基于運動捕捉的武術套路難度動作“數字裁判”的可行性研究

摘要：采用文獻資料、邏輯分析、數理統計等方法分析現有武術套路競賽規則中難度動作評判方式的不足，提出在武術套路比賽中運用難度動作“數字裁判”并對其可行性進行分析。結果顯示：基于光學運動捕捉的人體運動分析系統，可以對運動員的難度動作進行實時捕捉并解析，將直觀的難度動作轉變成抽象的可以量化的數據，實現對難度動作的“數字化”裁判。

關鍵詞：武術套路；難度動作；運動捕捉；數字裁判

中圖分類號：G811.33 文章編號：1009－783X(2011)01－0079－04 文獻標志碼：A

難度動作的完成與否是決定武術套路運動員比賽勝負的關鍵因素，如何更客觀地對難度動作進行評判一直是武術套路比賽最重要的問題之一。本研究針對這一問題，提出在武術套路比賽中應用難度動作“數字裁判”，并對其可行性進行分析，提出具體操作方案，變直觀的模糊評判為客觀的精確量化評判，實現難度動作評判數字化。這將增加武術套路評判的客觀性和準確性，確保比賽的公平、公正。

1、研究對象與方法

1.1 研究對象

本研究以競技武術套路比賽中應用難度動作“數字裁判”的可行性為研究對象。

1.2 研究方法

1.2.1 文獻資料法

查閱最新武術競賽規則(試行)及最近幾年武術套路難度動作的相關研究文獻資料。

1.2.2 邏輯分析法

分析目前武術套路難度動作評判方式存在的不足，并對難度動作“數字裁判”理論層面和操作層面的可行性進行分析。

1.2.3 數理統計法

對2006年全國武術團體錦標賽和個人錦標賽難度動作的選做情況進行統計、歸納與分析。

2、結果與分析

2.1 武術套路難度動作的評判方式存在不足

2.1.1 武術套路難度動作評判應分為直觀模糊評判和客觀精確量化評判

縱觀體育項目的評判不外乎2種，一種是直觀模糊的主觀評判，例如體操，跳水等；一種是精確量化的客觀評判，如田徑。當然，還有很多項目是2種評判綜合運用。

據最新《武術套路競賽規則》，武術套路技術包括動作質量、演練水平、難度(自選項目)。根據武術套路技術的項目特點，演練水平主要是通過直觀觀察，運用“好”、“一般”、“差”3檔9級的模糊評判來反映。動作質量中“平衡、腿法、跳躍、步型”等內容的扣分點多是“水平、彎曲”等直觀模糊的要求，可以運用直觀觀察來評判；但是，套路競賽規則中對難度動作的規定則不同于動作規格和演練水平，有精確的量化要求。以長拳為例，在動作難度與連接難度完成不符合規定確認表中，有精確量化要求的主要有以下幾方面，見表1。

由表1可以看出，對難度動作的確認很重要的一點是通過轉體的度數來評判，而規則中對于轉體的度數都有精確的量化要求(如直身前掃900°)；但是，此賽中卻通過裁判肉眼的直觀觀察來評判，難免有失公允。

武術套路競賽規則對動作質量和演練水平的要求是模糊的，而對難度動作則有精確的量化要求，所以，武術套路難度動作評判應分為2部分；直觀模糊評判和客觀精確量化評判。

2.1.2 難度動作的成功完成是取得優異運動成績的必要條件

武術套路難度動作的分值較高，一個B級難度動作的分值為0.3分，一個C級難度動作的分值為0.4分。而運動員的比賽成績往往只差0.1或更少，所以，如果一個運動員有一個難度動作沒有完成，就會輸掉比賽。

此外，《武術套路競賽規則》及有關補充規定對自選套路難度的規定是：至少選報1種c級難度，選報不同等級的同一種技術類型難度(含動作難度十連接難度)不得超過2次，超過規定，按前2次計算難度分數。個人項目得分相等時的處理：1)以完成難度等級高者列前；2)以完成高等級難度數量多者列前。

