牛 凱 陳 皓

武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430074

現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)人們的生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，也在不斷改變?nèi)藗儗W(xué)習(xí)知識(shí)和身體鍛煉的方式。當(dāng)前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和數(shù)字教育應(yīng)用的推廣，動(dòng)作捕捉技術(shù)不斷被應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，促進(jìn)體育訓(xùn)練向數(shù)字化、科學(xué)化發(fā)展。武術(shù)作為我國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)體育文化的代表，也應(yīng)將動(dòng)作捕捉技術(shù)與傳統(tǒng)武術(shù)訓(xùn)練相結(jié)合進(jìn)行研究，讓武術(shù)通過(guò)信息技術(shù)手段煥發(fā)生機(jī)。

1 動(dòng)作捕捉技術(shù)與武術(shù)之間的關(guān)系

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，全球范圍內(nèi)掀起一場(chǎng)影響人類(lèi)社會(huì)發(fā)展深刻變革。武術(shù)作為我國(guó)傳統(tǒng)體育文化項(xiàng)目的代表，也應(yīng)緊跟信息技術(shù)時(shí)代潮流更好的滿(mǎn)足人們現(xiàn)代化需求。武術(shù)教學(xué)屬于操作性技能教學(xué)，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性和直觀性，需要言傳身教和準(zhǔn)確的示范與講解。因?yàn)槲湫g(shù)教學(xué)內(nèi)容和方式的特殊性，慕課、多媒體等通過(guò)視頻、語(yǔ)音和圖片進(jìn)行教學(xué)的現(xiàn)代信息技術(shù)，可以作為武術(shù)教學(xué)的輔助方式，但不能作為武術(shù)教學(xué)的主要方式。動(dòng)作捕捉（Motion capture），簡(jiǎn)稱(chēng)Mocap，是在運(yùn)動(dòng)物體的關(guān)鍵部位設(shè)置跟蹤器，并進(jìn)行測(cè)量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡。因此，可以將操作性技能的動(dòng)作軌跡進(jìn)行三維數(shù)字化處理，然后以動(dòng)畫(huà)和虛擬現(xiàn)實(shí)等方式呈現(xiàn)出來(lái)。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家動(dòng)作捕捉技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始卓有成效地應(yīng)用于各類(lèi)體育項(xiàng)目訓(xùn)練，我們應(yīng)該緊跟信息技術(shù)時(shí)代步伐，加快將動(dòng)作捕捉技術(shù)應(yīng)用于武術(shù)訓(xùn)練的分析和研究，進(jìn)一步提高我國(guó)武術(shù)訓(xùn)練水平，讓武術(shù)通過(guò)信息技術(shù)手段煥發(fā)出新的生機(jī)。

2 基于動(dòng)作捕捉技術(shù)下武術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)研究的意義

2.1 促進(jìn)優(yōu)秀文化遺產(chǎn)的保護(hù)和傳承

武術(shù)作為中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，在形成和發(fā)展中形成了多種流派。早在二十世紀(jì)八十年代原國(guó)家體委通過(guò)對(duì)武術(shù)挖掘整理工作中共認(rèn)定了129個(gè)拳種。武術(shù)無(wú)論是在道德層面還是在技術(shù)理論層面，都充溢著傳統(tǒng)文化的精神內(nèi)涵，是中華民族珍貴的文化遺產(chǎn)。習(xí)近平總書(shū)記也明確指出，“培育和弘揚(yáng)社會(huì)主義核心價(jià)值觀必須立足中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，博大精深的中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化是我們?cè)谑澜缥幕な幹姓痉€(wěn)腳跟的根基?！蹦壳?，由于眾多因素的影響，隨著一些武術(shù)流派傳承人的離世，武術(shù)流派斷層，拳種的失傳等問(wèn)題日益突出，這也對(duì)我國(guó)武術(shù)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護(hù)和傳承形成了巨大的挑戰(zhàn)。通過(guò)基于動(dòng)作捕捉技術(shù)下武術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)可以對(duì)不同流派，拳種進(jìn)行動(dòng)作數(shù)據(jù)捕捉與處理，然后通過(guò)數(shù)據(jù)與動(dòng)畫(huà)角色綁定，制作出武術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)軟件，這樣就能夠長(zhǎng)期、精確、有效和立體化的保存民族文化的內(nèi)容?；趧?dòng)作捕捉技術(shù)的武術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)的研究成果和經(jīng)驗(yàn)也可以很好地為我國(guó)民族舞蹈、雜技等民族文化項(xiàng)目借鑒，更好的促進(jìn)我國(guó)優(yōu)秀文化遺產(chǎn)的保護(hù)和傳承。

