黃玉飛

(河南安陽工學(xué)院體育教學(xué)部 河南南陽 455000)

動(dòng)作捕捉技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀①

黃玉飛

(河南安陽工學(xué)院體育教學(xué)部 河南南陽 455000)

本文通過介紹動(dòng)作捕捉的原理和方法，總結(jié)了不同動(dòng)作捕捉技術(shù)的特點(diǎn)并展開敘述動(dòng)作捕捉技術(shù)在體育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，意在得出動(dòng)作捕捉技術(shù)在體育領(lǐng)域的局限性以及體育運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作捕捉對(duì)現(xiàn)有的動(dòng)作捕捉技術(shù)提出的新要求：第一，動(dòng)作捕捉傳感器小向型化發(fā)展，穿戴定位簡(jiǎn)單；第二，慣性動(dòng)作捕捉在體育領(lǐng)域的應(yīng)用將是主流手段；第三，動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)采集頻率快慢是體育動(dòng)作捕捉精度的關(guān)鍵指標(biāo)。

運(yùn)動(dòng)技術(shù) 動(dòng)作捕捉 人體模型 體育運(yùn)動(dòng)

先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)測(cè)量方法是體育運(yùn)動(dòng)研究的基礎(chǔ)，體育運(yùn)動(dòng)研究方法的進(jìn)步，促使了運(yùn)動(dòng)技術(shù)水平的不斷提高，以滿足體育人對(duì)優(yōu)秀體育成績(jī)的追求。因此體育運(yùn)動(dòng)科研方法必須由傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)性的訓(xùn)練模式向程序化訓(xùn)練方法轉(zhuǎn)變，由訓(xùn)練效果的定性分析向訓(xùn)練過程的精細(xì)化分析轉(zhuǎn)變。

動(dòng)作捕捉與虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展和在體育領(lǐng)域的運(yùn)用，使運(yùn)動(dòng)動(dòng)作分析過程由連續(xù)平面靜態(tài)圖片分析轉(zhuǎn)變成立體的動(dòng)態(tài)分析，通過采集固定肌肉位置的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)以及肌肉表面生理學(xué)數(shù)據(jù)信息，處理數(shù)據(jù)研判分析，找出運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，為體育運(yùn)動(dòng)提供科學(xué)系統(tǒng)的訓(xùn)練效果數(shù)據(jù)支持和訓(xùn)練方法改進(jìn)的依據(jù)。

1 動(dòng)作捕捉技術(shù)的發(fā)展

運(yùn)動(dòng)捕捉是通過傳感器采集人體標(biāo)定位置的三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡，并將其轉(zhuǎn)化為離散的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)人體模型運(yùn)動(dòng)廣泛運(yùn)用于軍事模擬、動(dòng)畫制作、體育運(yùn)動(dòng)、康復(fù)醫(yī)療等領(lǐng)域[1]。動(dòng)作捕捉領(lǐng)域大部分品牌都由國外生產(chǎn)廠商壟斷，主要品牌如下：英國Animazoo公司的慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其產(chǎn)品特性為：陀螺儀速度快、重量輕對(duì)快速動(dòng)作和細(xì)微動(dòng)作都可捕捉，英國Oxford Metrics Limited公司的vicon光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，該系統(tǒng)由不同相機(jī)對(duì)同一個(gè)一個(gè)標(biāo)記物得空間運(yùn)動(dòng)的圖像采集并輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，得出反光球該時(shí)刻在空間的三維坐標(biāo)，根據(jù)這些坐標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，可以得到標(biāo)記位置的加位移、速度、位移以及動(dòng)量和動(dòng)能等物理量的變化。目前該系統(tǒng)的最高采樣頻率可達(dá)10000fps，是現(xiàn)在主流動(dòng)作捕捉設(shè)備提供商[2]，瑞典公司研究的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是世界上唯一同時(shí)支持主動(dòng)式和被動(dòng)式運(yùn)動(dòng)捕捉的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)[3]，由于國外動(dòng)作捕捉系統(tǒng)研發(fā)時(shí)間早，功能強(qiáng)大，能滿足各種工況要求，所以價(jià)錢昂貴。國內(nèi)的動(dòng)作捕捉技術(shù)在最近十年中發(fā)展迅速，主要有：北京天遠(yuǎn)科技三維科技有限公司的天遠(yuǎn)系統(tǒng)，V.M.SENS公司的MoX Vis是一套靈活的、光學(xué)慣性融合動(dòng)作捕捉系統(tǒng)解決方案，北京度量科技有限公司的MARS2，MARS2H，MARS4H，MARS8H等設(shè)備，國產(chǎn)設(shè)備相對(duì)于國外系統(tǒng)價(jià)錢便宜，接口對(duì)接靈活多樣，輸出格式種類多，在上下游軟件和橫向軟件間匹配和兼容性好，但是在動(dòng)作捕捉的實(shí)時(shí)性，精度和工作范圍方面與國外系統(tǒng)還有一定的差距。

