动作捕捉技术在运动训练领域中的应用分析①

胡绪 李俊强 陈振 杨科 蒙超和

(陆军军医大学 重庆 400038)

动作捕捉技术（Motion capture）是一项利用外部设备来对物体的位移或活动轨迹进行处理和记录的技术。它最早起源于动画师Max Fleischer在1914年发明的“动态影像描摹”，随着数字化的发展进程及人类对视觉效果的提升，动捕技术于20世纪80、90年代开始被应用于电影特效制作中，特别是在电影《指环王》《阿凡达》中，动捕技术得到了成功展现，极大地提升了人们的视觉效果。之后，动捕技术开始用于三维动画、游戏、人体工程学、模拟训练及生物力学研究等诸多领域，展示出较强劲的研发前景和价值[1]。目前，动作捕捉技术在体育领域的应用已经十分广泛，它已经成为竞技比赛中不可或缺的重要组成部分。动作捕捉技术在高水平运动训练中主要应用于运动评估筛查技术、运动训练监测、技战术研发等方面，随着技术的升级，其应用效果更加科学、高效，应用领域更加广泛。

1 动作捕捉技术的概念及分类

韩丽、刘祺[1]认为，动作捕捉技术是一项通过在运动物体的关键部位放置跟踪器，基于计算机图形学原理，将采集到的信息以图像形式记录下来，得到三维空间坐标，以此形成运动轨迹的技术。

动作捕捉技术分类比较多样，从原理上追溯可分为机械式、声学式、电磁式和光学式[2]。每种捕捉技术结构系统的组成及优缺点都有较大的区别，性能、技术成熟度、适用范围等都有较大的区别见表1。

目前，较常用的主流动捕技术主要包括光学捕捉和惯性捕捉两大类。光学捕捉具有精度高、动作束缚小、采样速率高等特点，但相对的对外界环境要求较高，成本较高，适用于电影中面部表情等的拍摄；惯性捕捉虽然精度相对不高，但因具有灵活、抗干扰性强、使用方便、高性价比等特点，特别适用于对关节或动作的捕捉，对体育运动训练的针对性训练、成绩提高、技术水平改进、预防运动损伤等方面的跟踪评价具有显著作用。

2 动作捕捉技术在体育运动训练中的应用

虽然动作捕捉技术在许多领域都有应用，但实际上它的市场相对较小。因为必须有运行技术的支持，如惯性技术、人体运动学、人体生理学、通信和计算机等，动捕技术甚至无法直接被当作一个学科来对待，而是一个汇集了多门学科技术的综合体。目前，运动捕捉技术在运动训练中的研究还处于起步上升阶段，最近对运动捕捉技术在田径、隔网球类项目、游泳、搏击等相关运动训练系统中的发展进行了研究。考虑到动捕技术的多方面优点及使用价值，将有越来越多的关于肢体关节运动方面的项目使用新兴的动捕技术来实现仿真建模，更好地为各类运动和训练做铺垫。

各类体育运动是运动训练中最常见、最大众化的身体表现。对体育运动来说，每一个动作都是可以定格剖析的。比如，为什么有的跳高运动员可以跳很高，有的不管训练多么刻苦都无法达到标准，大多数人会说是因为有跳高的天赋，而借助动作捕捉技术，这些问题都可以迎刃而解。通过捕捉运动员的运动轨迹，采集数据量化后分析各个动作要点和发力点，将优秀运动员与训练成绩差的人相对比，同时结合人体运动生理学原理，找出运动的关键点问题，研究改进方法，帮助其训练，彻底摆脱纯粹依靠经验训练、教学的状态，进入数据化、科学化的训练时代。其具体主要表现在以下几个方面。

2.1 用于3D建模仿真

当今计算机3D建模与仿真技术飞速发展，为许多领域带来了福音。在体育运动教学训练中，为动作类如田径、游泳、篮球、器械等进行标准动作的建模仿真就显得具有积极性且至关重要。首先，运用高速摄像机拍摄运动人员的标准示范动作，通过系统平台采集运动数据，建立运动数据库，利用分割策略分离后运用动态时间规划算法计算运动轨迹，然后根据追踪的人体各个关节点形成人体骨骼系统，以此数据为基础，结合系统获得包含动作表现的三维信息模型，实现3D建模。同时，再依据动作演示功能，获取360°全方位观察角度，并同时记录相关数据信息，建立仿真系统，通过不同对象的比对，增强对每个动作的直观视觉效果，便于进行有针对性的运动训练和训练成绩的提高。目前，运用动作捕捉技术研究体育运动类项目的训练也主要集中在这方面，即通过演示者标准动作的建模，建立系统，与学习训练者通过动捕技术获取的数据图像等数据相比对，得出进一步改进提升的方法。