2.2 促進(jìn)武術(shù)更好的傳播與推廣

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，微課、慕課等線上教育已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)和訓(xùn)練中。傳統(tǒng)的師徒制和現(xiàn)代的班級(jí)授課制是武術(shù)傳播的主要方式，老師能同時(shí)進(jìn)行一個(gè)甚至數(shù)十個(gè)學(xué)生的教學(xué)，但信息增值率依舊不高。由于武術(shù)訓(xùn)練內(nèi)容和方式的特殊性，需要言傳身教，必須要通過(guò)準(zhǔn)確的示范與講解。慕課、多媒體等只是通過(guò)語(yǔ)言和視頻傳播的教學(xué)方式，可以作為武術(shù)教學(xué)的輔助方式，但不能作為就武術(shù)教學(xué)的主要方式。通過(guò)運(yùn)用基于動(dòng)作捕捉技術(shù)下武術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠比較直觀地，多個(gè)示范面地展示，并且可以不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，將信息增值率擴(kuò)大成千上萬(wàn)倍。學(xué)生可以通過(guò)下載應(yīng)用程序，安裝后根據(jù)自身的需求，輕松自如的在手機(jī)等設(shè)備上通過(guò)觸屏的方式，拖拽來(lái)轉(zhuǎn)換視角、調(diào)整視覺(jué)距離，即使被擋住的動(dòng)作也可以通過(guò)改變視角來(lái)觀察到，具有針對(duì)性的反復(fù)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練動(dòng)作，并迅速地掌握動(dòng)作要點(diǎn)。基于動(dòng)作捕捉下武術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)可以通過(guò)手機(jī)應(yīng)用商場(chǎng)，在線課程等網(wǎng)絡(luò)形式快速下載傳播，更好地促進(jìn)武術(shù)的傳播與推廣。

3 基于動(dòng)作捕捉技術(shù)下武術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用

圖1 人體骨骼模型及慣性動(dòng)捕儀的17個(gè)采集點(diǎn)

基于動(dòng)作捕捉技術(shù)武術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)研發(fā)和應(yīng)用需要武術(shù)動(dòng)作數(shù)據(jù)捕捉，數(shù)據(jù)檢查和修正，人體建模，人體模型綁定動(dòng)作數(shù)據(jù)，軟件制作和實(shí)踐應(yīng)用共六個(gè)步驟。

3.1 訓(xùn)練系統(tǒng)的研發(fā)

3.1.1 武術(shù)動(dòng)作的數(shù)字化

使用動(dòng)作捕捉技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)武術(shù)動(dòng)作的精確記錄，完成武術(shù)動(dòng)作的數(shù)字化。目前的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)主要分為機(jī)械式動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)、聲學(xué)式動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)、電磁式動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)、慣性動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)和光學(xué)式動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)5 種。由于慣性動(dòng)捕儀具有不受環(huán)境干擾影響，不怕遮擋，捕捉精確度高，采樣速度高，達(dá)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?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，因此，本研究主要采用慣性動(dòng)作捕捉儀對(duì)武術(shù)教練整套武術(shù)動(dòng)作進(jìn)行完整的動(dòng)作數(shù)據(jù)采集和處理。

3.1.1.1 武術(shù)動(dòng)作數(shù)據(jù)捕捉

慣性動(dòng)捕儀通過(guò)在人體的17個(gè)關(guān)鍵部位綁戴慣性傳感器，然后通過(guò)每秒100幀的速率對(duì)關(guān)鍵部位的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。17關(guān)鍵點(diǎn)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(shù)據(jù)包括每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的偏移距離和YXZ三維旋轉(zhuǎn)角度。但在計(jì)算機(jī)中人體骨骼模型不只17塊，通過(guò)反向運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，依據(jù)慣性動(dòng)捕儀提供的17個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)產(chǎn)生的三維數(shù)據(jù)，推算出其余的多節(jié)脊椎、頸等部位的三維信息。