2 動(dòng)作捕捉系統(tǒng)原理

動(dòng)作捕捉系統(tǒng)原理就是在人體的骨性標(biāo)志處標(biāo)記上傳感器，通過傳感器測(cè)量處改標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，輸入人體模型驅(qū)動(dòng)模型，工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程圖

從捕捉的方式上來劃分動(dòng)作捕捉主要分為：機(jī)械式，聲學(xué)式，光學(xué)式，電磁式等，不同方式的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)間的特點(diǎn)如下。

機(jī)械式動(dòng)作捕捉：系統(tǒng)由角度傳感器和剛性連桿機(jī)構(gòu)組成，角度傳感器嵌在可轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)中，可以測(cè)量關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化情況。裝置工作時(shí)，根據(jù)角度傳感器所采集的角度變化和位移傳感器采集的剛性連桿的位移變化可以得出運(yùn)動(dòng)肢體標(biāo)記處的空間坐標(biāo)[3]。

電磁式和聲學(xué)式原理相近，都是由標(biāo)記位置的發(fā)生裝置，觸發(fā)電磁場(chǎng)或者超聲波，接收器接受，通過在一定空域內(nèi)接受不斷變變化的磁場(chǎng)分布確定標(biāo)記位置的空間坐標(biāo)。聲學(xué)式是通過接收器的接收時(shí)間差來確定位置和方向，電磁式分為有線和無線兩種傳輸方式，電磁式無線傳輸和聲學(xué)式在介質(zhì)傳輸?shù)倪^程中都會(huì)受到環(huán)境的干擾[4]。

光學(xué)式動(dòng)作捕捉：光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉是目前主流的動(dòng)作捕捉手段，分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種形式，主要區(qū)別是maker球的發(fā)光形式，被動(dòng)式的光學(xué)動(dòng)作捕捉的maker球反射外部光源，主動(dòng)式的maker球由發(fā)光二極管發(fā)光。系統(tǒng)的紅外攝像機(jī)通過監(jiān)視和跟蹤標(biāo)定目標(biāo)上的maker完成運(yùn)動(dòng)捕捉，常見的光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉大多基于計(jì)算機(jī)視覺原理。從理論上說，同一個(gè)maker球，能同時(shí)被兩部或兩部以上的相機(jī)采集到，就可以根據(jù)預(yù)設(shè)的相機(jī)參數(shù)，可以確定這一時(shí)刻該點(diǎn)在空間中的位置，當(dāng)相機(jī)以高幀率連續(xù)拍攝時(shí)，從視頻中就可以得到該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡；慣性式動(dòng)作捕捉：慣性式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)由姿態(tài)傳感器、信號(hào)發(fā)生器，接收器和數(shù)據(jù)處理軟件組成，姿態(tài)傳感器固定于受試者相應(yīng)的部位，通過藍(lán)無線傳輸方式將信號(hào)融合傳送至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)解算。其中姿態(tài)傳感器集成了慣性傳感器、重力傳感器、磁感應(yīng)計(jì)、加速度計(jì)、微陀螺儀等，以得到各部分肢體的姿態(tài)信息[5]。

動(dòng)作捕捉系統(tǒng)通常由信號(hào)捕捉設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備四部分組成[6]。

傳感器一般固定在人體或者運(yùn)動(dòng)物體的特定部位，向動(dòng)作捕捉系統(tǒng)提供運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)的位置信息，一般會(huì)隨著捕捉動(dòng)作的細(xì)致程度確定標(biāo)記點(diǎn)傳感器的數(shù)目。信號(hào)捕捉設(shè)備主要負(fù)責(zé)捕捉物體相關(guān)信息的獲取，所獲取的信息會(huì)因動(dòng)作捕捉系統(tǒng)類型的不同而有所差異。數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從動(dòng)作捕捉系統(tǒng)傳輸至PC機(jī)，目前采用的傳輸方式主要有USB技術(shù)和無線藍(lán)牙技術(shù)等數(shù)據(jù)處理設(shè)備主要包括計(jì)算機(jī)硬件和軟件，硬件主要指計(jì)算機(jī)等實(shí)體設(shè)備，軟件包括Motionbuilder、Maya、3DMax、opensim等，只有借助于相應(yīng)的硬件和軟件，才能將獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)回放和重利用[7]。