據2004年和2005年全國武術套路錦標賽以及第十屆全運會預賽和決賽情況的分析可見，旋風腳720。的成功率男、女分別為73.1％和43.8％；旋子轉體720°男、女分別為80.9％和57.1％；騰空擺蓮720°為46.3％。c級跳躍難度動作的成功率還不是非常高。

由此可見，難度動作特別是c級跳躍難度動作的成功完成是取得優異運動成績的必要條件。

2.1.3 武術套路難度動作中的垂轉運動給現場評判帶來了困難

人體的解剖特點決定了垂轉動作的評判具有不同于額轉和矢轉動作的特點。額轉和矢轉動作的完成情況比較容易評判，因為如果運動員旋轉度數達不到要求，落地時就會失去平衡。而垂轉的動作則不同，即使在旋轉度數達不到要求，難度動作沒有完成的情況下，仍然不影響動作的美觀、節奏、平衡等，這就給比賽現場的評判帶來困難。武術套路難度動作與跳水、體操的難度動作主要不同點在于，套路難度動作中垂轉運動的動作非常多(如旋風腳轉體720°)。

垂轉難度動作在武術比賽中的選做率非常高。從2003年全國武術套路冠軍賽女子長拳難度動作選做的情況看，在參賽的44人中，39人選做旋風腳轉體720°(323C)，選擇率為88.9％。從2004年全國武術套路錦標賽男子槍術的難度動作選用情況看，在出現的42次c級動作難度中，運動員主要選用了旋風腳轉體720°(323C)，共出現39次。本研究通過錄像分析了2006年全國武術團體錦標賽和個人錦標賽難度動作的選做情況，對男女運動員對B、C級跳躍難度動作的選做人次進行了統計(見表2)。可以看出，旋風腳轉體720°、旋風腳540°、騰空擺蓮540°的選做人次在男女運動員中均排在前3位，而這3個難度動作都是垂轉運動。

武術套路難度動作一般在2 s之內完成，轉瞬即逝，評判時間較短。裁判員在現場通過肉眼的直觀觀察，模糊的評判方法很難達到準確評判運動員的難度動作是否成功完成。錄像也只是對運動員難度動作的直觀再現，無法達到精確量化運動員的難度動作。再者，由于錄像具有二維特性，其準確性受其拍攝角度影響較大，因此，裁判員和錄像都無法達到規則的精確要求。而評判難度動作的完成與否決定著運動員的比賽命運，這就是教練員與裁判員分歧較大的地方，也是提出申訴的原因所在。

由以上分析可知，規則的精確要求和現實中模糊評判存在的不足，要求在武術套路難度動作的評判中尋求一種可以精確評判運動員難度動作完成情況的測量工具，在難度動作的評判中實現由直觀的模糊評判向客觀的精確量化評判轉化，因此，我們提出在武術套路比賽中運用難度動作“數字裁判”。

2.2 難度動作“數字裁判”的原理

目前實驗室中基于運動捕捉的人體運動分析系統可以對運動員的動作進行量化分析，計算出運動員的旋轉速度，角度、高度等指標。同理，我們可以以此作為套路運動員難度動作完成情況的評判工具，變模糊的主觀評判為精確量化評判，實現由人工裁判到“數字裁判”的轉化。

運動捕捉是一個通過在時域上跟蹤一些關鍵點的運動來記錄生物運動，然后將其轉換成可用的數學表達并合成一個單獨的3D運動的過程。運動捕捉系統是一種用于準確測量運動物體在三維空間運動狀況的高技術設備，其原理是基于計算機圖形學，通過排布在空間中的數個視頻捕捉設備將運動物體(跟蹤器)的運動狀況以圖像的形式記錄下來，通過計算機進行處理，得到不同時間計量單位上不同物體(跟蹤器)的空間坐標(X，Y，Z)。

