动作捕捉技术下武术训练系统浅探

牛 凯 陈 皓

武汉职业技术学院，湖北 武汉 430074

现代信息技术的快速发展，对人们的生活产生了深远的影响，也在不断改变人们学习知识和身体锻炼的方式。当前，随着计算机技术的普及和数字教育应用的推广，动作捕捉技术不断被应用于运动训练，促进体育训练向数字化、科学化发展。武术作为我国优秀传统体育文化的代表，也应将动作捕捉技术与传统武术训练相结合进行研究，让武术通过信息技术手段焕发生机。

1 动作捕捉技术与武术之间的关系

随着信息技术的快速发展，全球范围内掀起一场影响人类社会发展深刻变革。武术作为我国传统体育文化项目的代表，也应紧跟信息技术时代潮流更好的满足人们现代化需求。武术教学属于操作性技能教学，具有较强的实践性和直观性，需要言传身教和准确的示范与讲解。因为武术教学内容和方式的特殊性，慕课、多媒体等通过视频、语音和图片进行教学的现代信息技术，可以作为武术教学的辅助方式，但不能作为武术教学的主要方式。动作捕捉（Motion capture），简称Mocap，是在运动物体的关键部位设置跟踪器，并进行测量、跟踪、记录物体在三维空间中的运动轨迹。因此，可以将操作性技能的动作轨迹进行三维数字化处理，然后以动画和虚拟现实等方式呈现出来。目前，发达国家动作捕捉技术已经开始卓有成效地应用于各类体育项目训练，我们应该紧跟信息技术时代步伐，加快将动作捕捉技术应用于武术训练的分析和研究，进一步提高我国武术训练水平，让武术通过信息技术手段焕发出新的生机。

2 基于动作捕捉技术下武术训练系统研究的意义

2.1 促进优秀文化遗产的保护和传承

武术作为中华民族优秀传统文化，在形成和发展中形成了多种流派。早在二十世纪八十年代原国家体委通过对武术挖掘整理工作中共认定了129个拳种。武术无论是在道德层面还是在技术理论层面，都充溢着传统文化的精神内涵，是中华民族珍贵的文化遗产。习近平总书记也明确指出，“培育和弘扬社会主义核心价值观必须立足中华优秀传统文化，博大精深的中华优秀传统文化是我们在世界文化激荡中站稳脚跟的根基。”目前，由于众多因素的影响，随着一些武术流派传承人的离世，武术流派断层，拳种的失传等问题日益突出，这也对我国武术非物质文化遗产的保护和传承形成了巨大的挑战。通过基于动作捕捉技术下武术训练系统可以对不同流派，拳种进行动作数据捕捉与处理，然后通过数据与动画角色绑定，制作出武术训练系统软件，这样就能够长期、精确、有效和立体化的保存民族文化的内容。基于动作捕捉技术的武术训练系统的研究成果和经验也可以很好地为我国民族舞蹈、杂技等民族文化项目借鉴，更好的促进我国优秀文化遗产的保护和传承。

2.2 促进武术更好的传播与推广

随着信息技术的快速发展，微课、慕课等线上教育已经被广泛地应用于实践教学和训练中。传统的师徒制和现代的班级授课制是武术传播的主要方式，老师能同时进行一个甚至数十个学生的教学，但信息增值率依旧不高。由于武术训练内容和方式的特殊性，需要言传身教，必须要通过准确的示范与讲解。慕课、多媒体等只是通过语言和视频传播的教学方式，可以作为武术教学的辅助方式，但不能作为就武术教学的主要方式。通过运用基于动作捕捉技术下武术训练系统，能够比较直观地，多个示范面地展示，并且可以不受时间、地点的限制，将信息增值率扩大成千上万倍。学生可以通过下载应用程序，安装后根据自身的需求，轻松自如的在手机等设备上通过触屏的方式，拖拽来转换视角、调整视觉距离，即使被挡住的动作也可以通过改变视角来观察到，具有针对性的反复学习和训练动作，并迅速地掌握动作要点。基于动作捕捉下武术训练系统可以通过手机应用商场，在线课程等网络形式快速下载传播，更好地促进武术的传播与推广。

3 基于动作捕捉技术下武术训练系统的研发和应用

图1 人体骨骼模型及惯性动捕仪的17个采集点

基于动作捕捉技术武术训练系统研发和应用需要武术动作数据捕捉，数据检查和修正，人体建模，人体模型绑定动作数据，软件制作和实践应用共六个步骤。

3.1 训练系统的研发

3.1.1 武术动作的数字化

使用动作捕捉技术可以实现武术动作的精确记录，完成武术动作的数字化。目前的动作捕捉系统主要分为机械式动态捕捉系统、声学式动态捕捉系统、电磁式动态捕捉系统、惯性动态捕捉系统和光学式动态捕捉系统5 种。由于惯性动捕仪具有不受环境干扰影响，不怕遮挡，捕捉精确度高，采样速度高，达到每秒100次或更高，并且采用高集成芯片、模块，体积小、尺寸小，重量轻，性价比高等优点，因此，本研究主要采用惯性动作捕捉仪对武术教练整套武术动作进行完整的动作数据采集和处理。

3.1.1.1 武术动作数据捕捉

惯性动捕仪通过在人体的17个关键部位绑戴惯性传感器，然后通过每秒100帧的速率对关键部位的运动进行实时测量。17关键点包括：头、胸、背、上臂、前臂、手掌、髋、大腿、小腿、脚掌。捕捉得到的三维数据包括每个关键点的偏移距离和YXZ三维旋转角度。但在计算机中人体骨骼模型不只17块，通过反向运动学原理，依据惯性动捕仪提供的17个关键点产生的三维数据，推算出其余的多节脊椎、颈等部位的三维信息。

