動作捕捉技術(shù)下武術(shù)訓練系統(tǒng)淺探

牛 凱 陳 皓

武漢職業(yè)技術(shù)學院，湖北 武漢 430074

現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，對人們的生活產(chǎn)生了深遠的影響，也在不斷改變?nèi)藗儗W習知識和身體鍛煉的方式。當前，隨著計算機技術(shù)的普及和數(shù)字教育應(yīng)用的推廣，動作捕捉技術(shù)不斷被應(yīng)用于運動訓練，促進體育訓練向數(shù)字化、科學化發(fā)展。武術(shù)作為我國優(yōu)秀傳統(tǒng)體育文化的代表，也應(yīng)將動作捕捉技術(shù)與傳統(tǒng)武術(shù)訓練相結(jié)合進行研究，讓武術(shù)通過信息技術(shù)手段煥發(fā)生機。

1 動作捕捉技術(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)掀起一場影響人類社會發(fā)展深刻變革。武術(shù)作為我國傳統(tǒng)體育文化項目的代表，也應(yīng)緊跟信息技術(shù)時代潮流更好的滿足人們現(xiàn)代化需求。武術(shù)教學屬于操作性技能教學，具有較強的實踐性和直觀性，需要言傳身教和準確的示范與講解。因為武術(shù)教學內(nèi)容和方式的特殊性，慕課、多媒體等通過視頻、語音和圖片進行教學的現(xiàn)代信息技術(shù)，可以作為武術(shù)教學的輔助方式，但不能作為武術(shù)教學的主要方式。動作捕捉（Motion capture），簡稱Mocap，是在運動物體的關(guān)鍵部位設(shè)置跟蹤器，并進行測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運動軌跡。因此，可以將操作性技能的動作軌跡進行三維數(shù)字化處理，然后以動畫和虛擬現(xiàn)實等方式呈現(xiàn)出來。目前，發(fā)達國家動作捕捉技術(shù)已經(jīng)開始卓有成效地應(yīng)用于各類體育項目訓練，我們應(yīng)該緊跟信息技術(shù)時代步伐，加快將動作捕捉技術(shù)應(yīng)用于武術(shù)訓練的分析和研究，進一步提高我國武術(shù)訓練水平，讓武術(shù)通過信息技術(shù)手段煥發(fā)出新的生機。

2 基于動作捕捉技術(shù)下武術(shù)訓練系統(tǒng)研究的意義

2.1 促進優(yōu)秀文化遺產(chǎn)的保護和傳承

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。早在二十世紀八十年代原國家體委通過對武術(shù)挖掘整理工作中共認定了129個拳種。武術(shù)無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)。習近平總書記也明確指出，“培育和弘揚社會主義核心價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)文化是我們在世界文化激蕩中站穩(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，拳種的失傳等問題日益突出，這也對我國武術(shù)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護和傳承形成了巨大的挑戰(zhàn)。通過基于動作捕捉技術(shù)下武術(shù)訓練系統(tǒng)可以對不同流派，拳種進行動作數(shù)據(jù)捕捉與處理，然后通過數(shù)據(jù)與動畫角色綁定，制作出武術(shù)訓練系統(tǒng)軟件，這樣就能夠長期、精確、有效和立體化的保存民族文化的內(nèi)容。基于動作捕捉技術(shù)的武術(shù)訓練系統(tǒng)的研究成果和經(jīng)驗也可以很好地為我國民族舞蹈、雜技等民族文化項目借鑒，更好的促進我國優(yōu)秀文化遺產(chǎn)的保護和傳承。

2.2 促進武術(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)用于實踐教學和訓練中。傳統(tǒng)的師徒制和現(xiàn)代的班級授課制是武術(shù)傳播的主要方式，老師能同時進行一個甚至數(shù)十個學生的教學，但信息增值率依舊不高。由于武術(shù)訓練內(nèi)容和方式的特殊性，需要言傳身教，必須要通過準確的示范與講解。慕課、多媒體等只是通過語言和視頻傳播的教學方式，可以作為武術(shù)教學的輔助方式，但不能作為就武術(shù)教學的主要方式。通過運用基于動作捕捉技術(shù)下武術(shù)訓練系統(tǒng)，能夠比較直觀地，多個示范面地展示，并且可以不受時間、地點的限制，將信息增值率擴大成千上萬倍。學生可以通過下載應(yīng)用程序，安裝后根據(jù)自身的需求，輕松自如的在手機等設(shè)備上通過觸屏的方式，拖拽來轉(zhuǎn)換視角、調(diào)整視覺距離，即使被擋住的動作也可以通過改變視角來觀察到，具有針對性的反復(fù)學習和訓練動作，并迅速地掌握動作要點?；趧幼鞑蹲较挛湫g(shù)訓練系統(tǒng)可以通過手機應(yīng)用商場，在線課程等網(wǎng)絡(luò)形式快速下載傳播，更好地促進武術(shù)的傳播與推廣。

