三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)在高校體育教學(xué)中的應(yīng)用探析

吳昌明+于忠+段渭軍

摘 要：將三維運(yùn)動(dòng)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(duì)改進(jìn)教學(xué)的方法與手段，擴(kuò)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(yùn)動(dòng)技能有重要作用，對(duì)以肢體練習(xí)為主要手段的實(shí)踐教學(xué)有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：三維運(yùn)動(dòng)捕捉；高校體育教學(xué)；教學(xué)資源

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(duì)其他學(xué)科教學(xué)來(lái)說(shuō)，高校體育教學(xué)是我國(guó)高等教育的薄弱環(huán)節(jié)，現(xiàn)代信息技術(shù)沒(méi)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(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是運(yùn)動(dòng)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(bǔ)教學(xué)資源制作技術(shù)上的不足，對(duì)推進(jìn)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(guó)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(jì)算機(jī)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(duì)其他學(xué)科來(lái)說(shuō)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(lái)看，主要有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用：①理論課教學(xué)中將電子板書(shū)代替手寫(xiě)板書(shū)；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(guó)外研究現(xiàn)狀

在發(fā)達(dá)國(guó)家，運(yùn)動(dòng)捕捉已經(jīng)進(jìn)入了很廣泛的實(shí)用化階段，如GolfSense是一款便攜式Golf動(dòng)作輔助訓(xùn)練系統(tǒng)，通過(guò)創(chuàng)新的硬件、軟件及云平臺(tái)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的動(dòng)作捕捉和數(shù)據(jù)分析，讓高爾夫愛(ài)好者從各個(gè)角度精確地分析自己的揮桿動(dòng)作，是目前高爾夫愛(ài)好者快速提升高爾夫水平的最佳訓(xùn)練用具。[1]而微軟開(kāi)發(fā)的Xbox360作為一種3D體感游戲機(jī)，利用即時(shí)動(dòng)態(tài)捕捉、麥克風(fēng)輸入、攝像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等一系列功能，讓玩家通過(guò)自身的運(yùn)動(dòng)來(lái)操控游戲，使其真正體驗(yàn)到“體感”的精髓。[2]三維運(yùn)動(dòng)捕捉分析系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于影視特效、動(dòng)畫(huà)制作、虛擬現(xiàn)實(shí)、游戲、人體工程學(xué)、輔助體育訓(xùn)練和運(yùn)動(dòng)分析、生物力學(xué)研究等許多方面。

3.國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，基于運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，逐漸應(yīng)用于現(xiàn)代競(jìng)技體育。張延峰等人在《淺談三維動(dòng)畫(huà)在運(yùn)動(dòng)技術(shù)影像分析上的應(yīng)用》中提到，利用人體三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)可以更好地獲取并研究其動(dòng)作過(guò)程中的數(shù)據(jù)，探究其運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)捕捉的武術(shù)套路難度動(dòng)作“數(shù)字裁判”的可行性研究》中，驗(yàn)證了基于光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉的人體運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)可以對(duì)運(yùn)動(dòng)員的難度動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉并解析，將直觀的難度動(dòng)作轉(zhuǎn)變成抽象的可以量化的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)難度動(dòng)作的“數(shù)字化”裁判。[4]

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

三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是一種基于計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的用于準(zhǔn)確測(cè)量和記錄運(yùn)動(dòng)物體在三維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)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(guò)程、輔助教學(xué)訓(xùn)練等方面，將對(duì)高校體育教學(xué)的手段、過(guò)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(diǎn)和教學(xué)特性的方式方法。

1.三維運(yùn)動(dòng)捕捉分析系統(tǒng)

三維運(yùn)動(dòng)捕捉分析系統(tǒng)是指借助傳感器、信號(hào)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(duì)運(yùn)動(dòng)中的人、動(dòng)物或物體的三維運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉和數(shù)字解析的系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)在于對(duì)人或物體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量、跟蹤、記錄和分析。

三維運(yùn)動(dòng)捕捉分析系統(tǒng)主要可分為機(jī)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(yùn)動(dòng)和身體練習(xí)為基本手段，促進(jìn)大學(xué)生增強(qiáng)體質(zhì)，掌握體育健康基本知識(shí)和技能。傳統(tǒng)高校體育教學(xué)訓(xùn)練過(guò)程，教師主要依靠在長(zhǎng)期教學(xué)中總結(jié)的主觀經(jīng)驗(yàn)向?qū)W生傳授體育知識(shí)和技能。學(xué)生通過(guò)模仿教師的動(dòng)作并反復(fù)練習(xí)來(lái)掌握運(yùn)動(dòng)技能。

