三维动画在武术套路教学与训练中的应用

金若尘

摘 要 通过人体三维动画对武术的基本套路的展示，在立体、直观地展现武术基本套路的同时，有助于对套路技术动作进行再创新，辅助学习者练习有难度的动作。本文将依据部分高校武术多媒体教学的开展情况对三维动化在武术教学和训练中的作用进行分析，深入探讨如何应用三维动画来辅助武术套路的教学和训练。

关键词 三维动画 武术 教学 学校体育

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.07.040

Analysis of the Application of Three-dimensional Animation in

Wushu Routine Teaching and Training

JIN Ruochen

（Henan Police College， Zhengzhou， Henan 450046）

Abstract Through the human body 3D animation basic routines on martial arts show， in the three-dimensional and visual display of Wushu basic routines and is helpful for routine technology innovation， assisted learning difficult action. This paper will be based on the part of College Wushu multimedia teaching were carried out in the analysis of three-dimensional dynamic of Wushu teaching and training role， in-depth study of how to apply 3D animation to assist in Wushu teaching and training.

Keywords three-dimensional animation； Wushu； teaching； school sports

0 引言

传统的武术套路教学以及训练中多使用二维的视觉媒体来对学员进行技术指导，这种模式既有优势，也存在一定的局限性：缺乏从量化以及精确的微观层面分析运动技术。那么三维动画的特点则弥补了这些不足。三维动画首先最显著的特点就是其清晰直接的三维特性，直观多方位地展示了连贯的技术动作，可以模拟现实或是理想状态下的新动作或是较难的动作，以量化的方式展现了运动员在三维坐标系中的运动轨迹。将三维动画引入到武术教学中为开发教育动画资源开辟了新的路径，在武术教学和训练中具有一定的意义。

1 武术套路和三维动画教学的结合

在武术教学和训练中引入三维动画的首要问题就是三维动画能否准确真实地展现武术套路。这就要求三维动画技术在直观的视觉上和微观的量化上契合套路技术动作。

1.1 武术套路和三维动画在微观上的契合

三维动画使用的直接驱动模型由人体三维动画系统对表演者的动作乃至表情的捕捉构成。通过对人体形态参数的采集，并进行处理后得到在不同时间点上人体姿势的多个空间坐标集R{（X1，Y1，Z1），（X2，Y2，Z2）...（Xn，Yn，Zn）}。[1]

将采集到的空间坐标集进行一定的处理就可以还原表演者的肢体运动轨迹，并且计算机会计算出手臂或是腿部的运动方向和速度，相应关节的角速度以及角度。那么武术套路动作的完成质量也可以得到量化的评价。最终实现三维动画与武术套路在微观上的契合。

1.2 武术套路和三维动画在直观上的切合

常见的动画软件，如3D MAX等，可以将实时捕捉到的表演者的肢體动作和表情转换成数字化的“抽象运动”，生成与表演者一样的3D模型，得到最终的动画序列。这样得到的运动员的模型可以完全展现表演者的风格节奏和力度，实现武术套路个三维动画在直观上的切合。

2 三维动画和传统技术在武术教学中的对比

2.1 传统技术

传统的武术教学使用的视觉媒体（如2D动画教学）几乎都不能多角度量化的方式展示武术套路，并且在保存方式上也存在着硬伤：

无法交互是3D动画教学出现以前绝大多数的教学方法都存在的问题。首先是文字资料并不利于学习者对武术套路的理解，文字资料更适合经验丰富的人。另外，在2D教学动画中只有一个视角（部分武术教学视频会通过两个表演者以相反的方向表演来同时展现两个视角），使得初学者的学习增加了难度。

2.2 三维动画技术

三维动画技术的核心技术是运动捕捉技术。[2]所谓运动捕捉技术是指在单位时间内通过跟踪关键点的运动轨迹来记录目标对象的运动过程，最后转换成可以用数学表达式记录的单独的3D运动过程。具体的操作过程是：

首先让表演者在关键部位（如手肘、关节、腿、头部等）穿戴上跟踪装置，运动捕捉系统依据跟踪装置回传的数据记录表演者的位置信息。表演者进行动作展示，运动捕捉系统依据大量的实时回传数据做出处理，并进行计算（路径，角速度，夹角等），最后对部分数据进行修正导入3D模型形成最终的3D教学动画。[3]

3D动画不仅仅包含了运动捕技术，还有采集表演者面部表情变化的其他技术，主要的还有声学式、光学式、电磁式和设置机械式等技术。

图1 光学式运动捕捉场地示意图

图1中黑点表示高分辨率红外摄像机的位置。摄像机会捕捉到表演者在三维空间中的肢体动作和面部表情，形成图像素材，技术人员将这些图像素材和运动轨迹制作成模型，使模型在直观上表情以及动作神态上与表演者保持一致。

光学式运动捕捉是当前最适宜制作武术套路3D模型的技术。首先其具有实时性强、采样速率高、精确度高的特点，此外，没有电缆和机械装置的限制，表演者的活动空间大，捕捉衣材质地轻薄，与运动员平时的紧身衣质地相似，有利于表演者的自由发挥。

