體育運動訓練中動作仿真的運用分析

郭麗兵

(天津廣播影視職業學院，天津 300112)

體育運動訓練的強度日益增加，隨著社會的迅猛發展，體育運動的訓練水平逐漸增強，通過積極的改進，與傳統的訓練技術相比有很大改善。目前體育運動事業已經有較大的進步，但是隨著人們生活質量的逐漸提升，體育運動訓練技術與方法等很難追上人們的需求，所以必須借助先進的技術手段。在信息技術的支持下，努力創造更加先進的技術手段。通過先進的技術努力挖掘人體的運動細胞，使人體運動技能發揮其最大功效。

1. 動作仿真技術概述

在體育運動訓練中，最常見的觀察手段是視頻觀察法和三維動態攝影法，這兩種方法是在科學基礎上建立的。采用這兩種慣用手段能夠觀察連貫動作的分解動作，便于學習運動技巧，但是它們對外界條件的要求較高，例如光線、衣服色彩以及環境遮擋物等。所以在采用這種手段進行體育訓練時會產生較大誤差，故需要發展更為先進的信息技術來解決上述問題。近年來動作仿真技術逐漸發展起來，它是以三維動作捕捉技術為基礎，并且通過計算機來模擬仿真人體大腦，從而來控制人體運動思維。人體動作仿真技術主要包括人體模型的建立、人體在特定條件下較為真實的物理反應信號的采集、計算機模擬人體真實動作的過程模擬等方面。該技術是信息技術在體育運動過程中的一項重大突破，它能夠促進體育事業的發展，同時促進了三維動態模擬技術在體育運動中的發展[1]。

1.1 國內外研究現狀

動作仿真技術源于20世紀的三維動態拍攝技術，世界上最先開始體育運動模擬的國家是美國，從剛開始的動作捕捉系統的運用到采集數據運動學等的研究。以上兩種技術分別開創了體育運動的新浪潮。通過動作捕捉技術，美國科學家開創了下肢關節角運動在水平運動過程中的外表系統和算法，根據科學理論依據，探討了病理步態的指標以及人體模型的限制。隨后，科學家們還開創了解剖標定的內涵，通過信息采集運動學與動力學知識，分析了人體在空間運動中的諸多信息，例如盆骨位置、下肢與骨骼等重要信息。他們采用先進技術模擬人體的運動特性，并且取得了很大的成果。相比之下，國內的動作仿真技術發展較晚，與美國發達國家相比，其發展仍然比較落后。目前國內的運動仿真重點在應用研究上，而對基本理論例如算法、模型建立等研究較少。近年來我國學者利用OpenSim技術開發了很多先進的人體運動研究。例如跨欄短跑與腱傷病預防的理論分析等。此外研究人員還是使用動作捕捉技術分析了仿生外骨骼式下肢康復機器人研究，主要通過動作捕捉技術采集數據信息，并且建立人體仿真模型。這些研究都為我國體育運動仿真技術提供了科學依據，為動作仿真技術的發展提供思路，從而有效提升我國的體育運動事業[2]。

1.2 運動仿真技術概述

現代社會中，各種機械設備層出不窮，且隨著社會競爭力的增加，各種機械設備功能復雜多樣，因為人們對生活質量的追求越來越高，導致機械產品開發企業更加關注產品的功能化信息。因為只有這樣才能夠滿足人們的需求，才能在這個競爭極強的社會中占據一席之地。那這就要求研究人員努力研究各種新型產品，產品功能多樣化的前提是專家們提前了解這些機械產品的運動特性、例如材料材質、運動學和動力學的基本理論等。動作仿真技術能夠提供一些運動過程中動態模擬信息的方法，所以在現代社會中被廣泛應用。例如，研究人員利用仿真技術能夠將CAD中對裝配體進行運動約束；此外，運動仿真軟件能夠模擬并且計算出運動特性參數，例如加速度、速度等運動學信息以及慣性力、驅動力等動力學信息[3]。

根據運動仿真技術，研究人員逐漸發展了人體運動仿真技術，它主要是用來建立剛性的人體模型，通過仿真技術對人體的運動進行約束，并且設定一定的空間范圍，從而對人體運動的動態過程進行模擬。當前人體仿真軟件分為兩種，一種是專用的人體模擬軟件，通過軟件自帶的系統直接建立人體模型。另一種是機械制圖中常用的三維繪圖技術，通過軟件來建立人體模型。專業的人體建模軟件，例如ADAMS，它可以直接對建立的人體模型進行運動約束與空間約束，而機械的人體建模軟件還需要將模型導入到專業的建模軟件中進行約束條件設定，然后再進行仿真過程，這種方法顯然存在很多弊端，且在導入過程中會導致部分信息缺失，不利于體育運動中的人體動作模擬。