由于師生的交互基本上是采用言語(yǔ)解釋和動(dòng)作示范相結(jié)合的方式，學(xué)生只能在觀摩教師動(dòng)作的基礎(chǔ)上抽象地理解該動(dòng)作的生理原理和技術(shù)要領(lǐng)，然后再轉(zhuǎn)化為肢體動(dòng)作。教師和學(xué)生之間的思維和認(rèn)知水平存在一定的差異，再加上整個(gè)教學(xué)過(guò)程是基于抽象的主觀經(jīng)驗(yàn)的，這些因素必將影響學(xué)生對(duì)動(dòng)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(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)最主要的特點(diǎn)在于其能夠?qū)崟r(shí)捕捉人體運(yùn)動(dòng)的真實(shí)動(dòng)作并用量化的數(shù)據(jù)來(lái)表述人體在三維空間的運(yùn)動(dòng)軌跡，能夠分析人體各個(gè)關(guān)節(jié)的位移、運(yùn)動(dòng)速度、角速度、旋轉(zhuǎn)角度等關(guān)鍵信息，并且可以實(shí)現(xiàn)人體動(dòng)作的三維重現(xiàn)。通過(guò)捕捉教師和學(xué)生的動(dòng)作，便于進(jìn)行量化分析，結(jié)合人體生理學(xué)、物理學(xué)原理，研究改進(jìn)的方法，使高校體育教學(xué)擺脫純粹的依靠經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)，進(jìn)入科學(xué)化、數(shù)字化的時(shí)代。

3.在體育教學(xué)資源制作中的應(yīng)用

三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)具有能夠捕捉人體真實(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，提供運(yùn)動(dòng)軌跡和量化數(shù)據(jù)，提供多個(gè)視角及調(diào)整捕捉文件的播放速度的特點(diǎn)。在高校體育教學(xué)中使用三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，能夠使體育教學(xué)擺脫純粹依靠經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)，進(jìn)入科學(xué)化、數(shù)字化的時(shí)代，有利于學(xué)生對(duì)體育動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)畫(huà)，技術(shù)動(dòng)畫(huà)的示范真實(shí)性與動(dòng)畫(huà)的制作者水平有很大關(guān)系，即使動(dòng)畫(huà)制作高手費(fèi)時(shí)費(fèi)力的制作某項(xiàng)技術(shù)動(dòng)畫(huà)，也很難實(shí)現(xiàn)攝影機(jī)在短時(shí)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(dòng)畫(huà)，不能對(duì)畫(huà)面中的示范者和攝像機(jī)進(jìn)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(lái)觀察技術(shù)動(dòng)作，不能隨意觀察特定技術(shù)動(dòng)作的便利角度，致使學(xué)習(xí)者與資源間的交互較為被動(dòng)，而三維運(yùn)動(dòng)捕捉分析系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)捕捉三維空間內(nèi)的動(dòng)作軌跡，并將動(dòng)作量化為精確的數(shù)據(jù)。利用三維運(yùn)動(dòng)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(dòng)畫(huà)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(duì)教師動(dòng)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(cuò)誤時(shí)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(yùn)動(dòng)捕捉分析系統(tǒng)可以先后將教師與學(xué)生的動(dòng)作軌跡捕捉下來(lái)，及時(shí)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(gè)方面：一是學(xué)生所做的動(dòng)作與要求完成動(dòng)作的對(duì)比信息，二是如何改正錯(cuò)誤動(dòng)作使之盡可能接近標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作的信息。這樣能夠起到促進(jìn)學(xué)生糾正錯(cuò)誤動(dòng)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(jìn)行動(dòng)作技能的練習(xí)和訓(xùn)練也是高校體育教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是學(xué)生對(duì)動(dòng)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(shí)獲得掌握技術(shù)動(dòng)作程度的反饋信息，有助于改進(jìn)技術(shù)訓(xùn)練方法和改善調(diào)控技術(shù)訓(xùn)練過(guò)程。要實(shí)現(xiàn)這一目的，必須借助科學(xué)的測(cè)試診斷并結(jié)合豐富的經(jīng)驗(yàn)診斷，即采用先進(jìn)的生物力學(xué)設(shè)備與方法進(jìn)行診斷，然后結(jié)合教師的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行配合斷定。三維運(yùn)動(dòng)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(jià)值的信息。

將三維運(yùn)動(dòng)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(shí)客觀的運(yùn)動(dòng)信息和量化的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)改進(jìn)教學(xué)的方法與手段，擴(kuò)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(yùn)動(dòng)技能有重要作用，對(duì)舞蹈、雜技、機(jī)械操作等以肢體練習(xí)為主要手段的實(shí)踐教學(xué)有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]朋友高爾夫. GolfSense是全球首款便攜式Golf動(dòng)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(jī)[DB/OL].http://tiganyouxiji.baike.com/article-258904.html.

[3]張延峰,宋麗,井紅麗.淺談三維動(dòng)畫(huà)在運(yùn)動(dòng)技術(shù)影像分析上的應(yīng)用[J].冰雪運(yùn)動(dòng),2006(2).

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

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

（編輯：魯利瑞）