動(dòng)作捕捉技術(shù)在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域中的應(yīng)用分析①

胡緒 李俊強(qiáng) 陳振 楊科 蒙超和

(陸軍軍醫(yī)大學(xué) 重慶 400038)

動(dòng)作捕捉技術(shù)（Motion capture）是一項(xiàng)利用外部設(shè)備來對(duì)物體的位移或活動(dòng)軌跡進(jìn)行處理和記錄的技術(shù)。它最早起源于動(dòng)畫師Max Fleischer在1914年發(fā)明的“動(dòng)態(tài)影像描摹”，隨著數(shù)字化的發(fā)展進(jìn)程及人類對(duì)視覺效果的提升，動(dòng)捕技術(shù)于20世紀(jì)80、90年代開始被應(yīng)用于電影特效制作中，特別是在電影《指環(huán)王》《阿凡達(dá)》中，動(dòng)捕技術(shù)得到了成功展現(xiàn)，極大地提升了人們的視覺效果。之后，動(dòng)捕技術(shù)開始用于三維動(dòng)畫、游戲、人體工程學(xué)、模擬訓(xùn)練及生物力學(xué)研究等諸多領(lǐng)域，展示出較強(qiáng)勁的研發(fā)前景和價(jià)值[1]。目前，動(dòng)作捕捉技術(shù)在體育領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，它已經(jīng)成為競(jìng)技比賽中不可或缺的重要組成部分。動(dòng)作捕捉技術(shù)在高水平運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中主要應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)評(píng)估篩查技術(shù)、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練監(jiān)測(cè)、技戰(zhàn)術(shù)研發(fā)等方面，隨著技術(shù)的升級(jí)，其應(yīng)用效果更加科學(xué)、高效，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。

1 動(dòng)作捕捉技術(shù)的概念及分類

韓麗、劉祺[1]認(rèn)為，動(dòng)作捕捉技術(shù)是一項(xiàng)通過在運(yùn)動(dòng)物體的關(guān)鍵部位放置跟蹤器，基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理，將采集到的信息以圖像形式記錄下來，得到三維空間坐標(biāo)，以此形成運(yùn)動(dòng)軌跡的技術(shù)。

動(dòng)作捕捉技術(shù)分類比較多樣，從原理上追溯可分為機(jī)械式、聲學(xué)式、電磁式和光學(xué)式[2]。每種捕捉技術(shù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的組成及優(yōu)缺點(diǎn)都有較大的區(qū)別，性能、技術(shù)成熟度、適用范圍等都有較大的區(qū)別見表1。

目前，較常用的主流動(dòng)捕技術(shù)主要包括光學(xué)捕捉和慣性捕捉兩大類。光學(xué)捕捉具有精度高、動(dòng)作束縛小、采樣速率高等特點(diǎn)，但相對(duì)的對(duì)外界環(huán)境要求較高，成本較高，適用于電影中面部表情等的拍攝；慣性捕捉雖然精度相對(duì)不高，但因具有靈活、抗干擾性強(qiáng)、使用方便、高性價(jià)比等特點(diǎn)，特別適用于對(duì)關(guān)節(jié)或動(dòng)作的捕捉，對(duì)體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的針對(duì)性訓(xùn)練、成績(jī)提高、技術(shù)水平改進(jìn)、預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷等方面的跟蹤評(píng)價(jià)具有顯著作用。

2 動(dòng)作捕捉技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的應(yīng)用

雖然動(dòng)作捕捉技術(shù)在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，但實(shí)際上它的市場(chǎng)相對(duì)較小。因?yàn)楸仨氂羞\(yùn)行技術(shù)的支持，如慣性技術(shù)、人體運(yùn)動(dòng)學(xué)、人體生理學(xué)、通信和計(jì)算機(jī)等，動(dòng)捕技術(shù)甚至無法直接被當(dāng)作一個(gè)學(xué)科來對(duì)待，而是一個(gè)匯集了多門學(xué)科技術(shù)的綜合體。目前，運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的研究還處于起步上升階段，最近對(duì)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在田徑、隔網(wǎng)球類項(xiàng)目、游泳、搏擊等相關(guān)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)中的發(fā)展進(jìn)行了研究。考慮到動(dòng)捕技術(shù)的多方面優(yōu)點(diǎn)及使用價(jià)值，將有越來越多的關(guān)于肢體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方面的項(xiàng)目使用新興的動(dòng)捕技術(shù)來實(shí)現(xiàn)仿真建模，更好地為各類運(yùn)動(dòng)和訓(xùn)練做鋪墊。