2. 信息技術作用下的動作仿真對體育運動的影響

2.1 動作仿真技術對學生體育運動的作用

利用現代科學研究的新型技術，能夠更好的模擬體育運動過程，在體育教學中通過視頻、音頻以及軟件插件等清晰的將動作要領展現給學生，在體育運動教學中更精準的傳授教練的動作要領以及動作需要注意的關鍵性問題，從而促進學生對體育運動的理解與掌握。此外，信息技術應用于仿真技術中，體育動作仿真能夠通過收集動態視頻等方式進行，同時還能采用軟件模擬動作的全過程，根據實際情況模擬動作發生時的環境、速度以及動作約束力等。采取動作仿真技術模擬體育運動能夠較好的掌握動作要領，并且可以更全面的掌握體育動作中可能存在的危險，從而及時避免體育運動中意外事故的發生[4]。這不僅有利于學生的健康而且能夠有效的提升體育教學質量和教學效率。學生在學習體育動作時，從動作仿真技術中感知某一動作的關鍵部分。例如基礎設施不完善等體育運動缺陷，會造成體育教學的困難，抑制體育運動的發展。當前我國已經有數十家學校開設了高爾夫球的體育教學課程，這在體育教學中是比較先進的教學，然而教學場地受到限制，這嚴重阻礙了學生對高爾夫球的熟練程度，同時也不利于該課程的建立，其課程設置目標與現實存在很大差距，降低了該課程的期望值。鑒于上述問題，現在很多高校采用模擬仿真技術來進行高爾夫球教學，通過先進技術軟件引用虛擬仿真技術來進行課程教學，例如高爾夫球的動作，模擬實驗中心場地來進行高爾夫球技術的模擬與驗證，此外通過軟件進行條件約束，還能控制氣候環境變化對體育動作教學的影響。

2.2 動作仿真技術對體育訓練教師的影響

隨著科學技術的發展，在體育運動訓練中，新課程改革也成為體育教學中的一個重大改革項目。在利用先進技術的同時能夠改變教師們陳舊的教學理念與方法。通過動作仿真技術教學，從音效視頻等動態教學方法中，能夠讓教師體會到動作仿真技術的重要性，它能夠將教師表達不清楚的動作內涵與美感生動形象的表達出來。采用動作仿真技術不僅提升了學生的學習積極性，同時也提升了教師的教學效率。采用動作仿真技術，將枯燥乏味的動作生動化，同時使得教師的備課更具有針對性，教師備課過程效率提高，且對課程的重點把握的很清楚，通過針對性訓練，刺激學生的感官，提高他們的專注度。此外，通過動作仿真技術，教師能夠采用多次播放視頻增加學生的感知與熟悉度，在日常教學中還可以將學生上課時的動作視頻與示范動作視頻進行對比，方便學生及時糾正錯誤的動作，提升學生對動作的準確度和把握程度。

3. 體育運動訓練中動作仿真技術的運用分析

3.1 建立虛擬的體育運動場景，鞏固技術動作

每個運動項目的完成均與學習的個體與個體所處環境的構建有關系，項目的完成涉及基本理論，技術以及動作要領學習等。所以體育動作教學也應該保證良好的教學環境，學生積極主動，與教師互動交流，這些都有利于動作的學習。通過動作仿真技術可以虛擬的模擬體育運動中的教學場景，這樣的場景是自由開放的，有益于學生學習的。通過電子計算機生成可視化的運動場，基礎設施，器材以及健康的運動員，能夠直觀的刺激學生的感官，提高他們對運動動作要領的觀察度，從而促進他們對動作要領的掌握。此外，可視化的虛擬場景能夠讓運動員全面體驗各種運動項目，從而增強體育運動的趣味[5]。

3.2 改善教學模式，實現教學多樣化

體育運動在人們的固有思維中是簡單的重復動作，認為只有這樣才能熟練掌握動作，具備熟練的運動技術。然而動作仿真技術打破了人們對體育運動教學的固有觀點。在體育教學中采用動作仿真技術能夠使體育課程多樣化，同時在視覺感官的前提下讓學生具有深刻的情感認知。虛擬仿真技術可以通過視覺，聽覺以及鏡面攝影等方式，讓學生有身臨其境的感受。同時通過鏡面攝影技術指出學生錯誤的動作，方便學生及時糾正錯誤動作[6]。此外，虛擬仿真技術還能夠模擬訓練者的實時動作，通過不同音效、提示、方向等提醒學習者所學體育動作的前后順序以及動作技巧等，從而提高學習者的體育運動能力。

4. 結語

動作仿真技術在體育運動訓練中具有重要意義，因此，應該加強動作仿真技術的發展，需要投入大量的時間和精力來完善動作仿真技術。從提升軟件硬件的技術開始，逐漸建立完整的體育運動訓練平臺，提升體育運動教學質量。