三維運動捕捉系統在高校體育教學中的應用探析

吳昌明+于忠+段渭軍

摘 要：將三維運動捕捉分析系統引入到高校體育教學，應用于教學訓練，對改進教學的方法與手段，擴展教學資源建設技術手段，拓展教學和訓練的空間，提高教學質量和學生的體育運動技能有重要作用，對以肢體練習為主要手段的實踐教學有一定的參考價值。

關鍵詞：三維運動捕捉；高校體育教學；教學資源

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2014）08-0079-02

高校體育教學是高素質人才培養的重要組成部分，相對其他學科教學來說，高校體育教學是我國高等教育的薄弱環節，現代信息技術沒有在高校體育教學中得到廣泛應用。網絡技術、多媒體技術及虛擬仿真技術的飛速發展為高校體育教學的變革提供了有利條件。三維運動捕捉系統是運動捕捉技術和虛擬仿真技術相結合的典型代表，將其應用于高校體育教學，不僅有助于改善教學的方法和手段，還能彌補教學資源制作技術上的不足，對推進體育教育信息化和現代化具有重要意義。

一、研究現狀

1.高校體育教學現狀

目前，我國高校體育教學是以講解示范為主，信息技術應用還停留在以計算機輔助傳統體育教學階段，而信息技術與體育教學的整合相對其他學科來說更為薄弱。就現代信息技術在高校體育教學中的應用來看，主要有以下幾個方面的應用：①理論課教學中將電子板書代替手寫板書；②教學的多媒體課件主要由AuthorWare、PowerPoint、Flash等制作；③現有的視頻教學資源基本上都是二維視頻，三維仿真的資源很少。

2.國外研究現狀

在發達國家，運動捕捉已經進入了很廣泛的實用化階段，如GolfSense是一款便攜式Golf動作輔助訓練系統，通過創新的硬件、軟件及云平臺的結合，實現精準的動作捕捉和數據分析，讓高爾夫愛好者從各個角度精確地分析自己的揮桿動作，是目前高爾夫愛好者快速提升高爾夫水平的最佳訓練用具。[1]而微軟開發的Xbox360作為一種3D體感游戲機，利用即時動態捕捉、麥克風輸入、攝像識別、語音識別等一系列功能，讓玩家通過自身的運動來操控游戲，使其真正體驗到“體感”的精髓。[2]三維運動捕捉分析系統已經成功地應用于影視特效、動畫制作、虛擬現實、游戲、人體工程學、輔助體育訓練和運動分析、生物力學研究等許多方面。

3.國內研究現狀

隨著計算機技術和虛擬仿真技術的快速發展，基于運動捕捉技術的三維運動捕捉系統，逐漸應用于現代競技體育。張延峰等人在《淺談三維動畫在運動技術影像分析上的應用》中提到，利用人體三維動畫技術可以更好地獲取并研究其動作過程中的數據，探究其運動技術及原理，找出正確的訓練方法。[3]張勝利等人在《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》中，驗證了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。[4]

二、三維運動捕捉分析系統在高校體育教學中的應用

三維運動捕捉系統是一種基于計算機圖形技術和虛擬仿真技術的用于準確測量和記錄運動物體在三維空間內運動情況的設備，將其應用于高校體育教學資源制作、教學過程、輔助教學訓練等方面，將對高校體育教學的手段、過程、模式等產生重要影響，從而提出適合高校體育學科特點和教學特性的方式方法。

1.三維運動捕捉分析系統

三維運動捕捉分析系統是指借助傳感器、信號捕捉設備、數據傳輸設備、數據處理設備等對運動中的人、動物或物體的三維運動軌跡進行實時捕捉和數字解析的系統，其關鍵技術在于對人或物體在三維空間中的運動軌跡的測量、跟蹤、記錄和分析。

三維運動捕捉分析系統主要可分為機械式、聲學式、電磁式、光學式四大類。[5]

2.可行性分析

高校體育教學是高等教育的重要組成部分，其目的在于以運動和身體練習為基本手段，促進大學生增強體質，掌握體育健康基本知識和技能。傳統高校體育教學訓練過程，教師主要依靠在長期教學中總結的主觀經驗向學生傳授體育知識和技能。學生通過模仿教師的動作并反復練習來掌握運動技能。

