篮球技术三维仿真系统的设计

陈 健，施 泽

1 篮球技术三维仿真系统研制的必要性

竞技体育的目标是“更高、更快、更强”，除运动员刻苦训练外，科学的训练方法和手段是提高运动成绩重要而有效的途径。长期以来，我国篮球运动训练的科技水平相对较低，一直采用以经验为主的训练与教学方法，教练员凭借肉眼和经验对运动员的技术动作进行指导，运动员也只能通过重复性练习掌握技术要领，严重影响了我国篮球运动水平的进一步快速提高［1］。篮球教学和训练过程中，运动员需要有大量的观察、模仿、反馈、修正等除了本体感觉外的感觉信号特别是视听感觉，篮球技术三维仿真系统所具有的特征能很好弥补这些不足之处。运动员借助此系统可以领会与掌握顶尖选手技术动作的细节与关键点。

篮球技术三维仿真系统不但可以辅助传统教学和训练方式，也有利于激发运动员学习、训练兴趣，提高认知主体作用的能力，提升知识与技能的获取和实现对教学训练信息的有效组织与管理，为教学和训练提供较为理想的学习与训练环境。目前国内外篮球界经过长期实践与研究取得共认：在篮球技术训练中引入三维仿真技术，可以帮助运动员在训练过程中尽快掌握动作技术要领，减少盲目重复，极大地提高训练效率、降低运动员受伤害可能性，达到最佳训练效果。基于此，构建篮球运动技术三维仿真系统是件迫切且必要的工作。

2 篮球技术三维仿真系统的构成部分

2．1 虚拟的篮球运动员

本研究所指的“三维数字虚拟人”与“数字人体”并非同一概念。数字人体的研究对象是活人，是建立在多时空下的动态人体系统，以人体实时观测、网络和计算机信息处理为主体的技术系统。而“数字化虚拟人”或“虚拟人”的研究对象是死人，是将尸体用刀切削成为成千上万个人体切片后拍照，在电脑里对其进行整合，重建人体三维结构［2］。这是“数字人体”与“数字化虚拟人”本质上的区别，只是在数字化虚拟技术上有一定联系。“数字化虚拟人”研究包括虚拟可视人、虚拟物理人和虚拟生物人三个研究层面，目前是虚拟可视人，与利用活人作为立足点研究的数字人体有很大差异性。数字化虚拟人体的研究目的是了解人体系统在某一时间、空间尺度的情况，其立足点是活人。人体由100多万亿个细胞组成，仅神经系统就约有1 000亿个神经元，细胞构成的组织、器官间相互作用，人体与外界环境产生冲突与和谐，这些极为复杂的人体系统变化是数字化虚拟人无法实现的，因此在运动虚拟现实研究中所说数字人如果不特别指定就是专指基于活人的数字人体。

中国科学院计算机研究所孙勇超等人提出了分层构建三维数字人体的人体模型法，即虚拟人由基本骨架、肌肉层和皮肤层构成，其中人体骨架由人体重心、关节和骨骼构成，虚拟人模型包括虚拟人骨架和虚拟人表面模型，通常看到虚拟人模型只是虚拟人的表面模型，而没有虚拟数字人骨架模型，现在一般把虚拟人模型划分成两层表示，即骨架和部位（包括肌肉、皮肤、服饰）。表面模型由53块部位组成，每对相互连接的部位之间设有小块公共区域，这样在虚拟数字人运动时才不会出现裂缝的情况。虚拟人骨架模型由全身的所有关节和骨骼段组成。吴永栋提出虚拟数字人骨架模型应包括54个关节（包括一个重心位置）和53块骨骼段，每个部位体可以分别绕着各自的关节在不同自由度方向上作旋转运动，产生不同姿态，使数字虚拟人所做的动作与真实人体有较高的逼真度。浙江大学的张林和陕西师范大学的陈健尝试对篮球技术动作进行三维仿真，并且取得了阶段性成果。其研究利用Pose软件进行三维人体模型的建立、骨骼的建立和关节功能的设定、骨骼和人体模型的蒙皮与绑定、角色的设定，借助Maya软件进行虚拟球场空间及环境的制作、优秀篮球运动员的动作仿真、非线性技术动作的组合编辑、三维动画的渲染与输出（如图1－2）［3］。

图1 篮球运动员人体模型

图2 篮球运动员角色设定

2．2 篮球运动技术信息的运动捕捉

运动捕捉技术是借助运动捕捉系统对运动员的技术动作和战术配合或者对运动物体的三维运动轨迹进行实时捕捉和数字解析的一种高新技术［1］。运动捕捉系统是一种用于准确测量运动物体在三维空间运动状况的高技术设备，其原理是基于计算机图形学，通过排布在空间中的数个视频捕捉设备将运动物体（跟踪器）的运动状况以图像形式记录下来，通过计算机进行处理，得到不同时间计量单位上不同物体（跟踪器）的空间坐标（X，Y，Z）［4］。

