选用独立的广义坐标研究技术动作时，其数学模型为常微分方程（ODE OrdinaryDifferential Equations）；如果选用非独立的广义坐标，则得到的是微分代数方程（DAE Differential Algebraic Equations）。这些方程通常都属于高阶的、高度耦合的非线性方程，除了在极少数情况下可以简化通过人工方式的计算并求得解析结果外，一般都需要通过计算机技术寻求数值的解析结果。

3 计算机数字模拟技术的方法与过程

3.1 计算机数字模拟技术的方法

通过计算机建立的数字模型来模拟人体研究武术运动动作结构特征的过程与方法包括下述几个步骤，即输入数字模型的原始参数、通过电子计算机的程序计算、取得技术动作过程局部环节运动、整体运动动态（静态）结构特征的描述结果、形成武术动作技术结构的原理等，这一过程称为计算机数字模拟技术，也称为数值仿真技术。在实践中应用计算机数字模拟技术计算时，会遇到正向或逆向问题，如已知人体运动时各局部环节的运动状态（如各局部环节运动的空间特征、时间特征），求解形成动作技术结构的力学条件（如环节运动所涉及的肌肉拉力矩、环节阻力矩、整体运动状态下人体内力的传递及动量矩沿人体各环节的转移，外力作用等条件）等。

在计算机数字模拟技术的运算过程中，必须要增加对其力学附加约束条件，以求得各输入量的最佳组合，完成对武术动作技术结构的最佳化设计。在建立数字模拟仿真模型有关参数足够准确的条件下，计算结果能够准确地真实地反映运动状态的动态结构特征，对武术动作技术结构研究所获得的结果，具有很强的预测性和极为实用的指导作用。例如美国运动生物力学专家艾。里尔博士对铁饼运动员威尔金森掷铁饼的技术诊断，通过计算机数字模拟技术对其动作技术结构的研究，模拟计算了其投掷铁饼过程中动作空间特征、动作速率、力和动量传递与动量矩转移等参数的高阶、高度耦合非线性方程，对威尔金森的技术动作结构提出了优化设计的最佳动作技术结构方案，由于这些研究都是建立在科学的理论基础之上，因而可以为优化运动员的动作技术结构提供科学的指导，对提高运动技术水平具有极为重要的意义。

3.2计算机数字模拟技术应用的过程

计算机数字模拟技术应用的过程涉及到多个不同的方面，如根据武术动作技术结构的研究课题、目的和任务，建立多刚体系统的连续运动及动态性质的数字化模型、建立动作结构的运动学、动力学及生物学方程、应用或编制软件、调试计算、数据检查校核、反馈调节与控制，至最终建立与完善武术最佳化动作技术结构（模式）等，其工作流程如图1所示。

图1 计算机数字模拟技术工作流程图

4 计算机数字模拟技术的程序及步骤

随着现代电子计算机技术的高速发展，目前市场上己有许多研究多刚体系统模型力学的计算机程序软件，应用这些软件程序能求解武术运动过程中人体多刚体系统运动学和动力学的正向、逆向问题，由于武术运动中人体的一切技术动作结构都必然遵循力学和生物学的基本原理，因而通过其数字模拟技术的计算方式能解决运动中人体武术动作技术结构的量化分析问题。计算机数字模拟技术的步骤包括数据输入、数据前处理、模拟计算、数据后处理、技术动作方案的修改或创新动作设计及数据后处理和图像显示。

4.1 数据输入

数据的输入包括从通过三维立体摄影的方法所获得的武术动作技术结构资料影片或平面录像拍摄所得的动作技术结构运动学参数，从电子测力台系统测试所得的动作技术结构动力学参数及人体惯性、转动惯量等生物力学参数，数据的输入过程具有统计学处理，输入数的筛选、修改、平滑程序，对有误或可疑数据可进行重新确认和修改。

4.2 数据前处理

数据前处理包括数据的坐标转换、误差处理、时间同步处理等。根据影片或录像资料中一般都具有惯性和非惯性参考坐标（如背景参考标记、人体结构的坐标轴等）来表示动作空间特征。计算机仿真计算的坐标系通常建立在人体多刚体模型的惯性主轴上，所以在运算前需将原始数据进行坐标转换，对参数进行统计处理，在误差处理中剔除奇异点，以及对整套数据进行平滑处理，时间同步处理则是对平面图像空间特征数据与时间特征的吻合，或将三维摄影中两个互为垂直的平面图像数据进行同步校正，这些数据前处理工作对于系统计算结果准确性具有直接的影响与作用。

4.3 计算机数字模拟计算

输入数据经过正确的前处理阶段后，即可根据动力学方程计算，得到武术技术动作在空间运动的全过程，并将它与实际影像比较来验证模拟程序的准确程度与误差性。当计算机模拟计算的结果图像与实际动作图像相比较，两者轨迹基本吻合时，说明计算机数字模拟技术程序计算是符合所研究实际的，其结果对武术动作技术结构的改进、设计与再造，对运动训练实践具有良好的指导作用与意义。

