3D運動技術分析研究現狀與述評①

周寧 張翔 白銀川

(1.忻州師范學院 山西忻州 034000; 2.北京體育大學 北京 100084)

眾所周知科技是第一生產力,舉辦現代奧運會離不開科技的強大支撐,在運動員實力較量的背后,是國家科學技術發展程度的綜合力量的比拼,比賽的成績,各項記錄的誕生,不僅僅是人類挑戰生理極限的單一體現,同時也彰顯著科技在體育運動中巨大的作用。

運動捕捉技術廣泛應用于田徑、高爾夫、曲棍球、蹦床、跳水等項目,幫助教練員能夠通過觀看運動員在訓練和比賽時的運動圖像,發現運動員技術動作上存在的微小錯誤,及時糾正運動員錯誤的技術動作,進一步提高運動員的訓練效果和比賽時的運動成績,在競爭激烈又殘酷的競技體育中一個微小動作的改變可能會使運動員的成績有大幅的提升,三維運動技術的廣泛應用使體育運動訓練開始向科學化和數字化時代跨進。

1 研究方法

1.1 文獻資料法

通過詳細了解三維運動捕捉的歷史和發展概況,并對相關的期刊文章進行整理和分析,最終形成了本論文研究的理論基礎。

1.2 邏輯分析法

圖1 高爾夫輔助訓練系統示意圖

圖2 曲棍球運動員利用捕捉系統進行技術動作的分析

通過對所搜集到的資料進行整理,分析其中蘊含的知識和信息,并進行總結和概括,科學的把握有關三維運動捕捉技術的現狀。

2 三維運動捕捉技術的概述

2.1 三維運動捕捉的概念界定與進程概述

2.1.1 運動捕捉的概念界定

運動捕捉技術是借助運動捕捉系統對運動員的技術動作和戰術配合或者對運動物體的三維運動軌跡進行實時捕捉和數字解析的一種高新技術[1]。

2.1.2 進程概述

關于運動捕捉技術的研究與運用起源于20世紀70年代,當時的美國好萊塢電影設計公司與制片人試圖通過多種手段來研究出高技術含量的器械來迅速捕捉動態演員的高清畫面效果,然而這一偉大的前言構想在實踐進展中并不十分順利。就當研究人員一籌莫展之時,計算機技術在全球的迅速推廣與運用激發了相關研究人員的靈感,進而將先進的計算機技術與電影動畫設計銜接起來使用,為運動捕捉技術的發展打開了新世紀的“大門”。隨著運動捕捉技術研究的逐步深入,到了20世紀80年代,諸如美國的Biomechanics實驗室、SimonFraser大學、麻省理工大學等高等學府相繼投身于人體運動畫面捕捉的研究之中,進而大量的技術產品被研發出來。伴隨經濟全球化步伐的影響,運動捕捉技術由以往單純的技術研發走向市場化,并且收到了廣大國家、企業乃至個人的熱衷與青睞[5]。

2.2 三維運動捕捉技術的釋義

三維運動捕捉技術(motioncapture)是借助光電傳感器等“輔助臂手”以立體的形式(即前后、左右、上下)真實捕捉和記錄人體高速運動的過程與軌跡,然后運用計算機將光電傳感器所存儲的有效數據進行分析、整理、定位以及測繪,將接近真實運動的立體畫面呈現出來。從技術的層面來看,三維運動捕捉技術的實質就是要測量、跟蹤、記錄物體在立體空間中的運動軌跡。普遍意義的三維運動捕捉技術設備由傳光電感器、信號傳輸設備、數據分析設備等3個部分構成。

2.3 三維運動捕捉技術分類與評價

2.3.1 機械式運動捕捉

機械式運動捕捉是最原始的運動捕捉技術,其工作的原理是通過多關節的器械組合來實現多角度、多方向的旋轉移動,進而實現對人體運動軌跡和路線的跟蹤記錄。傳統的機械式運動捕捉設備是由多個不同關節的金屬或塑料器材構成的,可以根據現實的需要和拍攝的需求來適時調節[3]。機械式運動捕捉技術的優點是顯而易見的,那就是成本較低,實用性較強,能夠實現隨時隨地的跟蹤測繪,然而,其自身所占空間的弊端也是不容忽視的,特別是在要求狹小的空間內來實施操作擁有不小的難度。

2.3.2 聲學式運動捕捉

聲學式是繼機械式捕捉技術的“后起之秀”,但其工作的原理卻是相同的。聲學式運動捕捉裝置類似于計算機的顯示器、處理器以及傳感器等,其主要又接收器、發射器以及分析器組成。雖然聲學式運動捕捉技術較機械式捕捉技術有了很大的提高,但其自身存在的反應性較差、延遲性較長、適用性較小等諸多方面的弊端無法克服[3]。

