動作捕捉技術下武術訓練系統淺探

牛 凱 陳 皓

武漢職業技術學院，湖北 武漢 430074

現代信息技術的快速發展，對人們的生活產生了深遠的影響，也在不斷改變人們學習知識和身體鍛煉的方式。當前，隨著計算機技術的普及和數字教育應用的推廣，動作捕捉技術不斷被應用于運動訓練，促進體育訓練向數字化、科學化發展。武術作為我國優秀傳統體育文化的代表，也應將動作捕捉技術與傳統武術訓練相結合進行研究，讓武術通過信息技術手段煥發生機。

1 動作捕捉技術與武術之間的關系

隨著信息技術的快速發展，全球范圍內掀起一場影響人類社會發展深刻變革。武術作為我國傳統體育文化項目的代表，也應緊跟信息技術時代潮流更好的滿足人們現代化需求。武術教學屬于操作性技能教學，具有較強的實踐性和直觀性，需要言傳身教和準確的示范與講解。因為武術教學內容和方式的特殊性，慕課、多媒體等通過視頻、語音和圖片進行教學的現代信息技術，可以作為武術教學的輔助方式，但不能作為武術教學的主要方式。動作捕捉（Motion capture），簡稱Mocap，是在運動物體的關鍵部位設置跟蹤器，并進行測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運動軌跡。因此，可以將操作性技能的動作軌跡進行三維數字化處理，然后以動畫和虛擬現實等方式呈現出來。目前，發達國家動作捕捉技術已經開始卓有成效地應用于各類體育項目訓練，我們應該緊跟信息技術時代步伐，加快將動作捕捉技術應用于武術訓練的分析和研究，進一步提高我國武術訓練水平，讓武術通過信息技術手段煥發出新的生機。

2 基于動作捕捉技術下武術訓練系統研究的意義

2.1 促進優秀文化遺產的保護和傳承

武術作為中華民族優秀傳統文化，在形成和發展中形成了多種流派。早在二十世紀八十年代原國家體委通過對武術挖掘整理工作中共認定了129個拳種。武術無論是在道德層面還是在技術理論層面，都充溢著傳統文化的精神內涵，是中華民族珍貴的文化遺產。習近平總書記也明確指出，“培育和弘揚社會主義核心價值觀必須立足中華優秀傳統文化，博大精深的中華優秀傳統文化是我們在世界文化激蕩中站穩腳跟的根基。”目前，由于眾多因素的影響，隨著一些武術流派傳承人的離世，武術流派斷層，拳種的失傳等問題日益突出，這也對我國武術非物質文化遺產的保護和傳承形成了巨大的挑戰。通過基于動作捕捉技術下武術訓練系統可以對不同流派，拳種進行動作數據捕捉與處理，然后通過數據與動畫角色綁定，制作出武術訓練系統軟件，這樣就能夠長期、精確、有效和立體化的保存民族文化的內容。基于動作捕捉技術的武術訓練系統的研究成果和經驗也可以很好地為我國民族舞蹈、雜技等民族文化項目借鑒，更好的促進我國優秀文化遺產的保護和傳承。

2.2 促進武術更好的傳播與推廣

隨著信息技術的快速發展，微課、慕課等線上教育已經被廣泛地應用于實踐教學和訓練中。傳統的師徒制和現代的班級授課制是武術傳播的主要方式，老師能同時進行一個甚至數十個學生的教學，但信息增值率依舊不高。由于武術訓練內容和方式的特殊性，需要言傳身教，必須要通過準確的示范與講解。慕課、多媒體等只是通過語言和視頻傳播的教學方式，可以作為武術教學的輔助方式，但不能作為就武術教學的主要方式。通過運用基于動作捕捉技術下武術訓練系統，能夠比較直觀地，多個示范面地展示，并且可以不受時間、地點的限制，將信息增值率擴大成千上萬倍。學生可以通過下載應用程序，安裝后根據自身的需求，輕松自如的在手機等設備上通過觸屏的方式，拖拽來轉換視角、調整視覺距離，即使被擋住的動作也可以通過改變視角來觀察到，具有針對性的反復學習和訓練動作，并迅速地掌握動作要點。基于動作捕捉下武術訓練系統可以通過手機應用商場，在線課程等網絡形式快速下載傳播，更好地促進武術的傳播與推廣。

