3D运动技术分析研究现状与述评①

周宁 张翔 白银川

(1.忻州师范学院 山西忻州 034000; 2.北京体育大学 北京 100084)

众所周知科技是第一生产力,举办现代奥运会离不开科技的强大支撑,在运动员实力较量的背后,是国家科学技术发展程度的综合力量的比拼,比赛的成绩,各项记录的诞生,不仅仅是人类挑战生理极限的单一体现,同时也彰显着科技在体育运动中巨大的作用。

运动捕捉技术广泛应用于田径、高尔夫、曲棍球、蹦床、跳水等项目,帮助教练员能够通过观看运动员在训练和比赛时的运动图像,发现运动员技术动作上存在的微小错误,及时纠正运动员错误的技术动作,进一步提高运动员的训练效果和比赛时的运动成绩,在竞争激烈又残酷的竞技体育中一个微小动作的改变可能会使运动员的成绩有大幅的提升,三维运动技术的广泛应用使体育运动训练开始向科学化和数字化时代跨进。

1 研究方法

1.1 文献资料法

通过详细了解三维运动捕捉的历史和发展概况,并对相关的期刊文章进行整理和分析,最终形成了本论文研究的理论基础。

1.2 逻辑分析法

图1 高尔夫辅助训练系统示意图

图2 曲棍球运动员利用捕捉系统进行技术动作的分析

通过对所搜集到的资料进行整理,分析其中蕴含的知识和信息,并进行总结和概括,科学的把握有关三维运动捕捉技术的现状。

2 三维运动捕捉技术的概述

2.1 三维运动捕捉的概念界定与进程概述

2.1.1 运动捕捉的概念界定

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]。

2.1.2 进程概述

关于运动捕捉技术的研究与运用起源于20世纪70年代,当时的美国好莱坞电影设计公司与制片人试图通过多种手段来研究出高技术含量的器械来迅速捕捉动态演员的高清画面效果,然而这一伟大的前言构想在实践进展中并不十分顺利。就当研究人员一筹莫展之时,计算机技术在全球的迅速推广与运用激发了相关研究人员的灵感,进而将先进的计算机技术与电影动画设计衔接起来使用,为运动捕捉技术的发展打开了新世纪的“大门”。随着运动捕捉技术研究的逐步深入,到了20世纪80年代,诸如美国的Biomechanics实验室、SimonFraser大学、麻省理工大学等高等学府相继投身于人体运动画面捕捉的研究之中,进而大量的技术产品被研发出来。伴随经济全球化步伐的影响,运动捕捉技术由以往单纯的技术研发走向市场化,并且收到了广大国家、企业乃至个人的热衷与青睐[5]。

2.2 三维运动捕捉技术的释义

三维运动捕捉技术(motioncapture)是借助光电传感器等“辅助臂手”以立体的形式(即前后、左右、上下)真实捕捉和记录人体高速运动的过程与轨迹,然后运用计算机将光电传感器所存储的有效数据进行分析、整理、定位以及测绘,将接近真实运动的立体画面呈现出来。从技术的层面来看,三维运动捕捉技术的实质就是要测量、跟踪、记录物体在立体空间中的运动轨迹。普遍意义的三维运动捕捉技术设备由传光电感器、信号传输设备、数据分析设备等3个部分构成。

2.3 三维运动捕捉技术分类与评价

2.3.1 机械式运动捕捉

机械式运动捕捉是最原始的运动捕捉技术,其工作的原理是通过多关节的器械组合来实现多角度、多方向的旋转移动,进而实现对人体运动轨迹和路线的跟踪记录。传统的机械式运动捕捉设备是由多个不同关节的金属或塑料器材构成的,可以根据现实的需要和拍摄的需求来适时调节[3]。机械式运动捕捉技术的优点是显而易见的,那就是成本较低,实用性较强,能够实现随时随地的跟踪测绘,然而,其自身所占空间的弊端也是不容忽视的,特别是在要求狭小的空间内来实施操作拥有不小的难度。

2.3.2 声学式运动捕捉

声学式是继机械式捕捉技术的“后起之秀”,但其工作的原理却是相同的。声学式运动捕捉装置类似于计算机的显示器、处理器以及传感器等,其主要又接收器、发射器以及分析器组成。虽然声学式运动捕捉技术较机械式捕捉技术有了很大的提高,但其自身存在的反应性较差、延迟性较长、适用性较小等诸多方面的弊端无法克服[3]。

