基于Moven的籃球技術(shù)三維仿真動畫的實現(xiàn)*

馮 卿，趙鵬飛，馮 梅（.浙江理工大學(xué)體育教研部，浙江 杭州008；.浙江財經(jīng)大學(xué)東方學(xué)院外國語分院，浙江 海寧008；.臺州初級中學(xué)體育組，浙江臨海7000）

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基于Moven的籃球技術(shù)三維仿真動畫的實現(xiàn)*

馮 卿1，趙鵬飛2，馮 梅3
（1.浙江理工大學(xué)體育教研部，浙江 杭州310018；2.浙江財經(jīng)大學(xué)東方學(xué)院外國語分院，浙江 海寧310018；3.臺州初級中學(xué)體育組，浙江臨海317000）

通過XsensMoven慣性運動捕捉系統(tǒng)獲取全面真實的籃球運動三維數(shù)據(jù)，并結(jié)合計算機虛擬仿真技術(shù)生成籃球技術(shù)三維仿真動畫，以應(yīng)用于籃球運動輔助教學(xué)與訓(xùn)練。首先通過動作捕捉技術(shù)采集籃球運動員的動作信息，然后利用三維建模技術(shù)進行籃球人物、場景和服飾建模，最后將捕捉的關(guān)鍵動作數(shù)據(jù)點與人物模型相綁定，合并場景，生成籃球運動技術(shù)三維動畫。運用三維仿真動畫形式演示籃球運動技術(shù)，可以全方位地表達教學(xué)意圖，優(yōu)化自主學(xué)習(xí)的過程，提升教學(xué)質(zhì)量。

運動捕捉；籃球運動技術(shù)；三維動畫；虛擬仿真

一、引言

籃球運動技術(shù)是一項以模仿訓(xùn)練為主的操作性技能，學(xué)員需要獲得大量的觀察、模仿、反饋、修正等本體感覺外的感知信號，特別是視聽感覺，在目前教學(xué)模式下，學(xué)生總是通過觀察教師的親身示范與講解來領(lǐng)會運動技術(shù)。但由于教師專業(yè)水準(zhǔn)的局限，其示范的準(zhǔn)確性及示范面的單一性在一定程度上影響學(xué)習(xí)的效果，加之缺乏及時溝通與糾正，則會導(dǎo)致學(xué)生形成錯誤的動作定型，亦會容易造成運動損傷。若在教學(xué)過程中運用三維仿真動畫全方位演示的優(yōu)勢展現(xiàn)教學(xué)技術(shù)內(nèi)容，恰恰能彌補傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的不足。

當(dāng)前，通過運動捕捉技術(shù)創(chuàng)作三維運動動畫，已經(jīng)成為計算機動畫研究的主流。它能夠節(jié)約動畫制作周期，提升畫面質(zhì)感的逼真度，在影視和游戲動畫制作、人體工程學(xué)研究、模擬訓(xùn)練等許多方面得到開發(fā)與重視，但是極少應(yīng)用于體育教育教學(xué)的前沿。因此，本文研究基于XsensMoven運動捕捉技術(shù)，采集籃球運動的三維數(shù)據(jù)，并結(jié)合計算機虛擬仿真技術(shù)，以驅(qū)動籃球運動技術(shù)三維人物動畫的實現(xiàn)，為探索體育仿真信息化資源的開發(fā)渠道提供參考建議。

二、Moven運動捕捉技術(shù)

運動捕捉 （motion capture）在國內(nèi)也稱動作捕捉，其定義是：通過在時域上跟蹤一些關(guān)鍵點的運動來記錄生物運動，然后將其轉(zhuǎn)換成可用的數(shù)學(xué)表達并合成一個單獨的3D運動的過程。動作捕捉系統(tǒng)主要分為五類：慣性動態(tài)捕捉系統(tǒng)、光學(xué)式動態(tài)捕捉系統(tǒng)、機械式動態(tài)捕捉系統(tǒng)、聲學(xué)式動態(tài)捕捉系統(tǒng)和電磁式動態(tài)捕捉系統(tǒng)。

XsensMoven便攜式慣性動態(tài)捕捉系統(tǒng)是人體運動慣性測量系統(tǒng)的代表，由位于荷蘭恩斯赫德的Xsens Technologies公司研發(fā)出品。它可以實時跟蹤和采集人體運動，免除以照相機為基礎(chǔ)的測量系統(tǒng)以及發(fā)射器所帶來的局限。而區(qū)別于其他捕捉系統(tǒng)的絕對優(yōu)勢在于：無論室內(nèi)或室外、有光無光均可以使用，行動較之靈活，這點尤其適合戶外體育運動項目。