3 基于動作捕捉技術下武術訓練系統的研發和應用

圖1 人體骨骼模型及慣性動捕儀的17個采集點

基于動作捕捉技術武術訓練系統研發和應用需要武術動作數據捕捉，數據檢查和修正，人體建模，人體模型綁定動作數據，軟件制作和實踐應用共六個步驟。

3.1 訓練系統的研發

3.1.1 武術動作的數字化

使用動作捕捉技術可以實現武術動作的精確記錄，完成武術動作的數字化。目前的動作捕捉系統主要分為機械式動態捕捉系統、聲學式動態捕捉系統、電磁式動態捕捉系統、慣性動態捕捉系統和光學式動態捕捉系統5 種。由于慣性動捕儀具有不受環境干擾影響，不怕遮擋，捕捉精確度高，采樣速度高，達到每秒100次或更高，并且采用高集成芯片、模塊，體積小、尺寸小，重量輕，性價比高等優點，因此，本研究主要采用慣性動作捕捉儀對武術教練整套武術動作進行完整的動作數據采集和處理。

3.1.1.1 武術動作數據捕捉

慣性動捕儀通過在人體的17個關鍵部位綁戴慣性傳感器，然后通過每秒100幀的速率對關鍵部位的運動進行實時測量。17關鍵點包括：頭、胸、背、上臂、前臂、手掌、髖、大腿、小腿、腳掌。捕捉得到的三維數據包括每個關鍵點的偏移距離和YXZ三維旋轉角度。但在計算機中人體骨骼模型不只17塊，通過反向運動學原理，依據慣性動捕儀提供的17個關鍵點產生的三維數據，推算出其余的多節脊椎、頸等部位的三維信息。

3.1.1.2 武術動作數據的后期處理

在采集武術動作數據后，還需要對數據進行檢查和修正，以保證三維動作的流暢性和穩定性。因為人體所佩戴的傳感器可能發生混淆和遮擋，所以在動作捕捉儀采集過程中會產生誤差；慣性動捕儀是通過對人體17個關鍵部位數據的采集，運用反向運動學原理推算骨骼其他部位的三維數據所以也會產生誤差。我們采集的雙足數據時發現過于貼近，從而引起雙足模型的重合，所以我們要通過MotionBuild軟件逐幀進行骨骼三維數據的修正，以增大雙足的間隙，修正足部位置。

圖2 在MotionBuild軟件中校正武術動作瑕疵

3.1.2 武術動作的動畫生成

通過動作捕捉可以得到一個包含人體骨骼結構信息、時間信息、每塊人體骨骼的三維信息。通過這些信息可以和計算機中的虛擬人體進行綁定，還原整套武術動作，制作出武術動畫。

3.1.2.1 人體建模

武術動作數據要與人體角色進行綁定才能展現，我們可以根據不同需求建立不同的人物模型。目前常見的以人體建模分為幾何手動建模和照片自動建模兩種方式。本研究主要使用3DMAX軟件可以進行虛擬人體的手動建模，通過規則的幾何體開始，逐漸修正幾何面，使得模型逐漸逼近人體模型。我們在強調身體結構建模的同時也更加強調人體面部的識別和處理，因為我們在強調動作數據的重要性的同時，也希望把動作數據的展現者的原貌更好的保存和展現，特別是對非物質文化傳承人的保護，所以我們認為人體的臉部模型建模也是極其重要一個環節。在人臉建模時，我們使用FaceGenModeller軟件，通過人物的正面和左右側面三張照片就可以進行自動建模，然后輸出到3DMAX軟件，進行模型組裝、貼圖合并即可得到最終的人體模型。