3.1.1.2 武術(shù)動(dòng)作數(shù)據(jù)的后期處理

在采集武術(shù)動(dòng)作數(shù)據(jù)后，還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和修正，以保證三維動(dòng)作的流暢性和穩(wěn)定性。因?yàn)槿梭w所佩戴的傳感器可能發(fā)生混淆和遮擋，所以在動(dòng)作捕捉儀采集過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生誤差；慣性動(dòng)捕儀是通過(guò)對(duì)人體17個(gè)關(guān)鍵部位數(shù)據(jù)的采集，運(yùn)用反向運(yùn)動(dòng)學(xué)原理推算骨骼其他部位的三維數(shù)據(jù)所以也會(huì)產(chǎn)生誤差。我們采集的雙足數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)于貼近，從而引起雙足模型的重合，所以我們要通過(guò)MotionBuild軟件逐幀進(jìn)行骨骼三維數(shù)據(jù)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(shù)動(dòng)作瑕疵

3.1.2 武術(shù)動(dòng)作的動(dòng)畫(huà)生成

通過(guò)動(dòng)作捕捉可以得到一個(gè)包含人體骨骼結(jié)構(gòu)信息、時(shí)間信息、每塊人體骨骼的三維信息。通過(guò)這些信息可以和計(jì)算機(jī)中的虛擬人體進(jìn)行綁定，還原整套武術(shù)動(dòng)作，制作出武術(shù)動(dòng)畫(huà)。

3.1.2.1 人體建模

武術(shù)動(dòng)作數(shù)據(jù)要與人體角色進(jìn)行綁定才能展現(xiàn)，我們可以根據(jù)不同需求建立不同的人物模型。目前常見(jiàn)的以人體建模分為幾何手動(dòng)建模和照片自動(dòng)建模兩種方式。本研究主要使用3DMAX軟件可以進(jìn)行虛擬人體的手動(dòng)建模，通過(guò)規(guī)則的幾何體開(kāi)始，逐漸修正幾何面，使得模型逐漸逼近人體模型。我們?cè)趶?qiáng)調(diào)身體結(jié)構(gòu)建模的同時(shí)也更加強(qiáng)調(diào)人體面部的識(shí)別和處理，因?yàn)槲覀冊(cè)趶?qiáng)調(diào)動(dòng)作數(shù)據(jù)的重要性的同時(shí)，也希望把動(dòng)作數(shù)據(jù)的展現(xiàn)者的原貌更好的保存和展現(xiàn)，特別是對(duì)非物質(zhì)文化傳承人的保護(hù)，所以我們認(rèn)為人體的臉部模型建模也是極其重要一個(gè)環(huán)節(jié)。在人臉建模時(shí)，我們使用FaceGenModeller軟件，通過(guò)人物的正面和左右側(cè)面三張照片就可以進(jìn)行自動(dòng)建模，然后輸出到3DMAX軟件，進(jìn)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(dòng)作數(shù)據(jù)

在3DMAX軟件中對(duì)虛擬人體建模完成后，需要在Unity軟件中將虛擬人體和武術(shù)動(dòng)作進(jìn)行綁定。綁定需要三個(gè)步驟：設(shè)定動(dòng)畫(huà)為人型動(dòng)畫(huà)（Humanoid）如，虛擬人體的骨骼配置與武術(shù)動(dòng)作骨骼一致，虛擬人體綁定動(dòng)畫(huà)。在Unity軟件中可以制作動(dòng)物動(dòng)畫(huà)、人型動(dòng)畫(huà)等多種動(dòng)畫(huà)，武術(shù)動(dòng)作應(yīng)使用人型動(dòng)畫(huà)。不同的虛擬人體骨骼結(jié)構(gòu)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(shù)動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)中的骨骼一致。最后，在虛擬人體的動(dòng)畫(huà)控制器（Controller）中綁定武術(shù)動(dòng)畫(huà)。

3.1.3 武術(shù)訓(xùn)練軟件制作

人體角色與武術(shù)動(dòng)作數(shù)據(jù)綁定后，通過(guò)Unity編程將動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景、音樂(lè)解說(shuō)、播放暫停設(shè)置、GoogleVR雙目觀看等功能進(jìn)行添加設(shè)置，最后通過(guò)Unity的多平臺(tái)生成功能制作安卓APP軟件操作系統(tǒng)。動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景是在計(jì)算機(jī)虛擬空間中構(gòu)建一個(gè)虛擬教室，給武術(shù)教學(xué)一個(gè)展示空間；音樂(lè)解說(shuō)是在武術(shù)動(dòng)作教學(xué)時(shí)進(jìn)行武術(shù)動(dòng)作講解；播放暫停是讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中可以暫停或恢復(fù)學(xué)習(xí)，來(lái)自由掌握學(xué)習(xí)進(jìn)度。我們可以通過(guò)運(yùn)用谷歌公司提供的CardBoard虛擬現(xiàn)實(shí)插件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的虛擬現(xiàn)實(shí)功能，讓學(xué)員用雙目易身臨其境地觀看虛擬教室中的武術(shù)動(dòng)作教學(xué)，并可以跟隨指導(dǎo)一起訓(xùn)練。

