吳昌明+于忠+段渭軍

摘 要：將三維運動捕捉分析系統(tǒng)引入到高校體育教學(xué)，應(yīng)用于教學(xué)訓(xùn)練，對改進教學(xué)的方法與手段，擴展教學(xué)資源建設(shè)技術(shù)手段，拓展教學(xué)和訓(xùn)練的空間，提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的體育運動技能有重要作用，對以肢體練習(xí)為主要手段的實踐教學(xué)有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：三維運動捕捉；高校體育教學(xué)；教學(xué)資源

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2014）08-0079-02

高校體育教學(xué)是高素質(zhì)人才培養(yǎng)的重要組成部分，相對其他學(xué)科教學(xué)來說，高校體育教學(xué)是我國高等教育的薄弱環(huán)節(jié)，現(xiàn)代信息技術(shù)沒有在高校體育教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)及虛擬仿真技術(shù)的飛速發(fā)展為高校體育教學(xué)的變革提供了有利條件。三維運動捕捉系統(tǒng)是運動捕捉技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合的典型代表，將其應(yīng)用于高校體育教學(xué)，不僅有助于改善教學(xué)的方法和手段，還能彌補教學(xué)資源制作技術(shù)上的不足，對推進體育教育信息化和現(xiàn)代化具有重要意義。

一、研究現(xiàn)狀

1.高校體育教學(xué)現(xiàn)狀

目前，我國高校體育教學(xué)是以講解示范為主，信息技術(shù)應(yīng)用還停留在以計算機輔助傳統(tǒng)體育教學(xué)階段，而信息技術(shù)與體育教學(xué)的整合相對其他學(xué)科來說更為薄弱。就現(xiàn)代信息技術(shù)在高校體育教學(xué)中的應(yīng)用來看，主要有以下幾個方面的應(yīng)用：①理論課教學(xué)中將電子板書代替手寫板書；②教學(xué)的多媒體課件主要由AuthorWare、PowerPoint、Flash等制作；③現(xiàn)有的視頻教學(xué)資源基本上都是二維視頻，三維仿真的資源很少。

2.國外研究現(xiàn)狀

在發(fā)達國家，運動捕捉已經(jīng)進入了很廣泛的實用化階段，如GolfSense是一款便攜式Golf動作輔助訓(xùn)練系統(tǒng)，通過創(chuàng)新的硬件、軟件及云平臺的結(jié)合，實現(xiàn)精準的動作捕捉和數(shù)據(jù)分析，讓高爾夫愛好者從各個角度精確地分析自己的揮桿動作，是目前高爾夫愛好者快速提升高爾夫水平的最佳訓(xùn)練用具。[1]而微軟開發(fā)的Xbox360作為一種3D體感游戲機，利用即時動態(tài)捕捉、麥克風(fēng)輸入、攝像識別、語音識別等一系列功能，讓玩家通過自身的運動來操控游戲，使其真正體驗到“體感”的精髓。[2]三維運動捕捉分析系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于影視特效、動畫制作、虛擬現(xiàn)實、游戲、人體工程學(xué)、輔助體育訓(xùn)練和運動分析、生物力學(xué)研究等許多方面。

3.國內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著計算機技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，基于運動捕捉技術(shù)的三維運動捕捉系統(tǒng)，逐漸應(yīng)用于現(xiàn)代競技體育。張延峰等人在《淺談三維動畫在運動技術(shù)影像分析上的應(yīng)用》中提到，利用人體三維動畫技術(shù)可以更好地獲取并研究其動作過程中的數(shù)據(jù)，探究其運動技術(shù)及原理，找出正確的訓(xùn)練方法。[3]張勝利等人在《基于運動捕捉的武術(shù)套路難度動作“數(shù)字裁判”的可行性研究》中，驗證了基于光學(xué)運動捕捉的人體運動分析系統(tǒng)可以對運動員的難度動作進行實時捕捉并解析，將直觀的難度動作轉(zhuǎn)變成抽象的可以量化的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對難度動作的“數(shù)字化”裁判。[4]