3.1.2.2 人體模型綁定動作數據

在3DMAX軟件中對虛擬人體建模完成后，需要在Unity軟件中將虛擬人體和武術動作進行綁定。綁定需要三個步驟：設定動畫為人型動畫（Humanoid）如，虛擬人體的骨骼配置與武術動作骨骼一致，虛擬人體綁定動畫。在Unity軟件中可以制作動物動畫、人型動畫等多種動畫，武術動作應使用人型動畫。不同的虛擬人體骨骼結構可以各不相同，在Unity軟件中可以靈活的配置骨骼，以使虛擬人體與武術動作捕捉數據中的骨骼一致。最后，在虛擬人體的動畫控制器（Controller）中綁定武術動畫。

3.1.3 武術訓練軟件制作

人體角色與武術動作數據綁定后，通過Unity編程將動畫場景、音樂解說、播放暫停設置、GoogleVR雙目觀看等功能進行添加設置，最后通過Unity的多平臺生成功能制作安卓APP軟件操作系統。動畫場景是在計算機虛擬空間中構建一個虛擬教室，給武術教學一個展示空間；音樂解說是在武術動作教學時進行武術動作講解；播放暫停是讓學生在學習過程中可以暫停或恢復學習，來自由掌握學習進度。我們可以通過運用谷歌公司提供的CardBoard虛擬現實插件實現簡易的虛擬現實功能，讓學員用雙目易身臨其境地觀看虛擬教室中的武術動作教學，并可以跟隨指導一起訓練。

3.2 實踐應用

課題組早在2019年5月就已制作完成基于動作捕捉技術下的太極拳訓練系統，并開始著手該系統進入實踐應用測試。特別在2020年冠狀病毒疫情期間，為避免病毒在人與人之間的傳播，武術課程采用線上授課，所以將已經完成的基于動作捕捉技術下的太極拳訓練系統用于教學實踐，首先老師通過在線教學平臺小范圍給學生，學生通過下載安裝軟件就可以進行訓練和學習。基于動作捕捉技術設計的太極拳訓練系統是一個可以在屏幕上拖拽來轉換視角、調整視覺距離，即使被擋住的動作也可以通過改變視角來觀察到，讓學生任意視角進行學習模仿，并迅速地掌握全部動作要點。課前，師生可以預習太極拳新課內容，對重難點先有所了解；課中，在教師集體講解和示范后，教師根據學生需求和技能發展情況進行程序化教學，學生可以選擇不同的技術內容進行學習和練習，讓教學具有開放性和針對性，并且讓因材施教和學生接受個性化教學成為了現實，武術教師能夠真正在集體化教學環境中實現個性化教學；課后，學生可以對所學內容進行復習和鞏固，及時解決課堂教學中遺留的疑難問題。這樣就能有效地拓展教學空間和時間，提供師生因材施教的個性化的教學。基于動作捕捉技術下武術訓練系統在實踐應用中雖然取得的良好效果，面對存在的一些問題，今后需要不斷改進和提升。

4 結語

基于動作捕捉技術下武術訓練系統的研發和應用過程，課題組成員經過了反復的研討與論證，最終考慮到因程序設計、硬件支持等因素，采用目前性價比最高的慣性動捕儀對武術動作進行數據采集和分析；為了讓武術訓練系統落地，更好的為人們服務，所以應用Unity平臺生成智能手機可以使用的軟件，采取這種APP的應用方式，可以更好的傳播與推廣。隨著HoloLens、無線Oculus等設備的發展，通過混合現實技術與武術訓練能夠相結合，人們能夠切實感受到在虛擬世界進行身臨其境的學習；隨著成本的下降，設備的普及，家庭就可以配置動作捕捉儀來對自身動作進行采集，并且可以匯聚形成一個龐大的武術動作數據庫。專家學者可以通過對大數據庫進行分析，了解人們的身心狀態、學習難點、易錯點等，更好地滿足人們需求，提供個性化的服務。武術訓練應緊跟時代步伐，加大武術訓練研發的人力、物力和財力的信息技術培訓投入，以信息化帶動武術產業的快速發展，實現我國體育產業的現代化發展。