融合動作捕捉技術的排球教學模式探究

韓麗，劉祺

（遼寧師范大學 計算機與信息技術學院，遼寧 大連 116081）

融合動作捕捉技術的排球教學模式探究

韓麗，劉祺

（遼寧師范大學 計算機與信息技術學院，遼寧 大連 116081）

近年來，動作捕捉技術發展迅速，已經廣泛應用于影視制作、游戲仿真、機械控制及醫療領域，但其與教學活動的結合未見普遍研究。動作捕捉技術不僅可以實現動作的實時捕捉、運動仿真和動畫，而且可以用于三維立體教學、動作分析與反饋，從而增強學生的學習興趣，提高教學質量。文章將動作捕捉技術與傳統體育教學相結合，通過建立教練員的動作姿態庫，生成教學動畫軟件，實現動作的三維立體分析與講解。最終采用實驗對比分析進行驗證，結果表明動作捕捉技術在體育排球教學中的引入，不僅豐富了教學內容，而且獲得了更好的教學效果，具有極高的研究與應用價值。

動作捕捉；運動軌跡；排球教學

一、引言

隨著計算機圖形學的發展和硬件設備的進步，虛擬現實技術（Virtual Reality）已經被人們所了解并且應用到各行各業中。因此，計算機特技應用到教學活動中，成為必不可少的手段，能夠極大地提高教學質量。近年來，體育教學中主要應用的多媒體技術就是CAI，筆者在中國知網進行“多媒體技術與體育教學”關鍵詞檢索，結果發現約77551多個研究成果及期刊論文，可見多媒體技術在體育教學中應用之廣。多媒體技術主要是利用多媒體計算機，綜合處理和控制多種媒體信息，具體應用在課件方面，以數字化為基礎，對圖片與文字、音頻與視頻、動畫等多媒體信息進行采集、加工處理、存儲和傳遞，并能使各種媒體信息之間建立起有機的邏輯聯系，集成為一個具有良好交互性的系統技術，使得教學內容豐富多彩。但是在教學實施中還存在很多問題和弊端，其一就是技術動作的教學演示，有些高難度的技術動作是多媒體技術難以實現的，而且與標準動作比較，運用多媒體技術設計出來的動作存在一定不足；其二就是教學手段單一，靈活性很差，而體育教學靈活性很強，多媒體技術難以實現；其三就是多媒體技術無法實現學生自主學習，自主進行動作分析與反饋。

而動作捕捉技術能夠檢測、記錄運動員的肢體在三維空間的運動軌跡，實時捕捉運動員的動作，并將其轉化為數字化的“抽象運動”，減少人為誤差，教學動作更加標準，涵蓋信息量大，反饋直接形象。學生也可以對自己的技術動作進行分析與反饋，實現自主學習。因此，在體育教學過程中，如何運用動作捕捉技術與傳統教學相結合，改變傳統教學的弊端和問題，提高教學質量，具有極高的研究與應用價值。

二、動作捕捉在體育教學中應用的意義

動作捕捉（Motion capture），也稱為Motion Tracking（動作追蹤）或簡稱Mocap。動作捕捉主要捕捉表演者的動作甚至表情，用這些動作或表情數據直接驅動動畫、虛擬對象模型，制作出逼真的動畫。[1]

動作捕捉技術的雛形是1915年動畫大師Max Fleischer研制的一個將膠片內容打到透光臺上的放映機，把拍攝出的動作影像作為動畫描繪的底樣，逐幀描繪出所需的動作。[2]20世紀70年代，基于儀器的運動捕捉技術開始應用于動畫領域，80年代，通過電腦實現的針對人體運動捕捉的研究開始出現，90年代，三維運動軌跡捕捉技術正式商業化。[3]2011年拍攝的《星球崛起》運用了最新的動作捕捉技術，沒有一只真實動物參與表演，達到了動作捕捉技術應用的新高峰。[2]

（1）動作捕捉技術

動作捕捉技術，就是在運動物體的主要部位設置關鍵點，借助計算機技術，采用測量、跟蹤、計算等方法把運動物體身上關鍵點的動作捕捉下來，然后應用到已建好的三維模型中，讓三維模型做出和演員類似的動作。[4]例如，在表演者的手、肘、肩、膝蓋、腳面等關鍵部位貼上閃光球，稱為“Marker”,在表演者做出發球動作的同時，用專門儀器捕捉Marker的運動軌跡，然后運用相關軟件進行處理，處理后應用到排球運動員模型上，這樣，模型就可以做出和表演者一模一樣的發球動作。

