三維動(dòng)畫在武術(shù)套路教學(xué)與訓(xùn)練中的應(yīng)用

張勝利，閆民，張玉彬36

（1.上海電力學(xué)院 體育部，上海 200090；2.濟(jì)南大學(xué) 體育學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；3.國(guó)家體育總局 武術(shù)研究院，北京 100029）

三維動(dòng)畫在武術(shù)套路教學(xué)與訓(xùn)練中的應(yīng)用

張勝利1，閆民2，張玉彬316

（1.上海電力學(xué)院 體育部，上海 200090；2.濟(jì)南大學(xué) 體育學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；3.國(guó)家體育總局 武術(shù)研究院，北京 100029）

武術(shù)套路與人體三維動(dòng)畫可以實(shí)現(xiàn)直觀和微觀兩個(gè)層面的契合。應(yīng)用三維動(dòng)畫可以實(shí)現(xiàn)武術(shù)套路三維立體教學(xué)，使武術(shù)技術(shù)動(dòng)作更加立體、直觀，可以輔助套路難度技術(shù)動(dòng)作創(chuàng)新，輔助學(xué)習(xí)新難度動(dòng)作，可以進(jìn)行技術(shù)診斷和虛擬武術(shù)的抽象過程和環(huán)境。

學(xué)校體育；武術(shù)；體育教學(xué)；三維動(dòng)畫

多年以來，在武術(shù)套路教學(xué)與訓(xùn)練中，教師和教練員主要采用錄像等二維視覺媒體作為主要教育技術(shù)手段來輔助教學(xué)與訓(xùn)練，從宏觀層面采用直觀、模糊方法進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，較少?gòu)木_、量化的微觀層面分析運(yùn)動(dòng)技術(shù)并用于指導(dǎo)教學(xué)與訓(xùn)練。與傳統(tǒng)的直觀視覺媒體相比，計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫具有清晰的三維特性，可以直觀地顯示運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作，也可以用量化的方式描述運(yùn)動(dòng)員在三維空間的位置及運(yùn)動(dòng)軌跡，可以虛擬現(xiàn)實(shí)或理想中的新、難技術(shù)動(dòng)作，具有其它媒體所無法比擬的優(yōu)越性。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用三維動(dòng)畫輔助武術(shù)教學(xué)和訓(xùn)練的研究還未見到。本研究以3D MAX制作的三維動(dòng)畫為例，探討如何應(yīng)用三維動(dòng)畫技術(shù)輔助武術(shù)套路教學(xué)與訓(xùn)練。

1 武術(shù)套路與人體三維動(dòng)畫可以實(shí)現(xiàn)直觀和微觀兩個(gè)層面的契合

三維動(dòng)畫能否真實(shí)、精確地反映武術(shù)套路運(yùn)動(dòng)技術(shù)是我們首先要關(guān)注的問題，這就要求人體三維動(dòng)畫在直觀視覺和微觀量化兩方面達(dá)到與武術(shù)套路技術(shù)的契合。

1)套路技術(shù)動(dòng)作與人體三維動(dòng)畫的直觀契合。

目前人體三維動(dòng)畫主要是通過運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)制作完成的。運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)實(shí)時(shí)地檢測(cè)、記錄表演者的肢體、表情乃至相機(jī)、燈光在三維空間的運(yùn)動(dòng)軌跡，將它們轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的“抽象運(yùn)動(dòng)”，并將其“賦予”用動(dòng)畫軟件(如3D MAX)制作生成的模型，使模型做出和表演者一樣的動(dòng)作，并生成最終的動(dòng)畫序列[1]。所以運(yùn)用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)捕捉運(yùn)動(dòng)員的套路技術(shù)動(dòng)作制作完成的人體三維動(dòng)畫與運(yùn)動(dòng)員的實(shí)際動(dòng)作是一致的，拳種的風(fēng)格、勁力、節(jié)奏等都可以反映出來，在視覺效果上，達(dá)到與真實(shí)人體武術(shù)動(dòng)作的直觀契合。

