基于Moven的籃球技術三維仿真動畫的實現*

馮 卿，趙鵬飛，馮 梅（.浙江理工大學體育教研部，浙江 杭州008；.浙江財經大學東方學院外國語分院，浙江 海寧008；.臺州初級中學體育組，浙江臨海7000）

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基于Moven的籃球技術三維仿真動畫的實現*

馮 卿1，趙鵬飛2，馮 梅3
（1.浙江理工大學體育教研部，浙江 杭州310018；2.浙江財經大學東方學院外國語分院，浙江 海寧310018；3.臺州初級中學體育組，浙江臨海317000）

通過XsensMoven慣性運動捕捉系統獲取全面真實的籃球運動三維數據，并結合計算機虛擬仿真技術生成籃球技術三維仿真動畫，以應用于籃球運動輔助教學與訓練。首先通過動作捕捉技術采集籃球運動員的動作信息，然后利用三維建模技術進行籃球人物、場景和服飾建模，最后將捕捉的關鍵動作數據點與人物模型相綁定，合并場景，生成籃球運動技術三維動畫。運用三維仿真動畫形式演示籃球運動技術，可以全方位地表達教學意圖，優化自主學習的過程，提升教學質量。

運動捕捉；籃球運動技術；三維動畫；虛擬仿真

一、引言

籃球運動技術是一項以模仿訓練為主的操作性技能，學員需要獲得大量的觀察、模仿、反饋、修正等本體感覺外的感知信號，特別是視聽感覺，在目前教學模式下，學生總是通過觀察教師的親身示范與講解來領會運動技術。但由于教師專業水準的局限，其示范的準確性及示范面的單一性在一定程度上影響學習的效果，加之缺乏及時溝通與糾正，則會導致學生形成錯誤的動作定型，亦會容易造成運動損傷。若在教學過程中運用三維仿真動畫全方位演示的優勢展現教學技術內容，恰恰能彌補傳統學習方式的不足。

當前，通過運動捕捉技術創作三維運動動畫，已經成為計算機動畫研究的主流。它能夠節約動畫制作周期，提升畫面質感的逼真度，在影視和游戲動畫制作、人體工程學研究、模擬訓練等許多方面得到開發與重視，但是極少應用于體育教育教學的前沿。因此，本文研究基于XsensMoven運動捕捉技術，采集籃球運動的三維數據，并結合計算機虛擬仿真技術，以驅動籃球運動技術三維人物動畫的實現，為探索體育仿真信息化資源的開發渠道提供參考建議。

二、Moven運動捕捉技術

運動捕捉 （motion capture）在國內也稱動作捕捉，其定義是：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。動作捕捉系統主要分為五類：慣性動態捕捉系統、光學式動態捕捉系統、機械式動態捕捉系統、聲學式動態捕捉系統和電磁式動態捕捉系統。

XsensMoven便攜式慣性動態捕捉系統是人體運動慣性測量系統的代表，由位于荷蘭恩斯赫德的Xsens Technologies公司研發出品。它可以實時跟蹤和采集人體運動，免除以照相機為基礎的測量系統以及發射器所帶來的局限。而區別于其他捕捉系統的絕對優勢在于：無論室內或室外、有光無光均可以使用，行動較之靈活，這點尤其適合戶外體育運動項目。

Moven慣性動作捕捉系統綜合了微型慣性測量傳感器（加速度計、陀螺儀）以及輔助技術（GPS/GNSS視覺磁場傳感器）的優勢，它共有16個慣性傳感器（圖1），軀干安置11個傳感器，可內嵌在動作捕捉服上，頭部安置1個，手部安置2個，腳部安置2個。

在采集運動數據前，需要選擇一個地磁場不受干擾的工作環境，進行計算機設備安裝調試。這時，工作人員協助運動員模特穿戴專用服裝，并完成慣性傳感器之間的電纜連接。同時，須要檢查所有慣性傳感器安裝的正確位置，合理固定傳感器與身體相應位置；另外確保模特身體表面、場地附近不能帶有金屬物品，否則會造成電磁場畸變，影響精度。然后，引導表演者做一些常規的動作，比如站立、走、跑、跳，進行動作捕捉工作之前動作校準，使得動捕數據更加準確。在校準工作結束后，即打開系統自帶的MVN studio采集及分析軟件進行錄制，模特在無線通信范圍內展示各種技術動作，此時，接收傳感器將接收到的信號通過電纜傳送給處理單元，根據這些信號可以解算出每個傳感器的空間位置和方向，從而對每個關節動作進行精準的數據捕捉和傳輸。錄制后的動作數據可以即時導出，其支持的輸出格式有BVH（Biovision分級數據）、FBX、C3D（三維坐標）等。

圖1　全身典型配置圖（16個慣性傳感器節點組成）

三、系統實現

1.實現流程

本文采用慣性捕捉系統技術獲取籃球運動員動作的關鍵骨骼點，然后將這些描述運動軌跡的關鍵點綁定在虛擬籃球人物模型上，使用這些關鍵點驅動虛擬的三維籃球運動員的動作過程，這樣可以有效的記錄下籃球運動員的肢體動作和全方位的技術特征。該實現系統的主要流程如圖2所示。

