运动捕捉技术在体育运动中的应用

张天良,王晓华（.咸阳师范学院体育系，陕西咸阳，7000，.新疆铁道职业技术学院，新疆乌鲁木齐，8300）

运动捕捉技术在体育运动中的应用

张天良1,王晓华2
（1.咸阳师范学院体育系，陕西咸阳，712000，2.新疆铁道职业技术学院，新疆乌鲁木齐，830011）

运动捕捉技术在体育运动中通常运用在运动数据捕捉、生理、生化指标管控、运动技术诊断和分析、运动监控、辅助裁决、运动康复辅助以及虚拟训练等方面。基于运动捕捉技术在体育运动中的广泛应用，本文对运动捕捉技术的系统组成进行了分析，并分类分析了运动捕捉系统的特性，同时对运动捕捉技术在体育中的应用进行了深入探讨。

运动捕捉；运动监控；体育运动

1 概述

运动捕捉技术有机械式、电磁式、光学式、声学式几种类型，运动捕捉技术是在运动捕捉系统的辅助下对运动员的运动技术动作、运动战术配合实时捕捉的高新技术，运动捕捉技术还可实现对运动物体三维运动轨迹的实时捕捉并迅速进行数字解析。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, 其在计算机图形学的基础上，通过合理布置在空间中的多个视频跟踪器，以图像形式记录运动物体的三维运动状况，经由计算机进行处理后，得出不同物体在不同时间计量单位上的空间坐标值，帮助体育教练人员对运动员的运动技术和运动战术做出准确评价，同时，运动裁判人员也可通过运动捕捉设备实时监控运动竞赛过程，做出准确的决策判断。

2 运动捕捉系统工作原理

一般运动捕捉系统分为传感器、信号捕捉、数据传输、数据处理几个部分。其中，传感器作为跟踪装置被排布在运动物体特定部位之上，负责将物体运动的准确位置信息传递给系统；信号捕捉设备在机械式、光学式、声学式动作捕捉系统中硬件模块不同，机械式运动捕捉系统中的信号捕捉设备为一块线路板，而光学式运动捕捉设备中的信号捕捉设备是一台红外摄像机，信号捕捉的功能是采集和识别传感器传递的运动轨迹；数据传输设备负责以数字信号对信号捕捉设备传递的模拟信号进行转化，并准确向上级计算机系统传输；运动捕捉系统的数据处理设备分为两部分，即计算机硬件设备、数据处理软件。数据处理设备负责修正各单位传输来的相关数据，并根据数据建立三维模型、制作运动动画。

3 运动捕捉分类

当前我国运动捕捉技术有机械式、电磁式、光学式、声学式几种类型。

3.1 机械式运动捕捉系统

机械式运动捕捉是应用机械装置对物体运动轨迹进行测量与跟踪的技术，其主要组成部分是关节与刚性连杆，通过装有角度传感器的关节对关节转动的角度情况进行测量，系统依据关节角度变化数据与模型机械尺寸计算得出模型姿态，动画软件接收到以上姿态数据后令角色模型做出相同姿态，动作捕捉完成。机械式运动捕捉的精密度较高，其成本相对较低，能实现对物体运动的实时测量，然而机械式运动捕捉设备应用于运动员的可行性不高，其机械性结构过于复杂，加大的阻碍了运动员运动动作，限制了运动员运动自由度。

3.2 声学式运动捕捉系统

声学式运动捕捉装置包括发送器和接收器以及处理系统三个部分，其中发送器为固定的超声波发生器，而其接收器为固定在运动物体上的三个超声探头。系统通过对发生器发生声波到接收器之间的时间差和相位差可确定接收器的正确位置、方向。声学式运动捕捉的精确度与其他类型的运动捕捉系统比较差距较大，声波在不同气压和湿度以及温度环境中的传播速度会发生变化，且容易受介质、噪音的影响，在体育运动中应用较少。

3.3 电磁式运动捕捉系统

电磁运动捕捉系统包括发射源和接收器以及数据处理三个部分，其中发射源负责发生有时空规律的电磁场，安置在运动员关键部位的大量接收传感器随运动员一起运动在电磁场中，并与数据处理器连接得出运动信息，如图1所示。电磁式运动捕捉系统技术发展成熟，位置排布也较为简捷，成本方面也相对低廉，且捕捉速度较快，能实现运动的实时监控与同步传输，但电磁式运动捕捉系统与金属物相近会产严重的电磁场畸变，精确度也随之大幅度降低，因此对运动环境要求很高。