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

圖1 人體骨骼模型及慣性動捕儀的17個采集點

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

3.1 訓練系統(tǒng)的研發(fā)

3.1.1 武術(shù)動作的數(shù)字化

使用動作捕捉技術(shù)可以實現(xiàn)武術(shù)動作的精確記錄，完成武術(shù)動作的數(shù)字化。目前的動作捕捉系統(tǒng)主要分為機械式動態(tài)捕捉系統(tǒng)、聲學式動態(tài)捕捉系統(tǒng)、電磁式動態(tài)捕捉系統(tǒng)、慣性動態(tài)捕捉系統(tǒng)和光學式動態(tài)捕捉系統(tǒng)5 種。由于慣性動捕儀具有不受環(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，性價比高等優(yōu)點，因此，本研究主要采用慣性動作捕捉儀對武術(shù)教練整套武術(shù)動作進行完整的動作數(shù)據(jù)采集和處理。

3.1.1.1 武術(shù)動作數(shù)據(jù)捕捉

慣性動捕儀通過在人體的17個關(guān)鍵部位綁戴慣性傳感器，然后通過每秒100幀的速率對關(guān)鍵部位的運動進行實時測量。17關(guān)鍵點包括：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)包括每個關(guān)鍵點的偏移距離和YXZ三維旋轉(zhuǎn)角度。但在計算機中人體骨骼模型不只17塊，通過反向運動學原理，依據(jù)慣性動捕儀提供的17個關(guān)鍵點產(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)動作數(shù)據(jù)的后期處理

在采集武術(shù)動作數(shù)據(jù)后，還需要對數(shù)據(jù)進行檢查和修正，以保證三維動作的流暢性和穩(wěn)定性。因為人體所佩戴的傳感器可能發(fā)生混淆和遮擋，所以在動作捕捉儀采集過程中會產(chǎn)生誤差；慣性動捕儀是通過對人體17個關(guān)鍵部位數(shù)據(jù)的采集，運用反向運動學原理推算骨骼其他部位的三維數(shù)據(jù)所以也會產(chǎn)生誤差。我們采集的雙足數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)過于貼近，從而引起雙足模型的重合，所以我們要通過MotionBuild軟件逐幀進行骨骼三維數(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)動作瑕疵

3.1.2 武術(shù)動作的動畫生成

通過動作捕捉可以得到一個包含人體骨骼結(jié)構(gòu)信息、時間信息、每塊人體骨骼的三維信息。通過這些信息可以和計算機中的虛擬人體進行綁定，還原整套武術(shù)動作，制作出武術(shù)動畫。

3.1.2.1 人體建模

武術(shù)動作數(shù)據(jù)要與人體角色進行綁定才能展現(xiàn)，我們可以根據(jù)不同需求建立不同的人物模型。目前常見的以人體建模分為幾何手動建模和照片自動建模兩種方式。本研究主要使用3DMAX軟件可以進行虛擬人體的手動建模，通過規(guī)則的幾何體開始，逐漸修正幾何面，使得模型逐漸逼近人體模型。我們在強調(diào)身體結(jié)構(gòu)建模的同時也更加強調(diào)人體面部的識別和處理，因為我們在強調(diào)動作數(shù)據(jù)的重要性的同時，也希望把動作數(shù)據(jù)的展現(xiàn)者的原貌更好的保存和展現(xiàn)，特別是對非物質(zhì)文化傳承人的保護，所以我們認為人體的臉部模型建模也是極其重要一個環(huán)節(jié)。在人臉建模時，我們使用FaceGenModeller軟件，通過人物的正面和左右側(cè)面三張照片就可以進行自動建模，然后輸出到3DMAX軟件，進行模型組裝、貼圖合并即可得到最終的人體模型。

3.1.2.2 人體模型綁定動作數(shù)據(jù)