3.2 實(shí)踐應(yīng)用

課題組早在2019年5月就已制作完成基于動(dòng)作捕捉技術(shù)下的太極拳訓(xùn)練系統(tǒng)，并開(kāi)始著手該系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)踐應(yīng)用測(cè)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(shù)課程采用線上授課，所以將已經(jīng)完成的基于動(dòng)作捕捉技術(shù)下的太極拳訓(xùn)練系統(tǒng)用于教學(xué)實(shí)踐，首先老師通過(guò)在線教學(xué)平臺(tái)小范圍給學(xué)生，學(xué)生通過(guò)下載安裝軟件就可以進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)。基于動(dòng)作捕捉技術(shù)設(shè)計(jì)的太極拳訓(xùn)練系統(tǒng)是一個(gè)可以在屏幕上拖拽來(lái)轉(zhuǎn)換視角、調(diào)整視覺(jué)距離，即使被擋住的動(dòng)作也可以通過(guò)改變視角來(lái)觀察到，讓學(xué)生任意視角進(jìn)行學(xué)習(xí)模仿，并迅速地掌握全部動(dòng)作要點(diǎn)。課前，師生可以預(yù)習(xí)太極拳新課內(nèi)容，對(duì)重難點(diǎn)先有所了解；課中，在教師集體講解和示范后，教師根據(jù)學(xué)生需求和技能發(fā)展情況進(jìn)行程序化教學(xué)，學(xué)生可以選擇不同的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)和練習(xí)，讓教學(xué)具有開(kāi)放性和針對(duì)性，并且讓因材施教和學(xué)生接受個(gè)性化教學(xué)成為了現(xiàn)實(shí)，武術(shù)教師能夠真正在集體化教學(xué)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)；課后，學(xué)生可以對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)和鞏固，及時(shí)解決課堂教學(xué)中遺留的疑難問(wèn)題。這樣就能有效地拓展教學(xué)空間和時(shí)間，提供師生因材施教的個(gè)性化的教學(xué)。基于動(dòng)作捕捉技術(shù)下武術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)在實(shí)踐應(yīng)用中雖然取得的良好效果，面對(duì)存在的一些問(wèn)題，今后需要不斷改進(jìn)和提升。

4 結(jié)語(yǔ)

基于動(dòng)作捕捉技術(shù)下武術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用過(guò)程，課題組成員經(jīng)過(guò)了反復(fù)的研討與論證，最終考慮到因程序設(shè)計(jì)、硬件支持等因素，采用目前性?xún)r(jià)比最高的慣性動(dòng)捕儀對(duì)武術(shù)動(dòng)作進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析；為了讓武術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)落地，更好的為人們服務(wù)，所以應(yīng)用Unity平臺(tái)生成智能手機(jī)可以使用的軟件，采取這種APP的應(yīng)用方式，可以更好的傳播與推廣。隨著HoloLens、無(wú)線Oculus等設(shè)備的發(fā)展，通過(guò)混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)與武術(shù)訓(xùn)練能夠相結(jié)合，人們能夠切實(shí)感受到在虛擬世界進(jìn)行身臨其境的學(xué)習(xí)；隨著成本的下降，設(shè)備的普及，家庭就可以配置動(dòng)作捕捉儀來(lái)對(duì)自身動(dòng)作進(jìn)行采集，并且可以匯聚形成一個(gè)龐大的武術(shù)動(dòng)作數(shù)據(jù)庫(kù)。專(zhuān)家學(xué)者可以通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析，了解人們的身心狀態(tài)、學(xué)習(xí)難點(diǎn)、易錯(cuò)點(diǎn)等，更好地滿(mǎn)足人們需求，提供個(gè)性化的服務(wù)。武術(shù)訓(xùn)練應(yīng)緊跟時(shí)代步伐，加大武術(shù)訓(xùn)練研發(fā)的人力、物力和財(cái)力的信息技術(shù)培訓(xùn)投入，以信息化帶動(dòng)武術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)我國(guó)體育產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。