2)套路技術(shù)動(dòng)作與人體三維動(dòng)畫的微觀契合。

人體三維動(dòng)畫系統(tǒng)是通過捕捉表演者的動(dòng)作甚至表情，用這些動(dòng)作或表情數(shù)據(jù)直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)畫模型[2]。所以，使用計(jì)算機(jī)對(duì)人體形態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到不同時(shí)間計(jì)量單位上不同人體姿勢(shì)的空間坐標(biāo)(X、Y、Z)。

人體三維動(dòng)畫可以精確描述武術(shù)套路運(yùn)動(dòng)員在不同時(shí)相(通常以幀來表示)肢體在三維空間位置(通常以X、Y、Z軸的數(shù)值來表示)，可以顯示肢體動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以計(jì)算出肢體運(yùn)動(dòng)的速度、方向，可以計(jì)算出關(guān)節(jié)的角度、角速度等。武術(shù)套路動(dòng)作質(zhì)量中動(dòng)作規(guī)格、難度動(dòng)作的完成情況可以用肢體在空間位置的坐標(biāo)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)軌跡、關(guān)節(jié)角度來精確地衡量，達(dá)到虛擬與現(xiàn)實(shí)在微觀層面的契合。

2 三維動(dòng)畫輔助武術(shù)套路教學(xué)、訓(xùn)練的優(yōu)勢(shì)

1)在教學(xué)、訓(xùn)練中真正達(dá)到三維立體示范。

武術(shù)套路的特點(diǎn)之一是動(dòng)作數(shù)量多、方向路線變化多，這就給武術(shù)套路的學(xué)習(xí)帶來困難。在教學(xué)中如何讓學(xué)生快速形成運(yùn)動(dòng)表象、建立技術(shù)概念是十分重要的。因此示范作用在武術(shù)套路教學(xué)與訓(xùn)練中顯得尤其重要。

以往的直觀教學(xué)中，除了教師演練外，主要依靠視頻的直觀演示作為輔助教學(xué)的媒體。視頻教學(xué)具有一定的局限性，首先，視頻是二維顯示，學(xué)生要全面了解動(dòng)作結(jié)構(gòu)，必須不斷改變觀察點(diǎn)。其次，學(xué)生只能按照視頻拍攝的角度進(jìn)行觀看，無法了解人體其他角度的動(dòng)作技術(shù)規(guī)格，所以對(duì)動(dòng)作的感知缺乏完整性和準(zhǔn)確性。三維動(dòng)畫有空間三維運(yùn)動(dòng)軌跡，制作完成后在觀看時(shí)可以達(dá)到立體效果，以太極拳三維動(dòng)畫為例，動(dòng)畫制作完成后，學(xué)習(xí)者就可以通過控制按鈕自由旋轉(zhuǎn)太極拳人體動(dòng)畫的示范位置、示范面，或?qū)崿F(xiàn)畫面的放大或縮小，達(dá)到立體教學(xué)的效果。

2)輔助武術(shù)套路難度動(dòng)作創(chuàng)新。

對(duì)于難美類項(xiàng)群的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目而言，創(chuàng)編新動(dòng)作是非常重要的。在武術(shù)套路自選項(xiàng)目比賽中，完成一個(gè)創(chuàng)新的B級(jí)動(dòng)作難度(含連接難度)加0.2分；完成一個(gè)創(chuàng)新的C級(jí)動(dòng)作難度(含連接難度)加0.3分；完成一個(gè)創(chuàng)新的超C級(jí)動(dòng)作難度加0.4分[3]。以往創(chuàng)編新難度動(dòng)作的過程主要是在教練員和運(yùn)動(dòng)員的大腦中和身體上試驗(yàn)完成。由于現(xiàn)實(shí)人體的客觀局限性，運(yùn)動(dòng)員在試做新創(chuàng)編動(dòng)作時(shí)，存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。所以，教練員和運(yùn)動(dòng)員感到缺乏一個(gè)能夠清晰、穩(wěn)定、完整、快速的創(chuàng)編和演示動(dòng)作的輔助工具，來對(duì)創(chuàng)編動(dòng)作進(jìn)行“定量化、形象化”解釋。這樣直接影響了動(dòng)作的效果和創(chuàng)編新動(dòng)作的效率。

