基于運動捕捉的高爾夫揮桿分析與輔助訓練系統(tǒng)設計

（鄭州鐵路職業(yè)技術學院，鄭州，450052）

基于運動捕捉的高爾夫揮桿分析與輔助訓練系統(tǒng)設計

王娟娟

（鄭州鐵路職業(yè)技術學院，鄭州，450052）

高爾夫運動作為新型的高端運動項目，正在被越來越多的人接受。而運動捕捉技術在體育訓練中的廣泛應用，對提高運動員的高爾夫運動水平，具有重要的作用.本文通過運用虛擬現實技術，對高爾夫運動員揮桿動作進行捕捉，并建立數據庫，與訓練者進行比對，同時通過比對可得出相應的參數，以此給予教練更好的訓練方法。

GolfSense；Kinect；運動捕捉；數據采集；輔助訓練系統(tǒng)

隨著人們生活水平的提高，人們開始越來越多的追逐比較高端的體育運動。同時現行的高爾夫體育運動在很大程度上都是依靠教練對運動員實行一對一的教學，而造成了教練資源的浪費。此外，隨著虛擬現實技術、數字特此技術、運動捕捉技術和傳感器技術的不斷發(fā)展，對運動的捕捉等已經包含了機械式、光學式等多種不同原理。本文則對不同原理技術的高爾夫揮桿動作捕捉技術原理進行介紹，并設計出可用于輔助高爾夫教學的系統(tǒng)，具有很強的實用性。

1 基于不同原理的高爾夫揮桿捕捉原理分析

1.1影像法

基于影像法的高爾夫輔助系統(tǒng)是由北京的盈智恒信科技與深圳的體育用品公司所共同引進開發(fā)的一種視頻分析技術。通過該視頻技術，可對高爾夫運動員的揮桿動作進行慢放、定格、放大并可進行標注等簡單的一些技術處理，同時給予高爾夫運動員比較直觀的視覺的效果，從而促進運動員的相關訓練。該技術主要是通過數碼原理，對相關對視頻進行慢放等，從而形成良好的輔助訓練方法。

1.2便攜式傳感器法

該方法是通過GolfSense軟件而實現對高爾夫運動的捕捉，并實現對其輔助訓練。該平臺是由硬件和軟件、云計算平臺共同構成，通過其手套（如圖1）上的運動捕捉，可精確的實現對各個不同角度的數據的額采集，并對每桿成敗得失關鍵數據進行分析，以此給予運動員更好的輔導。通過該系統(tǒng)可以讓運動員從而個不同的角度對自己的揮桿動作進行分析，從而使得自己的動作得到不斷的優(yōu)化，以此提高運動員訓練的成績。

圖1 GolfSense運動捕捉的手套

1.3圖析法

圖析法輔助系統(tǒng)是通過我們比較常見的方法來進行設計，其基本的原理是通過在身上進行手工的標注，并通過光學傳感器得出不同關節(jié)所運動的物理參數，如速度、角速度、加速度等，然后通過這種捕捉到的參數，將其和標注的參數進行對比，從而獲取標準與實際之間所形成的差距，以便教練給予運動員更好的訓練方案。

2 高爾夫揮桿動作的運動捕捉

2.1硬件的選擇

在該設計中，我們參考北京郵電大學鄧小園在對高爾夫運動中的設計，采用微軟公司的Kinect硬件對高爾夫揮桿動作進行捕捉，這主要是因為該軟件具有強大的人機交互的能力，通過對運動的捕捉，可實時的獲得運動員的相關的動作，并在PC電腦上生成動畫。同時該深度攝像頭支持對運動員手勢和全身骨骼的捕捉，具有很強的實用性。

2.23D骨賂引擎構建

在對高爾夫運動進行揮桿動作的捕捉的時候，首先必須建立人體和球桿的三維立體模型。而對三維立體模型的構建，通常采用兩種方式：第一是通過數學函數進行構建；另外一種方式是通過運動3D軟件進行構建。而通過3D軟件對模型的構建中，通常則采用吳永棟提出的數字人構建。而吳永棟的思路是將人體模型分成骨架和其他不同部位分成總共53塊，每個不同的部位又圍繞著各自相應的關節(jié)進行旋轉。同時也可利用專門的Cal3D軟件，通過設定相應的骨骼號，并利用setRotation函數對人體動作進行坐標設定和空間旋轉，并計算出其中每個節(jié)點的位置，在利用刷新幀，即可實現揮桿動作的同步。

2.3高爾夫運動中的單平面

高爾夫運動其主要的動作步驟可分為七步，而在訓練中對單平面的訓練是最重要的步驟。因此，在實際的操作中，往往通過計算連個平面軌跡之間的夾角來檢測其是否處于同一個平面。從而實現對高爾夫揮桿動作的分析。