由于師生的交互基本上是采用言語解釋和動作示范相結合的方式，學生只能在觀摩教師動作的基礎上抽象地理解該動作的生理原理和技術要領，然后再轉化為肢體動作。教師和學生之間的思維和認知水平存在一定的差異，再加上整個教學過程是基于抽象的主觀經驗的，這些因素必將影響學生對動作技能的掌握，也就影響了體育教學質量和效果。

三維運動捕捉系統最主要的特點在于其能夠實時捕捉人體運動的真實動作并用量化的數據來表述人體在三維空間的運動軌跡，能夠分析人體各個關節的位移、運動速度、角速度、旋轉角度等關鍵信息，并且可以實現人體動作的三維重現。通過捕捉教師和學生的動作，便于進行量化分析，結合人體生理學、物理學原理，研究改進的方法，使高校體育教學擺脫純粹的依靠經驗的狀態，進入科學化、數字化的時代。

3.在體育教學資源制作中的應用

三維運動捕捉系統具有能夠捕捉人體真實的運動情況，提供運動軌跡和量化數據，提供多個視角及調整捕捉文件的播放速度的特點。在高校體育教學中使用三維運動捕捉系統，能夠使體育教學擺脫純粹依靠經驗的狀態，進入科學化、數字化的時代，有利于學生對體育動作的理解和學習，而不僅僅是單純的模仿，有利于學生運動技能的掌握，從而提高教學的質量和效率。

高校體育教學目前常用的多媒體資源多是技術影片和動畫，技術動畫的示范真實性與動畫的制作者水平有很大關系，即使動畫制作高手費時費力的制作某項技術動畫，也很難實現攝影機在短時間內拍攝的視頻效果，一般的體育工作者就更難以勝任了。

目前體育教學中常用的多媒體資源是影片和動畫，不能對畫面中的示范者和攝像機進行操控，學習者只能按照資源展示的視角和距離以及示范者展示的角度和距離來觀察技術動作，不能隨意觀察特定技術動作的便利角度，致使學習者與資源間的交互較為被動，而三維運動捕捉分析系統具有實時捕捉三維空間內的動作軌跡，并將動作量化為精確的數據。利用三維運動捕捉分析系統，再與相關制作軟件結合，可大大提高相關技術動畫的技術性以及制作效率。

4.在輔助教學訓練中的應用

在現階段的高校體育教學中，學習者主要基于對教師動作示范的記憶而自己練習，只有當教師發現學生的錯誤時才能有效的糾正，這種方法效率低且不利于學生學習。三維運動捕捉分析系統可以先后將教師與學生的動作軌跡捕捉下來，及時向學生提供相應的反饋信息，其中為學生提供的反饋信息主要包括兩個方面：一是學生所做的動作與要求完成動作的對比信息，二是如何改正錯誤動作使之盡可能接近標準動作的信息。這樣能夠起到促進學生糾正錯誤動作的作用，提高學習質量。

學生在教師的指導下進行動作技能的練習和訓練也是高校體育教學的一個重要環節，是學生對動作技能掌握的最關鍵環節。在體育教學訓練中，及時獲得掌握技術動作程度的反饋信息，有助于改進技術訓練方法和改善調控技術訓練過程。要實現這一目的，必須借助科學的測試診斷并結合豐富的經驗診斷，即采用先進的生物力學設備與方法進行診斷，然后結合教師的實踐經驗進行配合斷定。三維運動捕捉系統作為生物力學研究的有效設備，能夠有效地為體育教學訓練提供更多、更有價值的信息。

將三維運動捕捉分析系統引入高校體育教學，應用于教學訓練，能提供真實客觀的運動信息和量化的運動數據，對改進教學的方法與手段，擴展教學資源建設技術手段，拓展教學和訓練的空間，提高教學質量和學生的體育運動技能有重要作用，對舞蹈、雜技、機械操作等以肢體練習為主要手段的實踐教學有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]朋友高爾夫. GolfSense是全球首款便攜式Golf動作輔助訓練系統[DB/OL]. http://www.111golf.com/goods-2404.html.

[2]蔣子豪.微軟Xbox360體感游戲機[DB/OL].http://tiganyouxiji.baike.com/article-258904.html.

[3]張延峰,宋麗,井紅麗.淺談三維動畫在運動技術影像分析上的應用[J].冰雪運動,2006(2).

[4]張勝利,郭志禹.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[J].首都體育學院學報, 2011(1).

[5]百度百科.三維運動捕捉系統[DB/OL].http://baike.baidu.com/view/8130078.htm#1_2.

（編輯：魯利瑞）