對(duì)于虛擬實(shí)境中的每一個(gè)單獨(dú)動(dòng)作的對(duì)象來說，空間位置的確定是由空間坐標(biāo)的3個(gè)變量x、y、z來決定的，任何對(duì)象的運(yùn)動(dòng)都可以由其在空間的運(yùn)動(dòng)曲線模型來描述。運(yùn)用計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫的人體建模技術(shù)可以建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的武術(shù)套路運(yùn)動(dòng)員動(dòng)態(tài)人體模型。通過改變各時(shí)間點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的人體模型各部位的三維坐標(biāo)參數(shù)(即X、Y、Z軸的數(shù)值)，可以實(shí)現(xiàn)人體模型身體旋轉(zhuǎn)、翻滾、跳越、起伏轉(zhuǎn)折以及四肢的擺動(dòng)、屈伸等動(dòng)作，從而創(chuàng)編出任何想象中的武術(shù)動(dòng)作。然后對(duì)新動(dòng)作進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)，修改不合理的部分，找出最有可能實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新動(dòng)作，從而提高創(chuàng)編動(dòng)作的質(zhì)量。

此外，利用人體三維動(dòng)畫進(jìn)行武術(shù)套路新動(dòng)作的創(chuàng)編時(shí)，可以對(duì)人體模型的動(dòng)作進(jìn)行分割、復(fù)制、刪除等修改，從而縮短創(chuàng)編新動(dòng)作的時(shí)間；可以隨時(shí)從不同角度進(jìn)行加速、減速、定格等播放，進(jìn)行新動(dòng)作的效果演示，快速得到創(chuàng)編動(dòng)作的反饋，以便隨時(shí)進(jìn)行修改，從而提高創(chuàng)編動(dòng)作的效率。

3)縮短建立動(dòng)作表象的過程。

對(duì)于武術(shù)套路教學(xué)和訓(xùn)練而言，建立清晰、正確的動(dòng)作表象是非常重要的一環(huán)。應(yīng)充分利用運(yùn)動(dòng)員的視覺、聽覺形成動(dòng)作表象，明確動(dòng)作的技術(shù)結(jié)構(gòu)及技術(shù)要領(lǐng)，建立完整的技術(shù)概念[4]。在以往武術(shù)套路難度動(dòng)作的教學(xué)和訓(xùn)練中，建立動(dòng)作表象的途徑一方面是靠教師對(duì)技術(shù)的講解、示范，觀看優(yōu)秀武術(shù)套路運(yùn)動(dòng)員的錄像獲得外部技術(shù)信息。另一方面是靠運(yùn)動(dòng)員的本體感覺，獲得內(nèi)部技術(shù)信息。

通過觀看優(yōu)秀武術(shù)套路運(yùn)動(dòng)員難度動(dòng)作的三維動(dòng)畫，可以比觀看二維視頻更快速、更準(zhǔn)確地獲得外部技術(shù)信息，建立完整、清晰的技術(shù)概念。通過觀看自身技術(shù)動(dòng)作的三維動(dòng)畫，反饋?zhàn)陨淼倪\(yùn)動(dòng)信息，使運(yùn)動(dòng)員更好地感知身體內(nèi)部信息，感受自己身體在空間的位置和肢體的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，從而更快更好地建立動(dòng)作表象。

4)在套路技術(shù)診斷中達(dá)到直觀與量化的結(jié)合。

在武術(shù)套路訓(xùn)練中，通過技術(shù)分析，診斷出運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作技術(shù)的不足，進(jìn)行有針對(duì)性的訓(xùn)練，對(duì)于提高動(dòng)作技術(shù)水平是非常重要的。技術(shù)分析方法大體有兩種，即生物力學(xué)分析法和簡(jiǎn)單觀察法。目前對(duì)武術(shù)套路動(dòng)作技術(shù)的生物力學(xué)分析主要是通過運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)員三維運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉，得到運(yùn)動(dòng)員在不同時(shí)間點(diǎn)的空間位置(通常以X、Y、Z軸的數(shù)值來表示)，然后對(duì)采集到的技術(shù)動(dòng)作的各項(xiàng)參數(shù)(包括位移、速度、加速度、力矩等)進(jìn)行生物力學(xué)分析，找出運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作技術(shù)中存在的不足。