不同原理的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，一般可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行性能評(píng)估：定位精度、采樣頻率、動(dòng)作數(shù)據(jù)質(zhì)量、快速捕捉能力、多目標(biāo)捕捉能力、運(yùn)動(dòng)范圍、環(huán)境約束、使用便捷性、適用性等，常見的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)特點(diǎn)歸納如下：光學(xué)式（主動(dòng)和被動(dòng)）定位精準(zhǔn)，采樣頻率和數(shù)據(jù)質(zhì)量高，能很好的進(jìn)行快速動(dòng)作捕捉，捕捉空間運(yùn)動(dòng)范圍適中，多目標(biāo)捕捉困難，在室外受強(qiáng)光干擾嚴(yán)重，適合室內(nèi)小范圍單人動(dòng)作捕捉；慣性式：定位精度低，采樣頻率高，佩戴方便，連接簡(jiǎn)單，捕捉范圍非常廣，能實(shí)現(xiàn)多人動(dòng)作捕捉，且標(biāo)記點(diǎn)之間不存在遮擋和干擾現(xiàn)象，成本低廉。電磁式因?yàn)橛芯€纜連接，大幅度的動(dòng)作很難應(yīng)用，容易受到外界電磁環(huán)境的影響。

3 動(dòng)作捕捉技術(shù)在體育領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 運(yùn)動(dòng)動(dòng)作仿真

動(dòng)作捕捉系統(tǒng)捕捉到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)通過后期處理以后得到了骨性標(biāo)志的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，其中包括標(biāo)記點(diǎn)的（x、y、z）坐標(biāo)、速度和加速度等，將此處理過的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到預(yù)設(shè)的人體肌肉模型中，用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)人體肌肉模型，對(duì)受試者的動(dòng)作精確仿真，分析運(yùn)動(dòng)角度，人體重心分布，關(guān)節(jié)受力等生物力學(xué)信息，配合相應(yīng)的肌肉模型可以在人體無外設(shè)硬件的情況下測(cè)量肌肉力量。

3.2 運(yùn)動(dòng)技術(shù)分析

通過動(dòng)作捕捉教練員和遠(yuǎn)動(dòng)員可以實(shí)時(shí)回放自己的動(dòng)作，觀看動(dòng)作環(huán)節(jié)的軌跡，角度，同時(shí)可以把不同時(shí)間段的動(dòng)作相互比較分析，糾正錯(cuò)誤動(dòng)作，優(yōu)化動(dòng)作。提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)，把訓(xùn)練模塊化，數(shù)字化，建立運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫，對(duì)訓(xùn)練效果實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.3 運(yùn)動(dòng)器械軌跡分析

在持有器械的體育運(yùn)動(dòng)中，如網(wǎng)球，高爾夫，羽毛球等，運(yùn)動(dòng)動(dòng)作捕捉技術(shù)，同時(shí)捕捉器械的隨揮軌跡和球的飛行軌跡。

4 結(jié)語

動(dòng)作捕捉技術(shù)用于捕捉體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，首先要滿足體育動(dòng)作速率快，場(chǎng)地不確定，捕捉數(shù)據(jù)精準(zhǔn)方面的現(xiàn)實(shí)問題，更重要的是系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)場(chǎng)安裝，調(diào)試，定位佩戴，不能影響受試者正常的技術(shù)動(dòng)作，從上文中分析得到：光學(xué)式（主動(dòng)和被動(dòng)）能滿足于運(yùn)動(dòng)動(dòng)作迅速的高精度動(dòng)作捕捉，但是前期的安裝奪目攝像頭，捕捉范圍和測(cè)試前的maker點(diǎn)的定位耗時(shí)費(fèi)力，不適合長距離室外的運(yùn)動(dòng)捕捉。慣性式安裝佩戴方便，校準(zhǔn)快捷，無空間范圍限制可同時(shí)進(jìn)行多人動(dòng)作捕捉，但是慣性動(dòng)作捕捉原理本身基于單腳支撐和地面約束假設(shè)，系統(tǒng)無法進(jìn)行雙腳離地的運(yùn)動(dòng)定位解算，進(jìn)行動(dòng)作捕捉的時(shí)候要考慮是否雙腳離地。

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G80

A

2095-2813(2017)09(c)-0210-02

10.16655/j.cnki.2095-2813.2017.27.210

河南省社科聯(lián)，省經(jīng)團(tuán)聯(lián)調(diào)研課題《動(dòng)作仿真技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域的應(yīng)用研究》，項(xiàng)目編號(hào)：SKL-2017-2721。

黃玉飛(1985—)，男，漢族，河南安陽人，碩士，助教，研究方向：體育教育訓(xùn)練學(xué)。