（2）動作捕捉系統

動作捕捉技術從實時性來看，可分為實時捕捉系統和非實時捕捉系統兩類；從應用的角度來看，可分為表情捕捉和身體動作捕捉兩類；按人體動作捕捉需求的深淺來區分，可分為全身運動捕捉和細節運動捕捉兩類。按原理來分，可分為機械式運動捕捉、聲學式運動捕捉、電磁式運動捕捉和光學式運動捕捉四種。[3]

體育運動中有許多技術動作,不僅數量多、速度快，而且比較復雜，一些還具有瞬時性，這都給教學帶來較大困難。一方面，教師因為天氣、身體、心理等原因，不能將每個動作都標準地演示出來，技術動作的瞬時性也導致教師不能間斷的進行示范，動作要領轉瞬即逝，不利于學生掌握；另一方面，每個學生接受能力的不同，身體素質的不同，觀察角度的不同，都會對動作重難點的領會產生影響。結果導致教師反復演示講解，影響教學效果，學生只注重動作練習，缺乏主動思考能力。而動作捕捉技術輔助教學在信息獲取和傳遞方面具有常規教學所無法比擬的優勢。學生根據自身情況，可以針對性的學習動作技術，通過3D動畫反饋教學，在不斷對照中進步，大大提高了教學質量。

（1）突破技術動作重難點

動作捕捉技術的應用彌補了傳統教學的不足，把復雜的動作進行分解，而且可以把動作進行多角度慢放，了解動作的每個細節，讓學生感知動作時間、空間的特征?；橄鬄榫唧w，用動畫或者圖像把難以理解的內容顯示出來，呈現給學生完美的視覺效果。通過鏡頭特寫，充分調動視覺能力，建立正確完整的視覺表象，為技術動作難點的突破提供有利的條件。

（2）提高學生綜合能力

動作捕捉技術的實質是一種視覺、空間刺激，有助于激發學生的學習興趣，增強學習積極性、自覺性。教育心理學研究表明，學習動機中最現實、最活躍的因素是認識的興趣，在興趣高昂的狀態下學習，知識掌握的迅速而牢固。采用動作捕捉技術把復雜動作分解、慢放，讓學生自主學習，不僅可以提高學生的觀察能力、分析能力、判斷力，而且激發了學生的抽象思維，綜合能力顯著提高。

（3）提高教學效果

常規的體育教學，往往都是教師反復重復動作要領，指出易犯錯誤的原因，學生反復練習，實際的教學效果并不理想，學生易出現反感情緒。動作捕捉技術的應用打破常規的教學模式，先觀看教學動畫，充分調動學生的學習興趣。給出正誤兩組動作，學生自主分析思考動作之間的差異，找出錯誤動作產生的原因，提升運動技能的理解能力，避免常見錯誤動作的發生，便于快速掌握動作重難點，提高教學效果。

三、動作捕捉技術在排球教學中的應用

動作捕捉技術應用在常規排球課程教學內容的基礎上，過程如圖1，首先進行動作設計，然后對運動員進行動作捕捉，建立教學動作數據庫，對數據進行加工處理后，用3Dmax軟件實現模型的轉化，最后制作成動畫應用在教學中。

圖1 動作捕捉技術在排球教學中應用流程

基本動作的訓練主要是為了在實戰中應用。學生經過反復訓練，將規范動作變成一種本能反應，才能夠在實戰中迅速做出正確的選擇，減少不必要失誤的發生。針對排球中的發球、傳球、扣球、攔網以及基本步法等基本動作進行設計，來滿足排球教學的需求。

教練員穿上關鍵部位貼有Marker的單色服裝，演示設計好的教學動作，如圖2。采用多臺近紅外高感度專用攝像機也就是信號捕捉設備，對運動員身上的Marker進行跟蹤和監視，記錄下教練員的動作軌跡。

圖2 動作演示

（1）數據庫建立

采用光學式動作捕捉技術，對捕捉到的數據進行處理，還原為空間三維點，以此數據生成模型運動所需的動作數據，用該數據去驅動計算機動畫模型。[5]然后利用偏移映像、運動拼接等運動編輯技術完成動作修改，最后將模型的動作與骨架圖一起保存起來，建立教學動作數據庫，如圖3。

圖3 數發球動作的模型圖與骨架圖

（2）數據分析

利用捕捉到的運動目標的標識點的空間三維運動軌跡坐標，分析運動目標的運動特征，如圖4，計算出所需的相關運動參數，如發球時手臂的最佳角度、接球時手腕的角度等，便于學生對技術動作進行系統性分析。