武術(shù)套路技術(shù)包括動(dòng)作質(zhì)量、演練水平、難度(自選項(xiàng)目)[5]。演練水平主要還是通過直觀觀察、模糊評(píng)判來反映，無法進(jìn)行生物力學(xué)的精確分析，這是由武術(shù)套路的項(xiàng)目特點(diǎn)決定的。所以武術(shù)套路技術(shù)分析不可能單純依靠生物力學(xué)分析法，還要依靠觀察分析。通過運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)得到的運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作是以三維空間點(diǎn)的形式存在，還不是直觀的人體動(dòng)作。人體三維動(dòng)畫很好地解決了這一問題。通過建立三維人體模型，然后把運(yùn)動(dòng)捕捉獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入人體模型，人體模型就會(huì)產(chǎn)生和人體同樣的運(yùn)動(dòng)，以此產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)員套路技術(shù)動(dòng)作三維動(dòng)畫可以直觀地反映運(yùn)動(dòng)員的套路演練水平。

通過運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)生成的人體三維動(dòng)畫不但可以直觀地反映運(yùn)動(dòng)員的套路技術(shù)水平，還可以對(duì)運(yùn)動(dòng)員三維空間的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行精確的量化。教練員不但可以觀察運(yùn)動(dòng)員的演練水平，還可以從各個(gè)時(shí)相和各種角度觀察運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作規(guī)格和難度的完成情況。如踢腿的高度、身體旋轉(zhuǎn)的角度等，都可以得到精確的數(shù)值。對(duì)錯(cuò)誤動(dòng)作進(jìn)行準(zhǔn)確的時(shí)間和空間定位，找到此時(shí)人體姿勢(shì)的空間坐標(biāo)(X，Y，Z)，對(duì)錯(cuò)誤動(dòng)作的人體形態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出錯(cuò)誤原因，完成量化的數(shù)字分析。教練員能夠有的放矢地糾正運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作。

此外，人體三維動(dòng)畫優(yōu)勢(shì)之一是可以對(duì)動(dòng)作技術(shù)進(jìn)行修改，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)對(duì)優(yōu)秀武術(shù)套路運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行捕捉，對(duì)其中不規(guī)范的部分進(jìn)行修改，可以建立標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動(dòng)作模型。

5)虛擬武術(shù)中的抽象過程和環(huán)境。

計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫另一優(yōu)勢(shì)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，并通過多種專用設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接進(jìn)行自然交互的技術(shù)[6]。利于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以完成在現(xiàn)實(shí)人體或環(huán)境中所無法完成的任務(wù)。武術(shù)特別是傳統(tǒng)武術(shù)比較注重練“氣”，其中涉及到人體經(jīng)絡(luò)、穴位以及氣血運(yùn)行等中醫(yī)知識(shí)。這些內(nèi)容，肉眼無法觀察，錄像也只能是對(duì)已經(jīng)完成動(dòng)作或直觀景物的再現(xiàn)，對(duì)于這樣的抽象概念卻束手無策。在以往的教學(xué)中，也只能是通過掛圖等靜態(tài)圖像來學(xué)習(xí)，因?yàn)檫@些過程非常抽象，學(xué)生難以理解，在教學(xué)過程存在困難。而計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以非常清晰地虛擬這一過程?？梢岳?D MAX軟件中的角色動(dòng)畫制作一個(gè)人物，并將武術(shù)中的抽象內(nèi)容賦予其上。這樣，就將抽象的概念轉(zhuǎn)化成直觀影像，使原本抽象的過程變得直觀、生動(dòng)，便于理解。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有的沉浸性、交互性、想象性，使得參與者能在虛擬環(huán)境中做到沉浸其中、超越其上、進(jìn)出自如和交互自由[7]。這是利用三維動(dòng)畫中的三維建模功能，建立一個(gè)與真實(shí)接近的場(chǎng)景。利用這一技術(shù)可以對(duì)武術(shù)比賽環(huán)境進(jìn)行模擬，用三維動(dòng)畫制作的比賽空間環(huán)境，立體感強(qiáng)，使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生“沉浸感”。在平時(shí)的訓(xùn)練或教學(xué)中，運(yùn)動(dòng)員通過交互設(shè)備(佩戴 3D眼鏡、頭盔顯示器、傳感手套等)產(chǎn)生身臨其境的感覺，仿佛置身其中，成為其中的一員，能夠感受到武術(shù)比賽現(xiàn)場(chǎng)的氣氛，以此來提高學(xué)生的適應(yīng)能力。目前，將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于武術(shù)教學(xué)、訓(xùn)練的研究還未見到，但其研究前景看好。