3 輔助訓練系統(tǒng)的設計與實現

3.1設計思路

本文利用Kinect完成對數據的實時采集，并將捕捉到的數據和標準運動員的數據進行比對，并得出相應的參數結果分析，以此為教練提供更加具體的訓練方案。

圖2 輔助訓練系統(tǒng)整體架構設計

3.2系統(tǒng)整體架構與功能模塊設計

該系統(tǒng)主要包括硬件和軟件系統(tǒng)構成，其中硬件系統(tǒng)則采用PC電腦和一臺微軟的XBOX360 Kinect。兩者之間通過USB實現連接；軟件方面則主要包括對連接設備的驅動和對動作的處理；其次是對動作的分析軟件。而對動作的捕捉則主要是對標準運動和訓練運動數據的獲取，以此為后面的比對奠定數據的基礎；對動作的修復和對相關關節(jié)點數據的修復，運動的重定向是對相關的采集數據的處理，以此更好的對其角度等各方面進行修正；對運動的分析則主要是將訓練者的數據和標準的動作的數據進行分析，包括角度、力度等，并通過單平面對其進行判斷，從而得出相關的對比參數。而該軟件的實現則通過運用Visual Studio 2010的環(huán)境下對系統(tǒng)進行搭建，并利用OSG+CAL+CEGU軟件進行開發(fā)。

3.3系統(tǒng)的實現

3.3.1 對數據采集的實現

該步驟主要包括兩個不同步驟，第一是建立標準的高爾夫動作訓練庫。高數據庫的實現則主要是邀請高水平的運動員進行動作的模擬，并將動作分為上桿、轉換、下桿、隨桿等不同的步驟，并按照每秒30幀的速度實現對圖像的采集；第二步是對實時的數據的采集。該數據實現的步驟是通過對實時數據的采集，通過對數據的修正，然后將這些參數賦予構建的3D模型，然后再通過3D模型進行動作的重現，以此得到相關的數據的比對。

3.3.2 高爾夫輔助訓練

在數據采集之后，通過一定的處理即是對數據的比對。而對數據進行比對則是通過單平面、關節(jié)的運動軌跡、關節(jié)運動速度和關節(jié)所成的角度來對動作進行分析。在該系統(tǒng)中，我們則主要以單平面和關節(jié)自身的運動的軌跡來對其進行判斷。

圖3 高爾夫輔助訓練系統(tǒng)實現

對單平面的判定則通常是將肩關節(jié)和手關節(jié)的平面進行整合，并查看兩者之間的角度的方式來對單平面進行判斷。如通過計算，存在一定的角度，則訓練動作和標準動作存在著一定的差距。

對運動軌跡進行判斷，主要是通過采集關節(jié)的運動軌跡的參數，并與標準的七個不同分解動作的關節(jié)的參數進行對比，從而繪制出訓練者和比對著之間的不同參數的圖形。

4 結束語

虛擬現實技術作為集計算機技術、圖形圖像技術等為一體的綜合性學科，在體育當中的應用也越來越廣泛。本文通過運用三維立體軟件對高爾夫揮桿動作的構架，并通過數據的采集和對數據的修正，實現將參數和人體模型進行合并，從而實現動作的動畫重復，并通過對數據的比對和分析，實現教練對運動員動作的更加詳盡的分析，以此提供更為合適的教學方案。

[1] 鄧小園，基于Kiiiect運動捕捉的高爾夫揮桿分析與輔助訓練系統(tǒng)的研制[D]，北京郵電大學，2013

[2] 賈程程,許相莉,周春光等.基于鏈碼的人體骨架建模[J].吉林大學學報(理學版)2010,48 (4): 641-645.

[3] Livingston,M.A.Performance measurements for the Microsoft Kinect skeleton[J] .Virtual Reality Workshops(VR)?2012 IEEE.

[4] 張毅,張爍.基于Kinect深度圖像信息的手勢軌跡識別及應用.計算機應用研 .2012

王娟娟，女，1973年2月，講師，研究方向：體育教學與訓練。

Motion capture golf swing analysis and assistant training system design based on

Wang Juanjuan
(Zhengzhou Railway Vocational and Technical College,Zhengzhou，450052)

Golf as a high-end sports model, is being accepted by more and more people.The motion capture technology is widely used in the sport training,to improve the golf athletes,has an important role.In this paper,through the use of virtual reality technology,the golf swing is captured,and the establishment of a database,and carry on training than,and by comparing the corresponding parameters,training method to give the coach better.

GolfSense;Kinect;motion capture;data acquisition;auxiliary training system