難度動作的“數字裁判”就是運用運動捕捉設備實時捕捉運動員在比賽場上的難度動作，記錄運動員在完成難度動作時肢體在空間的三維運動軌跡，將運動員直觀的難度動作轉化成可以用數據精確量化的“抽象運動”，然后對其指標進行量化分析，判斷其是否完成規定的動作難度。

2.3 難度動作“數字裁判”理論層面的可行性分析

套路難度動作的“數字裁判”主要包括難度動作參數的獲得(運動捕捉過程)和對難度動作參數的量化評判(動作技術分析)2個過程。

人體運動捕捉可以分為電磁式運動捕捉、機電式運動捕捉、光學運動捕捉。目前，人體運動分析系統主要是采用光學運動捕捉系統捕捉運動員的技術動作，然后進行生物力學分析，找出其中不合理的部分，制定針對性的訓練來改進技術。光學運動捕捉是在人體關節點上貼上一種涂有特殊反光材料的球狀體標記點(marker)，用多個紅外線攝像機從不同角度拍攝，然后利用軟件分析圖像上標記點的圖像坐標，利用計算析視覺原理進行三維重建，得出標記點的運動數據。光學運動捕捉系統以其快速、安全、準確、方便等優點，被廣大的科研工作者所采用。本研究以光學動作捕捉為例，探討如何在武術套路比賽中對運動員難度動作進行捕捉，將運動員所完成的難度動作轉化成可以用來精確量化的數字形式。

2.3.1 對武術套路運動員難度動作進行光學運動捕捉

光學人體運動捕捉(motion capture)系統主要包括四部分：傳感器、信號捕捉設備、數據傳輸設備、數據處理設備。

傳感器是固定在運動物體特定部位的跟蹤裝置，將向Mo－tion Capture系統提供運動物體運動的位置信息。對于光學動作捕捉系統來說，是通過在運動員身體的關鍵部位貼上一些特制的紅外發光點(稱為“Maker”)來實現的。人體的動作可以看成是人體各個關節點(例如肘關節、腕關節等)的動作。在光學運動捕捉系統中，一般是把人體看成是由13到19關節點組成的簡單模型，這些關節點就是在運動捕捉中要跟蹤的點，即“Maker”。

傳感器粘貼好以后，接下來就是捕捉套路運動員的難度動作，在光學Motion Capture系統中，運用高分辨率紅外攝像機作為信號捕捉設備，運動員的任何微小動作都能被捕捉到。

動作捕捉完成后接下來要將這些數據輸出，特別需要實時效果的Motion Capture系統，需要將大量的運動數據從信號捕捉設備快速準確地傳輸到計算機系統進行處理，這一項工作是通過數據傳輸設備來完成的。

由Motion Capture系統捕捉到的數據傳輸到計算機中后，還要經過修正、處理，通過數據處理設備處理后，變成可以進行分析的數據。

2.3.2 對難度動作參數進行量化評判

通過運動捕捉系統(motion capture)對武術套路運動員動作技術三維運動軌跡進行實時捕捉，可以得到運動員在不同時間點的空間位置(通常以X、Y、Z軸的數值來表示)，接下來對采集到的技術動作的各項參數進行生物力學分析，運用分析軟件，可以顯示肢體動作的運動軌跡，可以計算出肢體運動的速度、方向，可以計算出關節的角度、角速度等。套路比賽中應用難度動作“數字裁判”主要判別難度動作是否達到裁判規則中規定的精確數值要求，例如：前掃腿900°，旋風腳轉體720°等，重點分析運動員的身體旋轉度數，并將分析結果迅速輸出給裁判員，作為評判的依據。

2.4 難度動作“數字裁判”現實操作層面的可行性分析

通過以上討論可知，實驗室中基于運動捕捉的運動分析系統可以對運動員的動作進行實時捕捉并分析，將直觀運動轉變成抽象的可量化的數據，達到對運動員難度動作客觀評判的目的。在“數字裁判”的現實操作中就是將實驗室中的難度動作分析系統作為評判工具應用于比賽現場。