各類體育運(yùn)動(dòng)是運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中最常見、最大眾化的身體表現(xiàn)。對(duì)體育運(yùn)動(dòng)來說，每一個(gè)動(dòng)作都是可以定格剖析的。比如，為什么有的跳高運(yùn)動(dòng)員可以跳很高，有的不管訓(xùn)練多么刻苦都無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)人會(huì)說是因?yàn)橛刑叩奶熨x，而借助動(dòng)作捕捉技術(shù)，這些問題都可以迎刃而解。通過捕捉運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)軌跡，采集數(shù)據(jù)量化后分析各個(gè)動(dòng)作要點(diǎn)和發(fā)力點(diǎn)，將優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員與訓(xùn)練成績(jī)差的人相對(duì)比，同時(shí)結(jié)合人體運(yùn)動(dòng)生理學(xué)原理，找出運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵點(diǎn)問題，研究改進(jìn)方法，幫助其訓(xùn)練，徹底擺脫純粹依靠經(jīng)驗(yàn)訓(xùn)練、教學(xué)的狀態(tài)，進(jìn)入數(shù)據(jù)化、科學(xué)化的訓(xùn)練時(shí)代。其具體主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 用于3D建模仿真

當(dāng)今計(jì)算機(jī)3D建模與仿真技術(shù)飛速發(fā)展，為許多領(lǐng)域帶來了福音。在體育運(yùn)動(dòng)教學(xué)訓(xùn)練中，為動(dòng)作類如田徑、游泳、籃球、器械等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作的建模仿真就顯得具有積極性且至關(guān)重要。首先，運(yùn)用高速攝像機(jī)拍攝運(yùn)動(dòng)人員的標(biāo)準(zhǔn)示范動(dòng)作，通過系統(tǒng)平臺(tái)采集運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，建立運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫，利用分割策略分離后運(yùn)用動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)劃算法計(jì)算運(yùn)動(dòng)軌跡，然后根據(jù)追蹤的人體各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)形成人體骨骼系統(tǒng)，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合系統(tǒng)獲得包含動(dòng)作表現(xiàn)的三維信息模型，實(shí)現(xiàn)3D建模。同時(shí)，再依據(jù)動(dòng)作演示功能，獲取360°全方位觀察角度，并同時(shí)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)信息，建立仿真系統(tǒng)，通過不同對(duì)象的比對(duì)，增強(qiáng)對(duì)每個(gè)動(dòng)作的直觀視覺效果，便于進(jìn)行有針對(duì)性的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和訓(xùn)練成績(jī)的提高。目前，運(yùn)用動(dòng)作捕捉技術(shù)研究體育運(yùn)動(dòng)類項(xiàng)目的訓(xùn)練也主要集中在這方面，即通過演示者標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作的建模，建立系統(tǒng)，與學(xué)習(xí)訓(xùn)練者通過動(dòng)捕技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)圖像等數(shù)據(jù)相比對(duì)，得出進(jìn)一步改進(jìn)提升的方法。

2.2 用于3D運(yùn)動(dòng)分析

運(yùn)動(dòng)分析在體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中占有重要地位，而動(dòng)捕技術(shù)的出現(xiàn)可以較好地補(bǔ)充到人為主客觀的識(shí)別判斷中，為運(yùn)動(dòng)分析的準(zhǔn)確性奠定基礎(chǔ)。目前，通過構(gòu)建實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)比較大眾化。這種系統(tǒng)主要是利用動(dòng)作捕捉技術(shù)獲得實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)量化數(shù)據(jù)，導(dǎo)入計(jì)算機(jī)后形成3D模型視頻。這樣不僅可以觀測(cè)到整個(gè)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)流程，還可以對(duì)單個(gè)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作作出量化分析，根據(jù)生物力學(xué)相關(guān)的動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)肌電圖和模擬信號(hào)分析采集的同步。同時(shí)，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)率、比對(duì)差異性，從而明確個(gè)體習(xí)慣性錯(cuò)誤動(dòng)作，為進(jìn)一步進(jìn)行針對(duì)性訓(xùn)練提供依據(jù)。此外，將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)數(shù)字化后可以長(zhǎng)久保存，形成歷史記錄檔案，方便以后不同年齡、不同體質(zhì)人員運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的橫向比較，形成大數(shù)據(jù)庫模式，從而動(dòng)態(tài)地掌握連續(xù)或某一單獨(dú)動(dòng)作的動(dòng)作技術(shù)改進(jìn)過程，提升訓(xùn)練效果與競(jìng)技水平。目前，已有國外國內(nèi)廠家致力于研發(fā)此類運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)并不斷設(shè)計(jì)與優(yōu)化，對(duì)運(yùn)動(dòng)者生理生化指標(biāo)、運(yùn)動(dòng)監(jiān)控及運(yùn)動(dòng)康復(fù)等具有巨大作用。