Moven慣性動作捕捉系統(tǒng)綜合了微型慣性測量傳感器（加速度計、陀螺儀）以及輔助技術(shù)（GPS/GNSS視覺磁場傳感器）的優(yōu)勢，它共有16個慣性傳感器（圖1），軀干安置11個傳感器，可內(nèi)嵌在動作捕捉服上，頭部安置1個，手部安置2個，腳部安置2個。

在采集運動數(shù)據(jù)前，需要選擇一個地磁場不受干擾的工作環(huán)境，進行計算機設(shè)備安裝調(diào)試。這時，工作人員協(xié)助運動員模特穿戴專用服裝，并完成慣性傳感器之間的電纜連接。同時，須要檢查所有慣性傳感器安裝的正確位置，合理固定傳感器與身體相應(yīng)位置；另外確保模特身體表面、場地附近不能帶有金屬物品，否則會造成電磁場畸變，影響精度。然后，引導(dǎo)表演者做一些常規(guī)的動作，比如站立、走、跑、跳，進行動作捕捉工作之前動作校準(zhǔn)，使得動捕數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。在校準(zhǔn)工作結(jié)束后，即打開系統(tǒng)自帶的MVN studio采集及分析軟件進行錄制，模特在無線通信范圍內(nèi)展示各種技術(shù)動作，此時，接收傳感器將接收到的信號通過電纜傳送給處理單元，根據(jù)這些信號可以解算出每個傳感器的空間位置和方向，從而對每個關(guān)節(jié)動作進行精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)捕捉和傳輸。錄制后的動作數(shù)據(jù)可以即時導(dǎo)出，其支持的輸出格式有BVH（Biovision分級數(shù)據(jù)）、FBX、C3D（三維坐標(biāo)）等。

圖1　全身典型配置圖（16個慣性傳感器節(jié)點組成）

三、系統(tǒng)實現(xiàn)

1.實現(xiàn)流程

本文采用慣性捕捉系統(tǒng)技術(shù)獲取籃球運動員動作的關(guān)鍵骨骼點，然后將這些描述運動軌跡的關(guān)鍵點綁定在虛擬籃球人物模型上，使用這些關(guān)鍵點驅(qū)動虛擬的三維籃球運動員的動作過程，這樣可以有效的記錄下籃球運動員的肢體動作和全方位的技術(shù)特征。該實現(xiàn)系統(tǒng)的主要流程如圖2所示。

2.籃球虛擬場館的建模

基于Maya軟件構(gòu)建虛擬籃球場館，要注意根據(jù)建筑設(shè)計圖的比例進行還原，同時，盡可能減少模型的面數(shù)，刪除立體模型不可視面。比如，欄桿座椅要盡量以透視紋理實現(xiàn)（見圖3），達到減少場館模型的文件尺寸。

圖2　系統(tǒng)實現(xiàn)流程

圖3　

3.籃球運動員人物模型構(gòu)建

首先，三維仿真動畫演示的成敗是取決于角色模型的準(zhǔn)確與恰當(dāng)程度，所以建模是動畫制作過程的重頭戲。由于Maya擁有強大的建模和動畫渲染功能，因此，利用其軟件環(huán)境來創(chuàng)建籃球運動員的人物骨架與蒙皮。在骨架構(gòu)建中，人體模型與骨骼的連接會受到相關(guān)骨骼與模型權(quán)重的影響，而它直接關(guān)系到骨骼運動中模型表面的變形效果，在此可以通過設(shè)置蒙皮權(quán)重來完善上述問題（見圖4）。同時，采取UV紋理貼圖、合并組織模型和簡化模型面數(shù)，達到優(yōu)化模型，能保證減少文件尺寸和虛擬交互環(huán)境運動的流暢性的效果（見圖5）。

圖4　

圖5　

4.籃球人物模型的骨骼綁定

動作捕捉系統(tǒng)采集的運動軌跡是人體關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)點，要使得這些數(shù)據(jù)能夠驅(qū)動人物模型按照運動軌跡運動，需要進行骨骼綁定。骨骼綁定時必須注意模型關(guān)節(jié)各個數(shù)據(jù)點權(quán)重的影響，以保證模型運動的自然協(xié)調(diào)。綁定具體步驟如下：首先，將Moven動作捕捉系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Motionbuilder（MB）中，并把動畫模型的關(guān)鍵幀局設(shè)置為0，使得人體形狀調(diào)整成初始動作TPOSE（基本骨骼）姿態(tài)，用Character節(jié)點將數(shù)據(jù)23個身體環(huán)節(jié)點進行Biped（兩足動物）基本骨骼的角色化。然后，同時導(dǎo)入不帶動畫的Bone skeleton（BS）人體骨骼模型，用移動和縮放工具將原始采集數(shù)據(jù)與后者進行尺寸、比例和角度上的空間匹配，以保持兩者初始動作一致；再將Bs骨骼與原始數(shù)據(jù)的關(guān)鍵節(jié)點進行映射，從而使得Bs人體骨架模型被動捕數(shù)據(jù)驅(qū)動得以運動，并保存為*fbx文件格式。最后，完成運動骨骼綁定和調(diào)試結(jié)束后，便可將新建人物數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入Maya軟件中，利用角色控制工具Character Contorols，將數(shù)據(jù)模型的運動綁定在角色人物的根節(jié)點上，從而驅(qū)動角色模型，實現(xiàn)了動作捕捉技術(shù)的籃球運動員三維數(shù)據(jù)的運動展現(xiàn)。