3.1.1.2 武术动作数据的后期处理

在采集武术动作数据后，还需要对数据进行检查和修正，以保证三维动作的流畅性和稳定性。因为人体所佩戴的传感器可能发生混淆和遮挡，所以在动作捕捉仪采集过程中会产生误差；惯性动捕仪是通过对人体17个关键部位数据的采集，运用反向运动学原理推算骨骼其他部位的三维数据所以也会产生误差。我们采集的双足数据时发现过于贴近，从而引起双足模型的重合，所以我们要通过MotionBuild软件逐帧进行骨骼三维数据的修正，以增大双足的间隙，修正足部位置。

图2 在MotionBuild软件中校正武术动作瑕疵

3.1.2 武术动作的动画生成

通过动作捕捉可以得到一个包含人体骨骼结构信息、时间信息、每块人体骨骼的三维信息。通过这些信息可以和计算机中的虚拟人体进行绑定，还原整套武术动作，制作出武术动画。

3.1.2.1 人体建模

武术动作数据要与人体角色进行绑定才能展现，我们可以根据不同需求建立不同的人物模型。目前常见的以人体建模分为几何手动建模和照片自动建模两种方式。本研究主要使用3DMAX软件可以进行虚拟人体的手动建模，通过规则的几何体开始，逐渐修正几何面，使得模型逐渐逼近人体模型。我们在强调身体结构建模的同时也更加强调人体面部的识别和处理，因为我们在强调动作数据的重要性的同时，也希望把动作数据的展现者的原貌更好的保存和展现，特别是对非物质文化传承人的保护，所以我们认为人体的脸部模型建模也是极其重要一个环节。在人脸建模时，我们使用FaceGenModeller软件，通过人物的正面和左右侧面三张照片就可以进行自动建模，然后输出到3DMAX软件，进行模型组装、贴图合并即可得到最终的人体模型。

3.1.2.2 人体模型绑定动作数据

在3DMAX软件中对虚拟人体建模完成后，需要在Unity软件中将虚拟人体和武术动作进行绑定。绑定需要三个步骤：设定动画为人型动画（Humanoid）如，虚拟人体的骨骼配置与武术动作骨骼一致，虚拟人体绑定动画。在Unity软件中可以制作动物动画、人型动画等多种动画，武术动作应使用人型动画。不同的虚拟人体骨骼结构可以各不相同，在Unity软件中可以灵活的配置骨骼，以使虚拟人体与武术动作捕捉数据中的骨骼一致。最后，在虚拟人体的动画控制器（Controller）中绑定武术动画。

3.1.3 武术训练软件制作

人体角色与武术动作数据绑定后，通过Unity编程将动画场景、音乐解说、播放暂停设置、GoogleVR双目观看等功能进行添加设置，最后通过Unity的多平台生成功能制作安卓APP软件操作系统。动画场景是在计算机虚拟空间中构建一个虚拟教室，给武术教学一个展示空间；音乐解说是在武术动作教学时进行武术动作讲解；播放暂停是让学生在学习过程中可以暂停或恢复学习，来自由掌握学习进度。我们可以通过运用谷歌公司提供的CardBoard虚拟现实插件实现简易的虚拟现实功能，让学员用双目易身临其境地观看虚拟教室中的武术动作教学，并可以跟随指导一起训练。

3.2 实践应用

课题组早在2019年5月就已制作完成基于动作捕捉技术下的太极拳训练系统，并开始着手该系统进入实践应用测试。特别在2020年冠状病毒疫情期间，为避免病毒在人与人之间的传播，武术课程采用线上授课，所以将已经完成的基于动作捕捉技术下的太极拳训练系统用于教学实践，首先老师通过在线教学平台小范围给学生，学生通过下载安装软件就可以进行训练和学习。基于动作捕捉技术设计的太极拳训练系统是一个可以在屏幕上拖拽来转换视角、调整视觉距离，即使被挡住的动作也可以通过改变视角来观察到，让学生任意视角进行学习模仿，并迅速地掌握全部动作要点。课前，师生可以预习太极拳新课内容，对重难点先有所了解；课中，在教师集体讲解和示范后，教师根据学生需求和技能发展情况进行程序化教学，学生可以选择不同的技术内容进行学习和练习，让教学具有开放性和针对性，并且让因材施教和学生接受个性化教学成为了现实，武术教师能够真正在集体化教学环境中实现个性化教学；课后，学生可以对所学内容进行复习和巩固，及时解决课堂教学中遗留的疑难问题。这样就能有效地拓展教学空间和时间，提供师生因材施教的个性化的教学。基于动作捕捉技术下武术训练系统在实践应用中虽然取得的良好效果，面对存在的一些问题，今后需要不断改进和提升。

4 结语

基于动作捕捉技术下武术训练系统的研发和应用过程，课题组成员经过了反复的研讨与论证，最终考虑到因程序设计、硬件支持等因素，采用目前性价比最高的惯性动捕仪对武术动作进行数据采集和分析；为了让武术训练系统落地，更好的为人们服务，所以应用Unity平台生成智能手机可以使用的软件，采取这种APP的应用方式，可以更好的传播与推广。随着HoloLens、无线Oculus等设备的发展，通过混合现实技术与武术训练能够相结合，人们能够切实感受到在虚拟世界进行身临其境的学习；随着成本的下降，设备的普及，家庭就可以配置动作捕捉仪来对自身动作进行采集，并且可以汇聚形成一个庞大的武术动作数据库。专家学者可以通过对大数据库进行分析，了解人们的身心状态、学习难点、易错点等，更好地满足人们需求，提供个性化的服务。武术训练应紧跟时代步伐，加大武术训练研发的人力、物力和财力的信息技术培训投入，以信息化带动武术产业的快速发展，实现我国体育产业的现代化发展。