4.4 武术动作技术结构的修改与新动作技术结构的设计

计算机数字模拟计算技术的一项重要功能，是修改局部动作和设计新的武术最佳化动作技术模式及训练方案，由于图形变化可采用数学语言描述，通过计算机系统的自动识别，局部动作的修改经数据输入后，整个运动图形会产生相应的改变。如果在计算机显示中观察到的结果理想，则说明修改或新设计的动作值得尝试。这一功能对研究武术技术动作的最佳化结构，对武术运动训练过程中的教练员、运动员具有十分重要的指导性作用，特别是对运动中武术基本动作的确立和创造高、难、新动作，可以使教练员一些新的设想先在仿真程序中证明其可行且有效后，再作实际尝试，可以最大限度地减小和防治运动创伤的产生，更高效率地提高武术动作技术训练的效果及安全性。

4.5 数据后处理和图像显示

计算机数字模拟技术计算得到的数据，需根据研究课题内容和任务的要求，以不同的方式所显示。计算机数字模拟技术计算程序具有各种数据转换功能，可以将结果以各种图形方式显示。这一过程称为数据后处理，最后可得非常直观和最合理的技术动作图形结果。在研究和设计最佳化武术动作技术结构方案的过程中，这些通过计算机数字模拟技术计算得到的连续图形输出，对武术动作技术结构方案的修改和创新，具有极为重大的参考价值，能够起到直接和决定的作用。

5 计算机数字模拟技术在运动技术训练中的应用价值

利用计算机进行数字模拟仿真，并利用三维动画技术研究技术动作时可具备以下功能和作用价值：

（1）利用计算机进行数据仿真，采用三维方式逼真模拟技术动作，以三维动画显示技术解析武术动作技术立体空间结构的运动学、动力学及生物学特征。使运动员更容易、更快速地掌握技术动作要领，从而大幅度地提高运动员整体运动训练水平和动作技能水平。

（2）动作编排模拟与设计合理的动作体系，完成武术运动训练中新动作技术方案的设计与技术动作标准模式化。通过计算机数字模拟技术可以编辑、修改、设计新动作，从各种编排结果中挑选、设计最佳化武术动作技术结构方案，据此建立武术动作技术结构模式，指导运动技术教学与训练。

（3）模拟结果与训练技术动作的对比，可以对武术动作技术结构进行量化比较分析，进行技术诊断，并以图形方式展示分析结果。包括武术运动中人体动作的空间状态变化、人体重心运动轨迹的变化、位移、速度、加速度、力和力矩作用等。在此基础上，可以应用科学、合理的动作模式与运动员技术动作做深层次的比较分析，通过将运动员的训练动作与标准模拟动作显示在同一个屏幕上，并以相同视点、同步对比，进行技术诊断，根据武术动作技术结构原理设计运动员改进技术动作的指导性方案。

计算机数字模拟技术应用于武术动作技术结构的研究目前是武术运动技术研究的重点课题。国内外同行虽然在人体运动模拟的计算机数字模拟技术计算技术研究方面已有一些结果，但由于其计算复杂度高，需要人为设定繁琐的参数而难以完全满足运动实践的需要。随着现代科学技术的高速发展，计算机数字模拟技术计算技术在不断与武术动作技术结构研究相结合的实践中，将显现越来越大的指导作用与价值。

[1]郑秀媛，等．现代运动生物力学[M]．北京：国防工业出版社，2002．

[2]封根权．人体工程学[M]．兰州：甘肃人民出版社，1980．

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[5]魏文仪，等．运动生物力学译文集[M]．北京：清华大学出版社，1989．

[6]吴旭光，等．计算机仿真技术[M]．北京：化学工业出版社，2005．

Application of the Digital Simulation Technique of Computer in Studying Action Technique Structure of Wushu

Wang YaqiongSun Wei
（Dept.of Physical Education，Qiannan Normal College for Nationalities,Duyun Guizhou 558000）

The paper studies the methods and procedure of the digital simulation technique of computer in studying action technique structure form the aspect of study methodology of sports science on the basis of document summarization.The paper has discoursed in detail the method,process as well as material step and function of the digital simulation technique of computer in studying action technique structure of Wushu from the aspects of building the digital model of incarnate action technique structure of Wushu,step as well as the processing,transcription and computation of data in the applying the digital simulation technique of computer,modifying the scheme of the action technique structure model of Wushu,designing the model of the new action technique,applying the digital simulation technique of computer to the training of the athletics technique.

digital simulation of computer Wushu structure of action technique

G85

A

1004—5643（2010）03—0042—03

1.王亚琼（1 9 5 8～），女，教授。研究方向：民族传统体育学。

2.孙 伟（1 9 8 7～），男。研究方向：计算机技术应用。