2.3 用于精確量化評(píng)判

隨著科技、信息化和人工智能化的飛速發(fā)展，動(dòng)作捕捉技術(shù)在現(xiàn)代競(jìng)技體育中的應(yīng)用越來越廣。特別是由于越來越多的體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目都體現(xiàn)出了高對(duì)抗、多方向、剛速度、隱蔽性強(qiáng)的特點(diǎn)，使得人為的用眼睛判斷常出現(xiàn)一定差別，對(duì)競(jìng)技體育精神造成一定困擾。現(xiàn)在，電子裁判的出現(xiàn)很好地解決了這個(gè)問題。電子裁判在競(jìng)技比賽中可以很好地輔助臨場(chǎng)裁判員的判罰，做到精確化評(píng)判，使判罰更加準(zhǔn)確、透明、公平、權(quán)威，同時(shí)也維護(hù)了競(jìng)技體育的精神。如在網(wǎng)球、羽毛球、排球、武術(shù)、擊劍、跆拳道、搏擊等人體接觸類與非人體接觸類的隔網(wǎng)、對(duì)抗項(xiàng)目中，在高速對(duì)抗中對(duì)有效部位的攻擊，隔網(wǎng)項(xiàng)目比賽中的違例、是否壓線、出界等情況就需要必須判罰精確，電子裁判可以很好地代替臨場(chǎng)裁判員自動(dòng)計(jì)算出成績(jī)，具有客觀公正性。目前，捕捉技術(shù)系統(tǒng)設(shè)備、“鷹眼”[3]技術(shù)也稱為即時(shí)回放系統(tǒng)，在對(duì)運(yùn)動(dòng)人員不產(chǎn)生任何影響的情況下為此類項(xiàng)目做更加精確量化的評(píng)測(cè)，然后將收集到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)數(shù)字化后導(dǎo)入事先建立的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)計(jì)分系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化精確量化的綜合評(píng)判。

2.4 在體育運(yùn)動(dòng)教學(xué)訓(xùn)練中的交互作用

在運(yùn)動(dòng)實(shí)訓(xùn)過程中，在不便于操作計(jì)算機(jī)的情況下，基于用體感交互設(shè)備捕捉系統(tǒng)以手勢(shì)、身體姿勢(shì)及語音進(jìn)行人機(jī)交互控制，實(shí)現(xiàn)快速、高效的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)示范和直觀感受[4]。更能進(jìn)一步改進(jìn)參訓(xùn)人員的動(dòng)作姿勢(shì)，建立正確技術(shù)動(dòng)作姿態(tài)，強(qiáng)化訓(xùn)練效果提升，減少訓(xùn)練傷病發(fā)生，以提高運(yùn)動(dòng)水平能力，獲得更好的訓(xùn)練成績(jī)。對(duì)訓(xùn)練者身體核心區(qū)域的穩(wěn)定性、關(guān)節(jié)功能穩(wěn)定性、關(guān)節(jié)功能的延展性起到很好的幫助和改進(jìn)作用。對(duì)運(yùn)動(dòng)中的跑、跳、旋轉(zhuǎn)、翻越、爬行、翻滾等復(fù)雜技術(shù)動(dòng)作更為直接、直觀的展示效果，為建立人體的運(yùn)動(dòng)條件反射起到更好的積極作用，減少了口述講解帶來的空洞表現(xiàn)。

3 結(jié)語

新一代的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)以其精準(zhǔn)、快捷的3D建模、運(yùn)動(dòng)分析監(jiān)控、人機(jī)交換等特點(diǎn)在許多專業(yè)領(lǐng)域有著廣闊的前景。這類體感運(yùn)動(dòng)是無標(biāo)記的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備，因動(dòng)作高效、直觀的特點(diǎn)給人們帶來全新的操控體驗(yàn)。掀起該領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)熱潮，也從原有的影視、游戲界迅速擴(kuò)展到體育運(yùn)動(dòng)、醫(yī)學(xué)、康復(fù)、教育、商業(yè)等領(lǐng)域。動(dòng)捕技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的應(yīng)用表明，運(yùn)動(dòng)捕捉對(duì)提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)、訓(xùn)練的高效率性和科學(xué)性均具有積極作用。因此，如何將運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)向更高精度、更低成本、功能更強(qiáng)、更方便的方向發(fā)展，從而更好地為競(jìng)技體育服務(wù)是一個(gè)有待解決的重大問題。

總之，動(dòng)作捕捉是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，目前礙于科研水平、外界環(huán)境、成本、定位精度、實(shí)時(shí)性等客觀條件的制約，其在全球的發(fā)展還處于初級(jí)階段，在我國的發(fā)展也有待進(jìn)一步提高。但動(dòng)作捕捉從未限定在某個(gè)固定的領(lǐng)域，它的未來必定還有更多可拓展的發(fā)展方向。