二、三維運動捕捉分析系統(tǒng)在高校體育教學(xué)中的應(yīng)用

三維運動捕捉系統(tǒng)是一種基于計算機圖形技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的用于準確測量和記錄運動物體在三維空間內(nèi)運動情況的設(shè)備，將其應(yīng)用于高校體育教學(xué)資源制作、教學(xué)過程、輔助教學(xué)訓(xùn)練等方面，將對高校體育教學(xué)的手段、過程、模式等產(chǎn)生重要影響，從而提出適合高校體育學(xué)科特點和教學(xué)特性的方式方法。

1.三維運動捕捉分析系統(tǒng)

三維運動捕捉分析系統(tǒng)是指借助傳感器、信號捕捉設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)處理設(shè)備等對運動中的人、動物或物體的三維運動軌跡進行實時捕捉和數(shù)字解析的系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)在于對人或物體在三維空間中的運動軌跡的測量、跟蹤、記錄和分析。

三維運動捕捉分析系統(tǒng)主要可分為機械式、聲學(xué)式、電磁式、光學(xué)式四大類。[5]

2.可行性分析

高校體育教學(xué)是高等教育的重要組成部分，其目的在于以運動和身體練習(xí)為基本手段，促進大學(xué)生增強體質(zhì)，掌握體育健康基本知識和技能。傳統(tǒng)高校體育教學(xué)訓(xùn)練過程，教師主要依靠在長期教學(xué)中總結(jié)的主觀經(jīng)驗向?qū)W生傳授體育知識和技能。學(xué)生通過模仿教師的動作并反復(fù)練習(xí)來掌握運動技能。

由于師生的交互基本上是采用言語解釋和動作示范相結(jié)合的方式，學(xué)生只能在觀摩教師動作的基礎(chǔ)上抽象地理解該動作的生理原理和技術(shù)要領(lǐng)，然后再轉(zhuǎn)化為肢體動作。教師和學(xué)生之間的思維和認知水平存在一定的差異，再加上整個教學(xué)過程是基于抽象的主觀經(jīng)驗的，這些因素必將影響學(xué)生對動作技能的掌握，也就影響了體育教學(xué)質(zhì)量和效果。

三維運動捕捉系統(tǒng)最主要的特點在于其能夠?qū)崟r捕捉人體運動的真實動作并用量化的數(shù)據(jù)來表述人體在三維空間的運動軌跡，能夠分析人體各個關(guān)節(jié)的位移、運動速度、角速度、旋轉(zhuǎn)角度等關(guān)鍵信息，并且可以實現(xiàn)人體動作的三維重現(xiàn)。通過捕捉教師和學(xué)生的動作，便于進行量化分析，結(jié)合人體生理學(xué)、物理學(xué)原理，研究改進的方法，使高校體育教學(xué)擺脫純粹的依靠經(jīng)驗的狀態(tài)，進入科學(xué)化、數(shù)字化的時代。

3.在體育教學(xué)資源制作中的應(yīng)用

三維運動捕捉系統(tǒng)具有能夠捕捉人體真實的運動情況，提供運動軌跡和量化數(shù)據(jù)，提供多個視角及調(diào)整捕捉文件的播放速度的特點。在高校體育教學(xué)中使用三維運動捕捉系統(tǒng)，能夠使體育教學(xué)擺脫純粹依靠經(jīng)驗的狀態(tài)，進入科學(xué)化、數(shù)字化的時代，有利于學(xué)生對體育動作的理解和學(xué)習(xí)，而不僅僅是單純的模仿，有利于學(xué)生運動技能的掌握，從而提高教學(xué)的質(zhì)量和效率。

高校體育教學(xué)目前常用的多媒體資源多是技術(shù)影片和動畫，技術(shù)動畫的示范真實性與動畫的制作者水平有很大關(guān)系，即使動畫制作高手費時費力的制作某項技術(shù)動畫，也很難實現(xiàn)攝影機在短時間內(nèi)拍攝的視頻效果，一般的體育工作者就更難以勝任了。