圖4 接球動作的骨架圖及運動軌跡

教師也可以在Windows平臺上打開三維坐標窗口，對捕捉到的三維數據，包括關節圖、軌跡圖、骨骼模型圖的顯示、再現，更加直觀的展示出動作的要領。也可以對學生的動作進行捕捉，在平面坐標窗口中表示出坐標變化曲線、運動特征曲線等，與標準動作的運動曲線進行對比，例如發球動作中腕部關節點運動軌跡，如圖5，找出關鍵節點的差異，有助于教師采用正誤對比，及時糾正學生的錯誤動作，大大提高了教學質量。

圖5 關節點運動軌跡對比

對捕捉的三維運動數據的任意標識點任意時刻在x、y、z方向上可進行靈活的手動編輯、修補，并提供完備的差值、濾波處理，使之更接近完美，使模型動作更具特色。另外，三維圖形的同步顯示更直觀，生動的3D模型輔助顯示能夠更準確的把握修改結果。數據轉換功能可以向 3Dmax Studio、Maya、Motion Builder等3DGC軟件提供通用格式的運動數據（CSM、BVH、TRC、FBX等）。

四、動作捕捉技術教學效果分析

為了全面準確地了解動作捕捉技術在排球教學中的作用，以及學生對這種教學的看法，筆者采用實驗法和數理統計法進行分析。

首先，對遼寧師范大學2012級排球選修課的班級進行隨機抽樣，隨意選出兩個班級，隨機分為實驗班和對照班。實驗前，對兩個班學生對排球的興趣、現有的技術水平和學習動機進行問卷調查。 結果表明：兩組學生的排球興趣、技術水平和學習動機沒有顯著差異（P>0.05）；對兩班學生的力量、速度、耐力、柔韌以及靈敏度進行測試，對得出成績進行分析，結果表明兩班學生身體素質存在顯著差異（P>0.05）；對兩班學生進行理論測試，對得出成績進行分析，結果表明兩班學生理論成績無顯著差異（P>0.05）。[5]因此，符合研究要求。

其次，進行實驗安排，實驗時間為2013年9月至2013年12月，教學時間為16學時。對照組采用傳統教學方法，教師對動作進行講解演示，指導學生練習，糾正錯誤動作，最后與實驗班統一進行考試。實驗組在課前先運用動作捕捉技術捕捉優秀運動員的發球、傳球、攔網以及扣球等技術動作，然后用3Dmax軟件把上述動作制作成教學動畫。在上課時觀看3D動畫演示的標準教學動作，同時觀看預先構建出來的可能出現的錯誤動作，從多角度進行對比觀察，分析原因。然后進行實際練習，用攝像機拍攝學生練習的動作，回放視頻與標準動作對比，教師給與指導，逐漸掌握動作要領，形成正確的動作定型。

最后，對兩組學生進行考核，請兩名教師對學生的四項技術進行獨立打分，再平均得到各項的分值。

所需數據均用SPSS13.0統計軟件包進行分析處理。通過對兩組學生的理論和發球、傳球、攔網以及扣球技術的掌握情況進行對比分析，數據見表1。

表1 實驗組和對照組技術水平得分的差異性檢查

結果表明，兩組學生的理論和發球、傳球、攔網以及扣球成績存在顯著差異，這表明在排球教學中應用動作捕捉技術，對提高學生的技術水平、提高教學質量有很大幫助。

動作捕捉技術在排球教學中的應用，實現了與虛擬場景系統的實時交互，便于量化分析，對教學中出現的不足進行改進，擺脫純粹依靠理論教學的狀態，進入數字化時代，大大提高教學效果，可以預料動作捕捉技術將會在教學中得到越來越廣泛的應用。

[1]金剛,李德華,周學泳.表演動畫中的運動捕捉技術[J].中國圖像圖形學報,2000(3):264-267.

[2]吳少軍,胡燕紅.動作捕捉技術發展新趨勢及其對影視工業影響簡論[J].群文天地,2012(2):129-130.

[3]李明宇,趙亮,姜軍.動作捕捉技術應用研究調查報告[J].科技信息,2011(36):463.

[4]尹釗.動作捕捉在影視作品中的應用[J].影視制作, 2010(11):44-48.

[5]馮遠淑,陳福民.基于動作捕捉的計算機動畫探討與實現[J].同濟大學學報（自然科學版）,2004(7):956-960.

（編輯：魯利瑞）

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：1673-8454（2015）04-0077-04