2.2 用于3D运动分析

运动分析在体育运动训练中占有重要地位，而动捕技术的出现可以较好地补充到人为主客观的识别判断中，为运动分析的准确性奠定基础。目前，通过构建实时运动分析系统比较大众化。这种系统主要是利用动作捕捉技术获得实时运动量化数据，导入计算机后形成3D模型视频。这样不仅可以观测到整个运动的连续流程，还可以对单个运动动作作出量化分析，根据生物力学相关的动作捕捉数据，实现肌电图和模拟信号分析采集的同步。同时，通过数据统计标准率、比对差异性，从而明确个体习惯性错误动作，为进一步进行针对性训练提供依据。此外，将运动数据数字化后可以长久保存，形成历史记录档案，方便以后不同年龄、不同体质人员运动训练的横向比较，形成大数据库模式，从而动态地掌握连续或某一单独动作的动作技术改进过程，提升训练效果与竞技水平。目前，已有国外国内厂家致力于研发此类运动分析系统并不断设计与优化，对运动者生理生化指标、运动监控及运动康复等具有巨大作用。

2.3 用于精确量化评判

随着科技、信息化和人工智能化的飞速发展，动作捕捉技术在现代竞技体育中的应用越来越广。特别是由于越来越多的体育运动项目都体现出了高对抗、多方向、刚速度、隐蔽性强的特点，使得人为的用眼睛判断常出现一定差别，对竞技体育精神造成一定困扰。现在，电子裁判的出现很好地解决了这个问题。电子裁判在竞技比赛中可以很好地辅助临场裁判员的判罚，做到精确化评判，使判罚更加准确、透明、公平、权威，同时也维护了竞技体育的精神。如在网球、羽毛球、排球、武术、击剑、跆拳道、搏击等人体接触类与非人体接触类的隔网、对抗项目中，在高速对抗中对有效部位的攻击，隔网项目比赛中的违例、是否压线、出界等情况就需要必须判罚精确，电子裁判可以很好地代替临场裁判员自动计算出成绩，具有客观公正性。目前，捕捉技术系统设备、“鹰眼”[3]技术也称为即时回放系统，在对运动人员不产生任何影响的情况下为此类项目做更加精确量化的评测，然后将收集到的运动数据数字化后导入事先建立的评判标准计分系统，从而实现数字化精确量化的综合评判。

2.4 在体育运动教学训练中的交互作用

在运动实训过程中，在不便于操作计算机的情况下，基于用体感交互设备捕捉系统以手势、身体姿势及语音进行人机交互控制，实现快速、高效的现场教学示范和直观感受[4]。更能进一步改进参训人员的动作姿势，建立正确技术动作姿态，强化训练效果提升，减少训练伤病发生，以提高运动水平能力，获得更好的训练成绩。对训练者身体核心区域的稳定性、关节功能稳定性、关节功能的延展性起到很好的帮助和改进作用。对运动中的跑、跳、旋转、翻越、爬行、翻滚等复杂技术动作更为直接、直观的展示效果，为建立人体的运动条件反射起到更好的积极作用，减少了口述讲解带来的空洞表现。

3 结语

新一代的运动捕捉技术以其精准、快捷的3D建模、运动分析监控、人机交换等特点在许多专业领域有着广阔的前景。这类体感运动是无标记的运动捕捉设备，因动作高效、直观的特点给人们带来全新的操控体验。掀起该领域技术的进一步开发热潮，也从原有的影视、游戏界迅速扩展到体育运动、医学、康复、教育、商业等领域。动捕技术在体育运动训练中的应用表明，运动捕捉对提高运动成绩、训练的高效率性和科学性均具有积极作用。因此，如何将运动捕捉技术向更高精度、更低成本、功能更强、更方便的方向发展，从而更好地为竞技体育服务是一个有待解决的重大问题。

总之，动作捕捉是一个综合性很强的技术，目前碍于科研水平、外界环境、成本、定位精度、实时性等客观条件的制约，其在全球的发展还处于初级阶段，在我国的发展也有待进一步提高。但动作捕捉从未限定在某个固定的领域，它的未来必定还有更多可拓展的发展方向。