如图3所示，典型的运动捕捉设备一般由传感器、信号捕捉设备、数据传输设备和数据处理设备四部分组成。传感器是固定在运动物体特定部位的跟踪装置，向系统提供运动物体运动的位置信息，其跟踪器的数目取决于运动捕捉的细致程度；信号捕捉设备是负责采集、识别传感器获得的有关运动轨迹的模拟信号的硬件设备，对于光学系统则是高分辨率红外摄像机；数据传输设备将信号捕捉设备获得的模拟信号转化为数字信号并将其快速准确地传输到计算机系统进行处理；数据处理设备由计算机硬件设备和数据处理软件两部分构成，完成对数据传输设备传来的大量数据进行修正、以此进行三维模型建模以及动画制作。

图3 运动技术捕捉系统

运动捕捉技术可以捕捉篮球运动员的动作，便于进行量化分析，结合人体生理学、物理学原理，研究改进方法，使体育训练摆脱纯粹依靠经验的状态，进入科学化、数字化时代。把成绩差的运动员的动作捕捉下来，将其与优秀运动员的动作进行对比分析，帮助其训练，为科学地训练提供准确的定量依据和量化的训练指标，是提高运动水平和成绩，实现体育科研的科学依据［5］。借助运动技术捕捉技术和计算机图像处理技术可以极大提高篮球技术训练的可视性，并且有助于对技术动作做量化分析，以图形方式展示分析结果，包括位移、速度、力等（见图4）。在此基础上对“理想”动作与运动员技术动作做深层次分析，提出运动员改进技术动作的指导性意见［5］。

图4 运动技术捕捉获得的力学数据

2．3 篮球运动技术三维仿真

运动捕捉获得大量篮球技术动作实例数据库后，通过中国科学院计算机研究所研发的虚拟人合成软件包VHSDK5．0以三维方式显示每一个实例动作，并用可视化的方式交互设计和修改技术动作，再经过牛顿欧拉运动模型验证所得新动作的合理性，由此得到个性化的“标准”技术动作。

为方便地完成可视化交互动作设计，假定对于人体运动motion（t）而言，需要修改姿态 posture（ti）以得到新的姿态posture（ti）。可以在大小为X×Y的用户视窗中通过鼠标选取相应的刚体并拖动，假设拖动过程中鼠标在x、y方向的变化量分别为Δx和Δy，根据欧拉定理假定可以用zyx方向的欧拉角〈α，β，γ〉来表示这一旋转，则有如下关系：

其中a，b，c为影响因子，分别表示Δx和Δy对欧拉角〈α，β，γ〉在x，y，z三个方向的影响程度。解得：

从而完成新姿态posture（ti）的设定。

采用偏移映射（Displacement mapping）技术来获得新的运动motion（t）。计算ti时刻的偏移量：

按图8所示计算其他时刻的偏移量，得到与motion（t）对应的运动偏移d（t）＝＜d－1（t），d0（t），…，d n（t）＞，将运动偏移d（t）叠加到原来的运动 motion（t）上便得到新运动。即 mo－

图5 偏移量的构造

根据运动员体态参数特征预算人体惯性参数，确定牛顿欧拉运动模型中需要的转动惯量等个性化参数，得到个性化的运动方程，根据该方程验证新运动motion′（t）的合理性。如图6－7所示，通过可视化的交互设计、运动验证和反馈这一交互过程完成对篮球运球突破技术的三维仿真设计［3］。

2．4 篮球运动技术三维仿真数据库

图6 篮球运动员及篮球场地的虚拟设计

图7 运动技术的三维仿真设计

尽管中国篮协、搜狐、新浪等已经建立篮球数据库，但该数据库是以提供大众化信息为目标，没有提供以某球队或者某运动员为目标的搜索引擎，且不能提供相关技战术分析的视频片断等数据。就篮球技战术而言，尚未发现有相关的且较为成熟的专业篮球技术数据库设计的报道。为有效管理海量的篮球技术数据，选择构建篮球技术数据库是唯一选择。篮球技术数据库系统（BTDBS）包括以下几部分：1）数据库（DB），集中在存储设备上存放数据资源，是数据库系统的核心；2）硬件，数据库系统的物质载体，主要包括中央处理器（CPU）、内部存储器、外部存储器以及输入输出设备（I／O）；3）软件，主要包括操作系统（OC）、数据库管理系统（DBMS—如SQL Server）、各种宿主语言（如C＋＋、Java等）和应用开发支撑软件（如Power Builder、Delphi等）；4）人，主要包括数据库管理员（DBA）、数据库应用程序员（APU）和数据库操作员（NPU），其中数据库管理员负责数据库的定义、建立与维护控制；数据库应用程序员的主要职责是利用系统提供的高级语言、接口和工具开发使用数据库的应用程序，以实现在数据库中建立信息、检索信息、删除或变化已存在的信息，或产生各种形式的报告等等；数据库操作员不必用语言或工具写过程程序，直接用命令或者查询语言进行直接存取和操作数据库运行。篮球技术三维仿真数据库应该涵盖众多高水平国内外篮球运动员的经典技术集成，借助查询与搜索命令可以实现对不同篮球运动员移动、运球、传球、投篮、篮板球、个人防守诸多技术的平面预览与三维输出演示（见图8－9）［6］。