图1 电磁式运动捕捉系统

3.4 光学式运动捕捉系统

光学式运动捕捉系统实现运动捕捉是对目标上特定的光点进行监视、跟踪。理论上若两部相机同时拍摄到空间中的某一点，根据两部相机的相机参数与同一时刻拍摄到该点的图像即可对该点的空间位置进行确定。当相机以高速率连续拍摄该点时，可从所得图像序列中得到该点的准确运动轨迹。光学式运动捕捉能较好的实现运动员实时运动与高速运动的捕捉，且对运动员的活动范围限制较小，然而光学式运动捕捉的后期处理工作量过大，且对场地的光线、反射条件要求较高，在运动员进行复杂运动时可能出现捕捉混淆误差。

4 运动捕捉系统在体育运动中的作用

4.1 运动数据捕捉作用

运动捕捉系统中的传感器在对物体运动进行感知的同时还能精确测量和捕捉到运动位置、运动速度、运动员反应时间、力矩、运动距离、运动加速度、运动力、运动员爆发力等复杂信息，并且能实时捕捉人类运动训练的真实数据。该类传感器经不断改良其外观并不显眼，适于运动员佩戴。

4.2 生理生化指标捕捉作用

运动捕捉系统能较准确的捕捉到运动员生理生化指标、运动心理指标，通过对肌电图和脉搏以及心率等指标的监测计算出运动员训练、比赛等数字数据。例如，在竞走或自行车、滑冰和划船等运动项目中在运动员胸部排布好心率监测器，通过腕部或其他部位佩戴的小型显示器即可实现对运动员生理生化指标的捕捉。

4.3 运动监控作用

运动捕捉系统可以刻实现对运动员训练特征以及竞赛状况的准确监控，通过监控运动员训练特征数据可以找出运动员运动效率差异，对运动员的不良习惯进行精确修正，并有针对性的设计差异化训练动作提高运动员训练水平与竞技成绩。

4.4 裁判决断辅助作用

体育竞技比赛中参赛运动人员较多，运动员处于高速运动中，且时有高难度复杂动作出现，人眼观察复杂事物的速度以及人脑反应信息的速度有限，竞技场上裁判出现误判的现象屡见不鲜，运动捕捉系统可对运动员的一系列动作以及位置、方向进行准确定位，不仅可将捕捉动作传达给裁判帮助裁判判决，同时可传输运动捕捉信息到运动指挥中心和大屏幕。

4.5 运动康复与虚拟现实训练

运动捕捉技术可通过分析伤病运动员的运动数据，有针对性的指导运动员进行特定部位康复训练，大大提高康复训练的效率并有效缩短了运动员康复时间。同时，运动捕捉系统可以对三维空间进行捕捉并计算出三维坐标，在此基础上可建立动态数据模型，运用三维虚拟仿真实技术对运动员进行强化训练，以达到运动成绩和竞技水平大幅度提高的目标。

5 结语

运动捕捉技术已经渗透到我国动画动漫和体育教学、影视以及游戏等多种领域，其在体育运动中的运用最为广泛深入，运动捕捉系统可对体育运动员的生理生化进行实时监测，并准确捕捉运动员的训练过程，帮助运动员提升训练水平，对运动员运动过量的复原以及伤病运动员的辅件也大有裨益，近年来，体育教学中还基于运动捕捉等技术发展起虚拟现实体育教学训练方法，对我国体育成才的培养意义重大。

[1]向泽锐,支锦亦,徐伯初,李娟. 运动捕捉技术及其应用研究综述[J]. 计算机应用研究,2013,08:2241-2245.

[2]付全,赵慧勤,吴壮志. 运动捕捉技术在体育运动仿真中的应用[J]. 山西大同大学学报(自然科学版),2013,05:81-84.

Motion capture technique application in sports

Zhang Tianliang1,Wang Xiaohua2
（1.Xianyang Normal University,Shanxi Xianyang,712000;2.Xinjiang railway vocational and technical colle ge,Xinjiang Urumqi,830011）

In sports, motion capture technology is usually used in sports data capture, physiological and biochemical index control and technical diagnosis and analysis, motion monitoring and auxiliary decision, sports rehabilitation assistance and virtual training and so on. Based on motion capture technology is widely used in sports, in this paper the system composition of motion capture technology is analyzed, and the classified analysis of the characteristics of the motion capture system, as well as the motion capture technology application in sports has carried on the deep discussion.

motion capture; Movement monitoring; sports

G807.4

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