2.籃球虛擬場館的建模

基于Maya軟件構建虛擬籃球場館，要注意根據建筑設計圖的比例進行還原，同時，盡可能減少模型的面數，刪除立體模型不可視面。比如，欄桿座椅要盡量以透視紋理實現（見圖3），達到減少場館模型的文件尺寸。

圖2　系統實現流程

圖3　

3.籃球運動員人物模型構建

首先，三維仿真動畫演示的成敗是取決于角色模型的準確與恰當程度，所以建模是動畫制作過程的重頭戲。由于Maya擁有強大的建模和動畫渲染功能，因此，利用其軟件環境來創建籃球運動員的人物骨架與蒙皮。在骨架構建中，人體模型與骨骼的連接會受到相關骨骼與模型權重的影響，而它直接關系到骨骼運動中模型表面的變形效果，在此可以通過設置蒙皮權重來完善上述問題（見圖4）。同時，采取UV紋理貼圖、合并組織模型和簡化模型面數，達到優化模型，能保證減少文件尺寸和虛擬交互環境運動的流暢性的效果（見圖5）。

圖4　

圖5　

4.籃球人物模型的骨骼綁定

動作捕捉系統采集的運動軌跡是人體關節的數據點，要使得這些數據能夠驅動人物模型按照運動軌跡運動，需要進行骨骼綁定。骨骼綁定時必須注意模型關節各個數據點權重的影響，以保證模型運動的自然協調。綁定具體步驟如下：首先，將Moven動作捕捉系統采集的原始數據導入Motionbuilder（MB）中，并把動畫模型的關鍵幀局設置為0，使得人體形狀調整成初始動作TPOSE（基本骨骼）姿態，用Character節點將數據23個身體環節點進行Biped（兩足動物）基本骨骼的角色化。然后，同時導入不帶動畫的Bone skeleton（BS）人體骨骼模型，用移動和縮放工具將原始采集數據與后者進行尺寸、比例和角度上的空間匹配，以保持兩者初始動作一致；再將Bs骨骼與原始數據的關鍵節點進行映射，從而使得Bs人體骨架模型被動捕數據驅動得以運動，并保存為*fbx文件格式。最后，完成運動骨骼綁定和調試結束后，便可將新建人物數據模型導入Maya軟件中，利用角色控制工具Character Contorols，將數據模型的運動綁定在角色人物的根節點上，從而驅動角色模型，實現了動作捕捉技術的籃球運動員三維數據的運動展現。

5.運動捕捉籃球技術三維數據的動畫生成

籃球運動員模特穿戴好動捕服裝，在合適的場地內，通過動作捕捉技術真實地記錄籃球運動員的技術動作，對動作數據進行三維模型的映射處理，利用Maya軟件進行人物、場景渲染及后期音效，實現運動動作的三維動畫重現。

圖6實際投籃技術動作與生成的動畫效果對比

圖6展示了籃球運動員的實際投籃動作與數據生成的動畫兩者之間的對比效果，以檢驗動作捕捉技術是否對于籃球技術動作進行全方位的正確記錄。其中，圖6（a）是根據本文介紹的籃球技術仿真動畫生成的方法，利用Moven系統設備實時采集籃球運動員的某幀動作。以此可以獲得和該幀動作相對應的三維數據。圖6（b）是根據本文介紹的動畫生成方法，利用圖6（a）獲得三維動捕數據驅動角色模型生成的相應動畫幀效果，該動畫效果與圖6（a）實際技術動作一致。

四、結束語

籃球技術動作呈三維動畫展示具有逼真自然、動感無限的特點，可以全視角、任意距離觀察技術動作的細節和關鍵點，幫助學員建立全面、直觀的運動表象，且人機交互作用能激發學員模仿訓練的興趣，提升學員自主學習的能力，提高教學與訓練的效果。

運用Moven運動捕捉系統收集較系統的籃球運動技術三維數據，便于教師隨時整合和運用教學資源，制作成符合教學需求的動畫數據庫；亦可利用運動捕捉采集的技術動作運動參數展開運動技術的科研分析，從而統計出運動規律，使得教學過程更加直觀化和智能化。當然，在掌控并高效利用數據的過程中，勢必對體育教師的信息技術素養提出了更高的要求。

隨著“十三五”教育信息化的發展趨勢，運動捕捉等虛擬信息技術必將在體育領域具備更加廣闊的應用前景，也將在拓展高校體育教育數字化資源建設中發揮一席之地。

［1］黃波士，陳福民.人體運動捕捉及運動控制的研究［J］.計算機工程與應用，2005，41（7）：60-63.

［2］趙杰.動態捕捉五大技術種類及光學式運動捕捉的實用技巧（上）［J］．電視字幕.特技與動畫，2009（2）：30-32.

［3］張林.基于VR的籃球運動仿真輔助教材的研發［J］.計算機科學，2007，34（12）：73-77.

［4］MENACHE A．Understanding motion capture for computer animationand video games［M］.San Francisco，CA：Morgan Kaufmann Pub-lishersInc，1999．

（編輯：魯利瑞）

G80-05

A

1673-8454（2016）10-0074-03

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