2.3 三维动画技术的应用

2.3.1 三维度的立体示范

武术套路的特点是变化多端，且动作较繁复，这常常给初学者的学习带来了困难，在学习武术套路时，要想全方位地了解动作的特性，就需要全方位多角度地观察动作，仅仅按照视频拍摄的角度（往往是正面），学习者难以全面地了解武术套路规范动作，而3D动画学习者则可以自由旋转武术套路动作展示的角度和位置，从而更好地学习和了解武术套路。

2.3.2 建立运动表象

建立技术概念显然是武术套路学习的关键步骤，那么仅仅靠技术人员的讲解和示范仍然是不够的，还需要学习者的本体感受来获得武术套路的内在精髓。3D动画比其他传统武术套路教学方式传递的信息更加丰富也更加全面，学习者也可以及时依据动画对自身的动作进行反馈，从而更好地建立动作表象。

2.3.3 建立武术套路的数据库

前面提到的运动捕捉数据不仅可以用在建立模型，大量的数据还可以通过整理和保存后建立一个武术套路数据库，并根据一定的武术特色和种类进行分类，并设计出检索方式，有利于初学者及时的针对弱项调出相关的3D教学动画进行学习。

3 三维动画在武术教学中的优势地位

3.1 建立动作表象过程缩短

建立动作表象是武术套路动作教学和训练中十分关键的一环，学习者正是通过表演者的视觉表象和听觉表象的结合来明确动作的技术结构和动作中的要领，从而建立出完整的武术套路的技术概念。常见建立动作表象的方法前文已经提到，主要有两种：一种是运动员自身感受来获得武术套路中的技术信息，另一种是教师对武术套路进行分解示范和讲解。

在3D动画教学示范中，可以比二维的视频和文字描述更快速和更加准确地向学习者传达武术套路中的技术信息，学习者也可以通过观看自身的套路动作的三维动画来及时反馈更正不足，从而达到缩短建立动作表象过程时间的目的。

3.2 直观与量化的结合

分析出学习者的不足之处，有针对性地进行训练可以快速有效提高教学效率。提高动作技术水平主要有两种方法：简单观察法和生物力学分析法。现在生物力学分析法应用到三维动画中就是通过运动捕捉技术获取表演者在三维空间中关键点的空间位置（X，Y，Z）进行记录和计算，将所得到的数据（运动轨迹，重点位置的角速度、力矩等）进行生物学分析，最后找到动作技术的不足之处，加以改善。

此外三维动画还可以对表演者的运动轨迹进行精准的量化。有利于教练员的指导工作，也有利于初学者对动作的理解。无论是踢腿的高度还是身体旋转的角速度都会有精确的数值，对不达标的数值进行分析，可以快速有效地找到动作不到位或者错误动作的原因。

此外三维动画还可以对表演者不规范的动作进行修改，最后得到标准的技术动作模型。这是三维动画的优势。

3.3 模拟武术套路教学和训练的环境

三维动画模拟出的虚拟教学和训练环境体现了学习者和虚拟环境之间的交互性。传统的武术注重“气”，这涉及到人体的穴位、气血以及经络等中医知识。传统录像难以还原这些信息，对于这些抽象的概念无法再现，使学习者难以理解这些问题，而虚拟现实技术可以非常清晰地再现或是模拟这些过程，把抽象的概念转化成直观的影像便于学习者的理解。

虚拟现實技术具有交互性、沉浸性和想象性，有助于参与者沉浸其中，自由交互。学习者可以感受比赛现场的气氛，身临其境，适应能力和应变能力得以加强。

3.4 三维立体示范

3D动画教学真正实现了多角度地展现表演者的技术动作全貌，并且有翔实的数据支持，学习者在观看的过程中可以随意调整观看套路动作的角度，并了解相关的技术动作标准，学习者可以精准地学习技术动作，达到了立体教学的效果。

3.5 辅助进行动作创新

在常规的武术套路自选项目中，评分标准大致如下：完成创新B级动作难度加0.2分；完成创新C级动作难度加0.3分；完成创新超C级动作难度加0.4分。可见创编新动作是比较重要的，但在实际操练过程中试做创新动作有较大的风险。影响了创新动作的效率和效果。

4 结束语

3D动画教学引入到武术套路为武术套路教学和训练带来了变革性的手段，为编排动作和全方位展示武术套路提供了新的方法，对于现实立体展示和探究武术套路的技巧和精髓，辅助武术套路的教学和训练是可行的，切实有效的。此外3D动画教学的直观性和交互性有效弥补了传统武术套路动作教学的不足，更深层次地引导学习者进行高效学习，另外3D动画教学具有环保性、经济性以及便利性的特点，符合当今社会发展趋势。

参考文献

[1] 张胜利，闫民，张玉彬.三维动画在武术套路教学与训练中的应用[J].体育学刊，2012.1：90-92.

[2] 张超，石爱桥.探析运动捕捉技术在武术套路中的应用[J].中华武术（研究），2014.6：57-62.

[3] 张胜利.武术数字教材的比较优势分析[J].中华武术（研究），2011.3：29-31.