在3DMAX軟件中對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)動作進行綁定。綁定需要三個步驟：設(shè)定動畫為人型動畫（Humanoid）如，虛擬人體的骨骼配置與武術(shù)動作骨骼一致，虛擬人體綁定動畫。在Unity軟件中可以制作動物動畫、人型動畫等多種動畫，武術(shù)動作應(yīng)使用人型動畫。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)動作捕捉數(shù)據(jù)中的骨骼一致。最后，在虛擬人體的動畫控制器（Controller）中綁定武術(shù)動畫。

3.1.3 武術(shù)訓練軟件制作

人體角色與武術(shù)動作數(shù)據(jù)綁定后，通過Unity編程將動畫場景、音樂解說、播放暫停設(shè)置、GoogleVR雙目觀看等功能進行添加設(shè)置，最后通過Unity的多平臺生成功能制作安卓APP軟件操作系統(tǒng)。動畫場景是在計算機虛擬空間中構(gòu)建一個虛擬教室，給武術(shù)教學一個展示空間；音樂解說是在武術(shù)動作教學時進行武術(shù)動作講解；播放暫停是讓學生在學習過程中可以暫?；蚧謴?fù)學習，來自由掌握學習進度。我們可以通過運用谷歌公司提供的CardBoard虛擬現(xiàn)實插件實現(xiàn)簡易的虛擬現(xiàn)實功能，讓學員用雙目易身臨其境地觀看虛擬教室中的武術(shù)動作教學，并可以跟隨指導(dǎo)一起訓練。

3.2 實踐應(yīng)用

課題組早在2019年5月就已制作完成基于動作捕捉技術(shù)下的太極拳訓練系統(tǒng)，并開始著手該系統(tǒng)進入實踐應(yīng)用測試。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)完成的基于動作捕捉技術(shù)下的太極拳訓練系統(tǒng)用于教學實踐，首先老師通過在線教學平臺小范圍給學生，學生通過下載安裝軟件就可以進行訓練和學習?；趧幼鞑蹲郊夹g(shù)設(shè)計的太極拳訓練系統(tǒng)是一個可以在屏幕上拖拽來轉(zhuǎn)換視角、調(diào)整視覺距離，即使被擋住的動作也可以通過改變視角來觀察到，讓學生任意視角進行學習模仿，并迅速地掌握全部動作要點。課前，師生可以預(yù)習太極拳新課內(nèi)容，對重難點先有所了解；課中，在教師集體講解和示范后，教師根據(jù)學生需求和技能發(fā)展情況進行程序化教學，學生可以選擇不同的技術(shù)內(nèi)容進行學習和練習，讓教學具有開放性和針對性，并且讓因材施教和學生接受個性化教學成為了現(xiàn)實，武術(shù)教師能夠真正在集體化教學環(huán)境中實現(xiàn)個性化教學；課后，學生可以對所學內(nèi)容進行復(fù)習和鞏固，及時解決課堂教學中遺留的疑難問題。這樣就能有效地拓展教學空間和時間，提供師生因材施教的個性化的教學?；趧幼鞑蹲郊夹g(shù)下武術(shù)訓練系統(tǒng)在實踐應(yīng)用中雖然取得的良好效果，面對存在的一些問題，今后需要不斷改進和提升。

4 結(jié)語

基于動作捕捉技術(shù)下武術(shù)訓練系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用過程，課題組成員經(jīng)過了反復(fù)的研討與論證，最終考慮到因程序設(shè)計、硬件支持等因素，采用目前性價比最高的慣性動捕儀對武術(shù)動作進行數(shù)據(jù)采集和分析；為了讓武術(shù)訓練系統(tǒng)落地，更好的為人們服務(wù)，所以應(yīng)用Unity平臺生成智能手機可以使用的軟件，采取這種APP的應(yīng)用方式，可以更好的傳播與推廣。隨著HoloLens、無線Oculus等設(shè)備的發(fā)展，通過混合現(xiàn)實技術(shù)與武術(shù)訓練能夠相結(jié)合，人們能夠切實感受到在虛擬世界進行身臨其境的學習；隨著成本的下降，設(shè)備的普及，家庭就可以配置動作捕捉儀來對自身動作進行采集，并且可以匯聚形成一個龐大的武術(shù)動作數(shù)據(jù)庫。專家學者可以通過對大數(shù)據(jù)庫進行分析，了解人們的身心狀態(tài)、學習難點、易錯點等，更好地滿足人們需求，提供個性化的服務(wù)。武術(shù)訓練應(yīng)緊跟時代步伐，加大武術(shù)訓練研發(fā)的人力、物力和財力的信息技術(shù)培訓投入，以信息化帶動武術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，實現(xiàn)我國體育產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。