通過運(yùn)動(dòng)捕捉制作的三維動(dòng)畫與運(yùn)動(dòng)員的實(shí)際動(dòng)作是一致的，可以在視覺直觀和微觀量化兩方面達(dá)到與武術(shù)套路技術(shù)的完美契合。利用三維動(dòng)畫輔助武術(shù)套路的教學(xué)和訓(xùn)練是可行和有效的。武術(shù)教師可以與計(jì)算機(jī)專業(yè)人員合作，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，制作出高質(zhì)量的武術(shù)三維動(dòng)畫。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，制作三維動(dòng)畫越來越容易，廣大武術(shù)工作者要嘗試運(yùn)用三維動(dòng)畫輔助武術(shù)套路教學(xué)和訓(xùn)練并在應(yīng)用中不斷完善，提高武術(shù)教學(xué)、訓(xùn)練的科技含量，更好地促進(jìn)武術(shù)的發(fā)展。

[1] 曲毅，李存華. 運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)在影視動(dòng)畫制作中的應(yīng)用研究[J]. 信息技術(shù)，2006(11)：124-126.

[2] 黃波士，陳福民. 運(yùn)動(dòng)捕捉及其在動(dòng)畫制作中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)工程，2005(13)：168-170.

[3] 國(guó)際武術(shù)聯(lián)合會(huì)審定. 武術(shù)套路競(jìng)賽規(guī)則(試行)[S]. 2008：10.

[4] 《運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練學(xué)》教材小組. 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練學(xué)[M]. 北京：人民體育出版社，1990：138.

[5] 國(guó)際武術(shù)聯(lián)合會(huì). 武術(shù)套路競(jìng)賽規(guī)則(試行)[S].2008：8.

[6] 申蔚，曾文琪. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2009：3.

[7] 沈洪，呂小星，朱軍. 多媒體計(jì)算機(jī)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2009：32.

Application of 3D animation in Wushu routine teaching and training

ZHANG Sheng-li1，YAN Ming2，ZHANG Yu-bin3
（1.Department of Physical Education，Shanghai Univercity of Electric Power，Shanghai 200090，China；2.School of Physical Education，University of Jinan，Jinan 250022，China；3.Wushu Institute of General Administration of Sport，Beijing 100029，China）

The authors analyzed the advantages of 3D animation in the sports area today, probed into how to apply 3D animation technology to assist Wushu routine teaching and training, and revealed the following findings: applying 3D animation can realized the 3D Wushu routine teaching, make Wushu technical moves more vivid and intuitive, assist the innovating of difficult technical moves in routines and the learning of new difficult moves, make technical diagnoses, and virtualize abstract processes and environments of Wushu

school physical education；Wushu；physical education teaching；3D animation

G807

A

1006-7116(2012)01-0090-03

2011-05-24

國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目(10BTY045)。

張勝利（1974-），男，副教授，博士，研究方向：民族傳統(tǒng)體育學(xué)。