5.運動捕捉籃球技術(shù)三維數(shù)據(jù)的動畫生成

籃球運動員模特穿戴好動捕服裝，在合適的場地內(nèi)，通過動作捕捉技術(shù)真實地記錄籃球運動員的技術(shù)動作，對動作數(shù)據(jù)進行三維模型的映射處理，利用Maya軟件進行人物、場景渲染及后期音效，實現(xiàn)運動動作的三維動畫重現(xiàn)。

圖6實際投籃技術(shù)動作與生成的動畫效果對比

圖6展示了籃球運動員的實際投籃動作與數(shù)據(jù)生成的動畫兩者之間的對比效果，以檢驗動作捕捉技術(shù)是否對于籃球技術(shù)動作進行全方位的正確記錄。其中，圖6（a）是根據(jù)本文介紹的籃球技術(shù)仿真動畫生成的方法，利用Moven系統(tǒng)設(shè)備實時采集籃球運動員的某幀動作。以此可以獲得和該幀動作相對應(yīng)的三維數(shù)據(jù)。圖6（b）是根據(jù)本文介紹的動畫生成方法，利用圖6（a）獲得三維動捕數(shù)據(jù)驅(qū)動角色模型生成的相應(yīng)動畫幀效果，該動畫效果與圖6（a）實際技術(shù)動作一致。

四、結(jié)束語

籃球技術(shù)動作呈三維動畫展示具有逼真自然、動感無限的特點，可以全視角、任意距離觀察技術(shù)動作的細(xì)節(jié)和關(guān)鍵點，幫助學(xué)員建立全面、直觀的運動表象，且人機交互作用能激發(fā)學(xué)員模仿訓(xùn)練的興趣，提升學(xué)員自主學(xué)習(xí)的能力，提高教學(xué)與訓(xùn)練的效果。

運用Moven運動捕捉系統(tǒng)收集較系統(tǒng)的籃球運動技術(shù)三維數(shù)據(jù)，便于教師隨時整合和運用教學(xué)資源，制作成符合教學(xué)需求的動畫數(shù)據(jù)庫；亦可利用運動捕捉采集的技術(shù)動作運動參數(shù)展開運動技術(shù)的科研分析，從而統(tǒng)計出運動規(guī)律，使得教學(xué)過程更加直觀化和智能化。當(dāng)然，在掌控并高效利用數(shù)據(jù)的過程中，勢必對體育教師的信息技術(shù)素養(yǎng)提出了更高的要求。

隨著“十三五”教育信息化的發(fā)展趨勢，運動捕捉等虛擬信息技術(shù)必將在體育領(lǐng)域具備更加廣闊的應(yīng)用前景，也將在拓展高校體育教育數(shù)字化資源建設(shè)中發(fā)揮一席之地。

［1］黃波士，陳福民.人體運動捕捉及運動控制的研究［J］.計算機工程與應(yīng)用，2005，41（7）：60-63.

［2］趙杰.動態(tài)捕捉五大技術(shù)種類及光學(xué)式運動捕捉的實用技巧（上）［J］．電視字幕.特技與動畫，2009（2）：30-32.

［3］張林.基于VR的籃球運動仿真輔助教材的研發(fā)［J］.計算機科學(xué)，2007，34（12）：73-77.

［4］MENACHE A．Understanding motion capture for computer animationand video games［M］.San Francisco，CA：Morgan Kaufmann Pub-lishersInc，1999．

（編輯：魯利瑞）

G80-05

A

1673-8454（2016）10-0074-03

浙江省高等教育課堂教學(xué)改革項目“雙主”教學(xué)模式在普通高校籃球課堂教學(xué)中的應(yīng)用研究”（kg2013122）；全國教育信息技術(shù)研究“十二五”規(guī)劃2013年度立項專項課題“大學(xué)籃球課程仿真系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用”（136231381）。