目前體育教學(xué)中常用的多媒體資源是影片和動畫，不能對畫面中的示范者和攝像機進行操控，學(xué)習(xí)者只能按照資源展示的視角和距離以及示范者展示的角度和距離來觀察技術(shù)動作，不能隨意觀察特定技術(shù)動作的便利角度，致使學(xué)習(xí)者與資源間的交互較為被動，而三維運動捕捉分析系統(tǒng)具有實時捕捉三維空間內(nèi)的動作軌跡，并將動作量化為精確的數(shù)據(jù)。利用三維運動捕捉分析系統(tǒng)，再與相關(guān)制作軟件結(jié)合，可大大提高相關(guān)技術(shù)動畫的技術(shù)性以及制作效率。

4.在輔助教學(xué)訓(xùn)練中的應(yīng)用

在現(xiàn)階段的高校體育教學(xué)中，學(xué)習(xí)者主要基于對教師動作示范的記憶而自己練習(xí)，只有當(dāng)教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生的錯誤時才能有效的糾正，這種方法效率低且不利于學(xué)生學(xué)習(xí)。三維運動捕捉分析系統(tǒng)可以先后將教師與學(xué)生的動作軌跡捕捉下來，及時向?qū)W生提供相應(yīng)的反饋信息，其中為學(xué)生提供的反饋信息主要包括兩個方面：一是學(xué)生所做的動作與要求完成動作的對比信息，二是如何改正錯誤動作使之盡可能接近標準動作的信息。這樣能夠起到促進學(xué)生糾正錯誤動作的作用，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。

學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進行動作技能的練習(xí)和訓(xùn)練也是高校體育教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)，是學(xué)生對動作技能掌握的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在體育教學(xué)訓(xùn)練中，及時獲得掌握技術(shù)動作程度的反饋信息，有助于改進技術(shù)訓(xùn)練方法和改善調(diào)控技術(shù)訓(xùn)練過程。要實現(xiàn)這一目的，必須借助科學(xué)的測試診斷并結(jié)合豐富的經(jīng)驗診斷，即采用先進的生物力學(xué)設(shè)備與方法進行診斷，然后結(jié)合教師的實踐經(jīng)驗進行配合斷定。三維運動捕捉系統(tǒng)作為生物力學(xué)研究的有效設(shè)備，能夠有效地為體育教學(xué)訓(xùn)練提供更多、更有價值的信息。

將三維運動捕捉分析系統(tǒng)引入高校體育教學(xué)，應(yīng)用于教學(xué)訓(xùn)練，能提供真實客觀的運動信息和量化的運動數(shù)據(jù)，對改進教學(xué)的方法與手段，擴展教學(xué)資源建設(shè)技術(shù)手段，拓展教學(xué)和訓(xùn)練的空間，提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的體育運動技能有重要作用，對舞蹈、雜技、機械操作等以肢體練習(xí)為主要手段的實踐教學(xué)有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]朋友高爾夫. GolfSense是全球首款便攜式Golf動作輔助訓(xùn)練系統(tǒng)[DB/OL]. http://www.111golf.com/goods-2404.html.

[2]蔣子豪.微軟Xbox360體感游戲機[DB/OL].http://tiganyouxiji.baike.com/article-258904.html.

[3]張延峰,宋麗,井紅麗.淺談三維動畫在運動技術(shù)影像分析上的應(yīng)用[J].冰雪運動,2006(2).

[4]張勝利,郭志禹.基于運動捕捉的武術(shù)套路難度動作“數(shù)字裁判”的可行性研究[J].首都體育學(xué)院學(xué)報, 2011(1).

[5]百度百科.三維運動捕捉系統(tǒng)[DB/OL].http://baike.baidu.com/view/8130078.htm#1_2.

（編輯：魯利瑞）