2.3.3 电磁式运动捕捉

顾名思义,电磁式运动捕捉技术是借助磁场的空间定位来有效捕捉生物体运动的轨迹和状态,该技术的创新发展有效弥补了机械式运动捕捉技术操作困难、僵化死板以及声学式运动捕捉技术反应性差、延迟性长的弊端。电磁式运动捕捉设备一般有发射器、感应器、处理中枢等3部分构成。它是目前比较先进、也较常使用的捕捉设备。电磁式运动捕捉技术较以往技术的一大改观在于他的定位是6维方面,类似与里面体的形状物体,其表现出的优势是细化了不说的空间,是图片的成像伴随运动路线的视角适时进行捕捉,从而使人体的动作轨迹更加具体化、空间化、形象化、生动化。如果非要找出该设备的不足,那就是其对于周围环境的要求比较高,特别是排斥任何金属性物体的存在,否则将会影响结果的精准度。

2.3.4 光学式运动捕捉

光学式运动捕捉技术是近年来新起的一项动画捕捉技术,其特点是在对画面进行标注点定位的基础上,通过多不同光电的连线监控完成对人体运动轨迹的图像捕捉。该捕捉技术的优势在与其精准度较高,适用范围较广,避免了以往需要在人体身上安装器械的烦恼,从而是人体的动作姿势更加舒展自然。但它的最大缺点就在于成本相对较高,事后处理工作量大,对环境要求较高,同时在捕捉过程中还会出现遮挡,导致错误的结果[3]。

3 三维运动捕捉技术与现代体育训练中的衔接

3.1 运动技术结构特征的成像

三维运动捕捉技术的最基本功能在于对人体运动空间特征的数据采集,再次基础上,运用计算机辅助系统的分析处理,从而得出形象、生动的人体空间图像,为运动训练提供量化、科学的指标。与此同时,三维运动捕捉技术使以往抽象的运动生理学、运动生物学等体育课程变得简单化、具体化、数字化,研究手段进一步多样化、数字化、科学化。

3.2 生理生化指标的捕获

三维运动捕捉技术不仅能够对人体运动技术的结构特征进行成像,其也可配合生理生化指标的测量与检验,例如运用三维运动捕捉技术能够辅助测量肌电图、心率指标、脉搏指标等多维指标,进一步验证医学测量器械的测的结果,从而巩固数据的信度值水平。利用软件工具,还可以对这种信息进行处理,用于统计,也可帮助教练下达指令。

3.3 为技术动作创新提供新途径

在运动训练各类项目中,有很多项目中技术动作的创新起着至关重要的作用,技术动作的创新和发展在许多竞技体育项目中如体操、跳水、乒乓球等技能主导类项目中都非常重要。运动捕捉技术的创新发展,为技术动作的创新发展,特别是在竞技体育领域发挥着不可替代的作用。其工作的主要原理是对已回收和采集的数据进行分析整体,从而全面、清晰的掌握该运动员的整体动过流程,找出其存在的不弱环节与不足之处,从而针对出现的问题进行动作的纠正,是运动员的动作姿势更加舒展、优美,为运动员竞技能力的提高打下扎实的基础。与此同时,在运动训练中借助三维捕捉技术的教学,使教练员为旧动作的总结、新动作的创编提供可靠的数据支撑,从而使运动员获得直观、正确、形象的动作教学。

3.4 技术诊断与分析

三维运动捕捉技术与现代体育运动训练的完美结合,彻底改变了以往教练员凭借主观的经验思维和片面的感官体会的盲目教学,从而提高教练员的专业知识水平,进而有效促进运动员竞技水平的提升。同时,辅助三维运动捕捉技术的应用,对于运动员损伤的提前判断和后期治疗效果的检验发挥着不可替代的作用,使运动员尽快的摆脱伤病的困扰,减缓竞技水平提高的间断性。

3.5 通过图像反馈技术对技术动作进行量化分析

计算机辅助下的三维运动捕捉技术对于运动员整体动作图像的整合功能是其他技术手段无法实现的,特别是其提供的量化指标破解了以往模糊的凭空想象。例如在高尔夫球辅助训练系统(GTRS-1)是一台专门针对高尔夫球训练的图像捕捉以期,其对于初学高尔夫者以及专业运动员的动作纠正发挥这积极的作用(见图1)。该设备的工作路径是通过一台高清相机进行图像捕捉,然而将采集的数据通过传感器发送至计算机处理系统,从而运动员在动作过程中的加速度、角速度、角度等多维数据指标。