3 若干讨论

3．1 篮球技术三维仿真研究的核心问题

图8 篮球技术数据库的主界面图

图9 篮球技术数据库的查询条件设定

篮球技术三维仿真研究的核心问题就是对篮球运动员进行建模。目前人体模型的建模方法一般采用运动学和动力学的逆解或有限元分析的方法。这些研究方法对人体模型作了不同程度的简化，每种研究方法都具有各自的优势特点和不足，尤其在篮球运动员的运动建摸与仿真中，由于以上的建模方法运算复杂，研究周期长，且一般由于没在实际应用中修正过，其仿真实际效果较差。另外，如何确定边界条件消除奇异点也是一个难以解决的问题。中国科学院唐毅等人提出了数字运动员的概念，其主要思想是以多目标测试数据为基础，利用神经网络和遗传算法等计算智能方法进行运动员的人体运动模型仿真，利用三维人体运动图象解析的运动学数据，以及六维力测力平台测出的动力学数据，采用神经网络的建模方法和基于专家知识的关节空间优化的方法。其建模的核心思想是利用神经网络完成动力学参数到关节空间的映射，从而对篮球运动员的关键动作进行运动仿真。

3．2 篮球技术三维仿真研究的价值

篮球技术三维仿真研究在现代篮球技术教学与训练中的作用巨大，它可以对技术动作做量化分析并以图形方式展示分析结果（包括篮球运动员的位移速度与节奏、动作的角速度、球的运功曲线等），在此基础上对“理想”动作与运动员技术动作做深层次分析，构建虚拟的运动员训练与比赛环境，弥补因为天气、场地、器材、经费等方面的原因或者运动员受伤等原因导致无法训练带来的负面影响。通过模拟结果与运动员真实训练视频进行对比，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，让教练员与运动员分析动作差异，帮助找出技术缺点并改进，提高训练效率，也可虚拟运动员事先尝试完成这一新动作，避免高难度和复杂的技术动作所带来的运动伤害，降低运动训练的风险系数。

3．3 篮球技术三维仿真研究的新趋势

篮球技术三维仿真研究需要计算机专家必须与篮球运动专家密切合作、携手攻关，保证成果在运动训练与比赛中转化为成绩的提高。从现有成果看，无论是蹦床、跳水、体操等表现难美性项目，还是篮球、曲棍球等同场对抗性项目，由于未考虑运动员的个体生理心理等因素而导致研究泛化，其实用性距离运动训练、比赛的实际要求较远，计算机专家的劳动痕迹太明显。这主要与我国体育界精通计算机信息技术的专家、学者太少及体育的特殊性使计算机专家无法获得高水平运动技术直观感觉的现状有关。体育界与计算机界的合作基本上延续的是“订货与加工”模式，因此确切地讲我国现阶段的运动技术虚拟仿真研究还处于初级阶段。为改变这一现状，清华大学体育部、浙江大学教育学院、上海体育学院等高校已经率先设立了类似于“视频切割与识别”、“现代计算机信息技术在体育中的运用”、“体育三维仿真”等专业的硕士点或博士点，开始为我国体育界培养既精通运动训练与比赛又精通计算机的硕士、博士等高层次人才［6］。

［1］ 陈 健．基于现代计算机信息技术的篮球战术教学软件的研制［J］．杭州师范学院大学学报（自然科学版），2006（5）：38－40．

［2］ 孙勇超．蹦床运动仿真中虚拟运动员动作编排方法的研究［R］．首届智能CAD与数字娱乐学术会议，2003．

［3］ 陈 健．虚拟现实技术在体育运动技术仿真中的应用［J］．体育科学，2006（9）：97－101．

［4］ 冯立正，陈 健．运动捕捉技术在体育中的应用［J］．杭州师范学院学报，2005（3）：21－23．

［5］ 陈 健．运动捕捉技术及其在运动技术诊断中的应用［J］．上海体育学院学报，2006（4）：46－49．

［6］ 陈 健．篮球技战术多媒体数据库的研制与开发［J］．上海体育学院学报，2007（4）：29－31．