2.3.3 電磁式運動捕捉

顧名思義,電磁式運動捕捉技術是借助磁場的空間定位來有效捕捉生物體運動的軌跡和狀態,該技術的創新發展有效彌補了機械式運動捕捉技術操作困難、僵化死板以及聲學式運動捕捉技術反應性差、延遲性長的弊端。電磁式運動捕捉設備一般有發射器、感應器、處理中樞等3部分構成。它是目前比較先進、也較常使用的捕捉設備。電磁式運動捕捉技術較以往技術的一大改觀在于他的定位是6維方面,類似與里面體的形狀物體,其表現出的優勢是細化了不說的空間,是圖片的成像伴隨運動路線的視角適時進行捕捉,從而使人體的動作軌跡更加具體化、空間化、形象化、生動化。如果非要找出該設備的不足,那就是其對于周圍環境的要求比較高,特別是排斥任何金屬性物體的存在,否則將會影響結果的精準度。

2.3.4 光學式運動捕捉

光學式運動捕捉技術是近年來新起的一項動畫捕捉技術,其特點是在對畫面進行標注點定位的基礎上,通過多不同光電的連線監控完成對人體運動軌跡的圖像捕捉。該捕捉技術的優勢在與其精準度較高,適用范圍較廣,避免了以往需要在人體身上安裝器械的煩惱,從而是人體的動作姿勢更加舒展自然。但它的最大缺點就在于成本相對較高,事后處理工作量大,對環境要求較高,同時在捕捉過程中還會出現遮擋,導致錯誤的結果[3]。

3 三維運動捕捉技術與現代體育訓練中的銜接

3.1 運動技術結構特征的成像

三維運動捕捉技術的最基本功能在于對人體運動空間特征的數據采集,再次基礎上,運用計算機輔助系統的分析處理,從而得出形象、生動的人體空間圖像,為運動訓練提供量化、科學的指標。與此同時,三維運動捕捉技術使以往抽象的運動生理學、運動生物學等體育課程變得簡單化、具體化、數字化,研究手段進一步多樣化、數字化、科學化。

3.2 生理生化指標的捕獲

三維運動捕捉技術不僅能夠對人體運動技術的結構特征進行成像,其也可配合生理生化指標的測量與檢驗,例如運用三維運動捕捉技術能夠輔助測量肌電圖、心率指標、脈搏指標等多維指標,進一步驗證醫學測量器械的測的結果,從而鞏固數據的信度值水平。利用軟件工具,還可以對這種信息進行處理,用于統計,也可幫助教練下達指令。

3.3 為技術動作創新提供新途徑

在運動訓練各類項目中,有很多項目中技術動作的創新起著至關重要的作用,技術動作的創新和發展在許多競技體育項目中如體操、跳水、乒乓球等技能主導類項目中都非常重要。運動捕捉技術的創新發展,為技術動作的創新發展,特別是在競技體育領域發揮著不可替代的作用。其工作的主要原理是對已回收和采集的數據進行分析整體,從而全面、清晰的掌握該運動員的整體動過流程,找出其存在的不弱環節與不足之處,從而針對出現的問題進行動作的糾正,是運動員的動作姿勢更加舒展、優美,為運動員競技能力的提高打下扎實的基礎。與此同時,在運動訓練中借助三維捕捉技術的教學,使教練員為舊動作的總結、新動作的創編提供可靠的數據支撐,從而使運動員獲得直觀、正確、形象的動作教學。

3.4 技術診斷與分析

三維運動捕捉技術與現代體育運動訓練的完美結合,徹底改變了以往教練員憑借主觀的經驗思維和片面的感官體會的盲目教學,從而提高教練員的專業知識水平,進而有效促進運動員競技水平的提升。同時,輔助三維運動捕捉技術的應用,對于運動員損傷的提前判斷和后期治療效果的檢驗發揮著不可替代的作用,使運動員盡快的擺脫傷病的困擾,減緩競技水平提高的間斷性。

3.5 通過圖像反饋技術對技術動作進行量化分析

計算機輔助下的三維運動捕捉技術對于運動員整體動作圖像的整合功能是其他技術手段無法實現的,特別是其提供的量化指標破解了以往模糊的憑空想象。例如在高爾夫球輔助訓練系統(GTRS-1)是一臺專門針對高爾夫球訓練的圖像捕捉以期,其對于初學高爾夫者以及專業運動員的動作糾正發揮這積極的作用(見圖1)。該設備的工作路徑是通過一臺高清相機進行圖像捕捉,然而將采集的數據通過傳感器發送至計算機處理系統,從而運動員在動作過程中的加速度、角速度、角度等多維數據指標。