图2所示通过运动捕捉系统利用高分辨率的静态图像和HD视频流,从而能够为教练员以及科研人员展示平常很难用肉眼和经验看见的曲棍球运动动作。使得他们能够更清晰看到动作的图像,传统的用肉眼和经验观察只能看到一个角度的动作状况。如果用更多摄像机追踪某个球员,那么就可以多视角的展示运动员的技术动作,从而使教练员发现微小的错误,及时对运动员进行纠正,进一步提高训练的效果[2]。

3.6 虚拟现实训练

虚拟现实技术是借助计算机软硬件资源的创建和体验虚拟世界集成技术可以实现对真实世界进行动态模拟,它被广泛应用与各种体育项目中,尤其是在跳水和蹦床项目上取得了巨大的成就。运动技术三维仿真是通过计算机虚拟现实技术再现优秀运动员的技术动作等细微环节、教练员的训练意图、管理者的组织方案和运动员的训练过程,从而达到对体育系统的解释、分析、预测、组织、评价的一种实验技术科学。

3.7 辅助裁判决断

纵观当今世界的竞技体育比赛,其所倡导和宣扬的“更高、更快、更强”体现的淋漓尽致,让所在场观众赏心悦目、叹为观止。然而,在比赛的过程也时有不和谐的因素发出,其中裁判员的误判、错判、漏判严重影响了竞技体育比赛的客观性、正确性、流畅性,同时也对运动员的心理水平有着间接的消极影响。因此,以往单靠裁判员用肉眼评判的手段变得不再合理,而三维运动捕捉技术的介入有效缓解了这一悲观局面。例如,在各级各类的网球公开赛中,经常运用三维运动捕捉技术来评判网球是否出界(即所谓的“鹰眼”)。其具体的操作手段是,在球场的四周覆盖一条窄窄的带电铜传感器带,然后在上面覆盖一层导电聚合物。这些传感器嵌入球场的三个区域:边界内5cm处、边界上面和边界外35cm处。使用的网球中也有导电物质。这样,只要网球击中球场,传感器就会把数据传输给电脑,电脑会计算出网球的确切位置。这些数据会传给裁判,同时也会传输到电视屏幕上[3]。

4 三维运动捕捉技术在体育领域的应用前景

4.1 运动捕捉技术在体育中广泛应用的可能性

运动捕捉技术的产生与发展都受到科学技术水平的局限,现有运动捕捉技术还不成熟,受到定位精度、实时性、使用方便程度、可捕捉运动范围大小、受环境影响程度、成本、多目标捕捉能力等多种因素的制约,这些制约因素使得运动捕捉技术在体育领域的应用还有很大的局限性[3]。但可以预见的是,随着科学技术的不断进步,运动捕捉技术在体育领域的应用无论是广度还是深度上都将得到进一步发展。

4.2 新的运动捕捉技术产生将推动体育学科的发展

运动捕捉技术将向着高精度、低成本、方便使用、功能强大的方向不断发展,随着新的更加简便使用的运动捕捉技术的产生,运动捕捉将在体育科研、运动训练、运动康复、体育器材研发等领域发挥更为重大的作用,从而全面推动和促进体育学的科学化发展[6]。

5 结语

随着科学技术的进步,运动捕捉技术在体育训练中对捕捉运动数据、生理生化指标、运动监控、技术诊断与分析、辅助裁判裁决、运动康复和虚拟现实训练发挥着巨大的作用,通过实时地运动捕捉技术对训练中出现的问题进行技术诊断和分析,并以视频和图像以及量化的数据等方式反馈给教练,为教练员提供科学的准确地定量依据和量化的训练指标,从而提高训练的效率性和科学性。同时三维运动捕捉技术在体育中的应用研究表明,运动捕捉技术对提高运动成绩、训练的效率和科学性确实有积极的作用。

[1]张俊峰.运动捕捉技术在运动训练中的应用[J].吉林体育学院学报,2005(4):69-72.

[2]陈健,姚颂平.虚拟现实技术在体育运动仿真中的应用[J].体育科学,2006(6):34-39.

[3]冯利正,陈健.运动捕捉技术在体育运动中的应用[J].杭州师范学院学报:医学版,2005(5):24-27.

[4]陈健,姚颂平.运动捕捉技术及其在运动技战术诊断中的应用[J].上海体育学院学报,2006(4):70-73.

[5]董能,赵志明.运动捕捉技术在体育领域应用及其前景分析[J].山西体育科技,2006(1):95-96.

[6]冯利正,蒋贤俊.运动捕捉技术在体育运动中的应用综述[J].杭州师范学院学报,2005(3):33-36.

[7]陈加,吴晓军.联合LBS和Snake的3D人体外形和运动跟踪方法[J].计算机辅助设计与图形学学报,2012(3).