2.4.1 光學運動捕捉系統作為難度動作“數字裁判”的可操作性強

典型的光學式運動捕捉系統通常有數十臺攝像機，環繞表演場地排列，這些相機的視野重疊區域就是表演者的動作范圍。為了便于處理，要求表演者在身體的關鍵部位，例如頭頂、關節、髖部、肘、腕等位置貼上一些特制的“Marker”。采用紅外攝像機可以只識別和處理這些標志點，與以往的采用普通攝像機的系統比較，紅外攝像機可以大大降低背景噪聲，突出目標點，極大地減少了識別標志點的工作(如圖1所示)。

光學式運動捕捉的優點是表演者活動范圍大，無電纜、機械裝置的限制，使用很方便，采樣速率較高；所以，在比賽現場應用光學式運動捕捉系統作為“數字裁判”具有較高的可操作性和現實可能性。

2.4.2 套路比賽中應用難度動作“數字裁判”的現實操作

以長拳為例，最新武術套路競賽規則對垂轉難度動作旋轉度數測量的規定是：1)跳躍動作轉體雙腳落地或跳躍動作轉體落地接馬步、跌豎叉，均以起跳時兩腳之間連線和落地時兩腳之間連線的夾角來計算轉體度數。2)跳躍動作轉體單腳落地，均以該腳起跳時和落地時腳尖與腳跟連線的延長線的夾角來計算轉體度數。3)掃轉性腿法的掃轉度數，均以掃轉腿的腳的起止轉動度數來計算掃轉度數。

通過以上分析可知，套路難度動作旋轉度數的測量確認都是以腳為測量點，這增加了在套路比賽中使用難度動作“數字裁判”的可操作性，只需要適時捕捉腳的運動即可；因此，需要解決運動員比賽用鞋是否適應“數字裁判”的具體操作問題。

在設計武術比賽鞋子時，其設計理念就是使武術比賽鞋能代替貼了“Marker”的鞋子的功能。制作武術比賽鞋，只需要在鞋子的前后2個點上用具有“Marker”功能的反光材料制作，使其與鞋子成為一體，既方便穿戴，而又不至于出現“Marker”掉下來的情況。這樣，光學運動捕捉設備能夠捕捉到運動員腳的運動，進而把信息迅速傳輸到電腦，由電腦進行實時運算和處理，迅速得出運動員難度動作旋轉度數的精確數據，并將這些信息實時傳送給裁判員。

此外，在比賽現場應用光學運動捕捉系統還要減少對比賽環境的干擾。干擾主要來自2方面：1)光照干擾，普通的日光燈不會對光學運動捕捉產生干擾，主要是要避免強光源，例如，照相機的閃光燈等；2)反射干擾，比賽場地中不能有類似“Marker”的能反射紅外線光的物質。

目前階段，難度動作“數字裁判”的數據處理工作量較大，不能馬上將結果計算出來，還跟不上比賽的節奏；但是，可將捕捉到的難度動作的數據進行存儲，如果運動員對難度動作的評判提出申訴，可作為裁決申訴的客觀工具。隨著計算機硬件性能的提高和優秀軟件的開發，以及比賽場地、設備性能的提高，上述難點問題將會迎刃而解。

3、結論與建議

3.1 結論

1)最新套路規則中對難度動作的確認存在著精確的數值要求，而在實際比賽評判中卻采用直觀模糊的評判方式，規則的精確量化要求與現實中的模糊評判的矛盾迫切需要一種可以對套路難度動作進行客觀評判的“數字裁判”。

2)目前實驗室中基于光學運動捕捉的運動分析系統可以對套路難度動作進行精確的數字分析，從而達到精確、量化評判的要求，可以以此作為評判套路難度動作是否完成的“數字裁判”。

3)在套路比賽的實際操作中，應用難度動作“數字裁判”需要解決運動鞋的設計和減少干擾的問題。

3.2 建議

根據實驗室中光學運動捕捉系統的要求，改進比賽場地的設施和環境，設計運動員的比賽服裝，并在參賽人數較少的比賽中先對某一難度動作試用“數字裁判”，在實際應用中逐步改進和提高。