圖2所示通過運動捕捉系統利用高分辨率的靜態圖像和HD視頻流,從而能夠為教練員以及科研人員展示平常很難用肉眼和經驗看見的曲棍球運動動作。使得他們能夠更清晰看到動作的圖像,傳統的用肉眼和經驗觀察只能看到一個角度的動作狀況。如果用更多攝像機追蹤某個球員,那么就可以多視角的展示運動員的技術動作,從而使教練員發現微小的錯誤,及時對運動員進行糾正,進一步提高訓練的效果[2]。

3.6 虛擬現實訓練

虛擬現實技術是借助計算機軟硬件資源的創建和體驗虛擬世界集成技術可以實現對真實世界進行動態模擬,它被廣泛應用與各種體育項目中,尤其是在跳水和蹦床項目上取得了巨大的成就。運動技術三維仿真是通過計算機虛擬現實技術再現優秀運動員的技術動作等細微環節、教練員的訓練意圖、管理者的組織方案和運動員的訓練過程,從而達到對體育系統的解釋、分析、預測、組織、評價的一種實驗技術科學。

3.7 輔助裁判決斷

縱觀當今世界的競技體育比賽,其所倡導和宣揚的“更高、更快、更強”體現的淋漓盡致,讓所在場觀眾賞心悅目、嘆為觀止。然而,在比賽的過程也時有不和諧的因素發出,其中裁判員的誤判、錯判、漏判嚴重影響了競技體育比賽的客觀性、正確性、流暢性,同時也對運動員的心理水平有著間接的消極影響。因此,以往單靠裁判員用肉眼評判的手段變得不再合理,而三維運動捕捉技術的介入有效緩解了這一悲觀局面。例如,在各級各類的網球公開賽中,經常運用三維運動捕捉技術來評判網球是否出界(即所謂的“鷹眼”)。其具體的操作手段是,在球場的四周覆蓋一條窄窄的帶電銅傳感器帶,然后在上面覆蓋一層導電聚合物。這些傳感器嵌入球場的三個區域:邊界內5cm處、邊界上面和邊界外35cm處。使用的網球中也有導電物質。這樣,只要網球擊中球場,傳感器就會把數據傳輸給電腦,電腦會計算出網球的確切位置。這些數據會傳給裁判,同時也會傳輸到電視屏幕上[3]。

4 三維運動捕捉技術在體育領域的應用前景

4.1 運動捕捉技術在體育中廣泛應用的可能性

運動捕捉技術的產生與發展都受到科學技術水平的局限,現有運動捕捉技術還不成熟,受到定位精度、實時性、使用方便程度、可捕捉運動范圍大小、受環境影響程度、成本、多目標捕捉能力等多種因素的制約,這些制約因素使得運動捕捉技術在體育領域的應用還有很大的局限性[3]。但可以預見的是,隨著科學技術的不斷進步,運動捕捉技術在體育領域的應用無論是廣度還是深度上都將得到進一步發展。

4.2 新的運動捕捉技術產生將推動體育學科的發展

運動捕捉技術將向著高精度、低成本、方便使用、功能強大的方向不斷發展,隨著新的更加簡便使用的運動捕捉技術的產生,運動捕捉將在體育科研、運動訓練、運動康復、體育器材研發等領域發揮更為重大的作用,從而全面推動和促進體育學的科學化發展[6]。

5 結語

隨著科學技術的進步,運動捕捉技術在體育訓練中對捕捉運動數據、生理生化指標、運動監控、技術診斷與分析、輔助裁判裁決、運動康復和虛擬現實訓練發揮著巨大的作用,通過實時地運動捕捉技術對訓練中出現的問題進行技術診斷和分析,并以視頻和圖像以及量化的數據等方式反饋給教練,為教練員提供科學的準確地定量依據和量化的訓練指標,從而提高訓練的效率性和科學性。同時三維運動捕捉技術在體育中的應用研究表明,運動捕捉技術對提高運動成績、訓練的效率和科學性確實有積極的作用。

[1]張俊峰.運動捕捉技術在運動訓練中的應用[J].吉林體育學院學報,2005(4):69-72.

[2]陳健,姚頌平.虛擬現實技術在體育運動仿真中的應用[J].體育科學,2006(6):34-39.

[3]馮利正,陳健.運動捕捉技術在體育運動中的應用[J].杭州師范學院學報:醫學版,2005(5):24-27.

[4]陳健,姚頌平.運動捕捉技術及其在運動技戰術診斷中的應用[J].上海體育學院學報,2006(4):70-73.

[5]董能,趙志明.運動捕捉技術在體育領域應用及其前景分析[J].山西體育科技,2006(1):95-96.

[6]馮利正,蔣賢俊.運動捕捉技術在體育運動中的應用綜述[J].杭州師范學院學報,2005(3):33-36.

[7]陳加,吳曉軍.聯合LBS和Snake的3D人體外形和運動跟蹤方法[J].計算機輔助設計與圖形學學報,2012(3).