基于WEB虚拟技术的跆拳道教学系统的研究与实践

钟亚平 胡卫红 周长涛 吴庆建 刘鹏 钱大鹏

摘要：如何完成高难示范动作和清楚表达复杂的技术要点是当今体育教学训练中的难题之一。运用WEB虚拟现实技术开发了跆拳道教学系统，并通过分组实验验证了系统在跆拳道技术教学中的优越性。

关键词：跆拳道；教学；虚拟技术

中图分类号：G807。4文献标识码：A文章编号：1006—2076（2012）01—0096—03

Abstract：How to complete the highly difficult movements and clearly demonstrate the complexity oftechnical points is currently one of the key problems in physical training。 In this paper， a Taekwondo teaching system is developed by using WEB virtual reality technology， and its teaching superiority is verified through different experimental groups。

Key words：Taekwondo；teaching；virtual reality technology

虚拟现实技术是由高性能计算机系统创建的一种令人感到身临其境、可以获得与环境交互体验的虚拟世界。各种研究表明，在教学中应用虚拟现实技术能有效提高学生掌握知识、技能的效率[1]。体育教学训练中随着运动技术不断的提高，教师有时在教学中很难完成示范动作，有时也很难用言语和动作路线清楚表达复杂的技战术内容，同时学生需要有大量的除了本体感觉外的感觉信号特别是视听感觉。而虚拟仿真技术所具有的特征却能很好弥补这些不足之处，它的出现为教学提供了新的教学环境和平台，对为积极探索体育教学改革有着重要的意义。

目前，国内外已有研究将虚拟现实技术引入到体育训练过程中，并取得了一定的效果。U。Y。 Yang等人运用基于虚拟现实技术的沉浸式运动训练系统进行训练[2]；美国国家雪橇队运用仿真雪橇装置进赛前训练[3]；Amusitronix的研究开发人员开发了VR Baseball，VR Golf，VR Kayaking，VR Tennis，和VR Snow/Skate/Surf 等系统[4]；Sheffield Hallam 大学运用虚拟体操运动员系统进行体操训练[5]。然而，以上各种实验性研究所采用的虚拟现实硬件设备过于昂贵，很难在体育教学与训练中普及应用。现阶段虚拟现实技术在教育领域的应用范围越来越广，呈现了多元化的发展趋势，其中，基于WEB的虚拟现实技术相对简单，投入的成本相对较低，发展前景广阔。

本研究运用WEB虚拟现实技术开发了跆拳道教学系统。通过多台摄像机同时拍摄跆拳道动作，运用SIMI Motion解析三维运动信息，调用MotionBuilder进行人体建模及三维运动仿真，使用VRPIE平台进行WEB三维展示。通过分组实验，验证了系统的优越性。

1跆拳道三维运动信息的获取

跆拳道运动信息的获取，主要分为跆拳道运动视频的采集、人体关节点的标注和运动人体三维坐标的生成三个步骤。

1。1跆拳道运动视频采集

跆拳道运动视频采集通过三维摄影测量法拍摄。根据跆拳道运动的特点，采用4架日本SONY—HCIE型号的摄像机分别置于测试对象区域平面的四个角处。测试区域中心放置带有标记点三维框架，三维标定框架主要用于对运动空间进行标定。首先对测试区域中心的三维框架的拍摄，然后对每个技术动作进行定点同步拍摄。

1。2人体关节点标注

采用SIMI Motion运动录像分析系统对采集的三维人体运动数据进解析，分析模型采用汉纳范（Hanavan）人体数学模型。从通过摄影测量法拍摄的二维图像序列/视频中选取两个不同角度较为清晰的视频，对视频的每一帧进行人体关节点的标注。标注的关节点主要包括：头，肩（左、右），手（左、右），手腕（左、右），肘（左、右），髋（左、右），髋中心，膝关节（左、右），脚后跟（左、右），脚踝（左、右），足尖（左、右）等20个关节点。采用数字滤波法对标注点进行平滑处理，设定截断频率为8，使用DLT法获取三维空间中人体各个关节点在不同时刻的空间坐标。

1。3运动人体三维坐标生成

人体关节点标注后，运用SIMI Motion可生成三维人体运动数据文件，该文件记录着各个标定点在每个关键帧的三维空间位置数据。SIMI Motion可以输出多种格式，如bvh、c3d、csm、dxf、lws、ma、slf、trc等。考虑到下一步使用MotionBuilder作为跆拳道基本动作仿真实现工具，因此选用trc格式作为系统的运动人体三维坐标生成格式。

2跆拳道仿真动画制作

基于动作捕捉技术的跆拳道仿真动画的制作，主要包括人体建模和动作驱动。系统通过MotionBuilder动画软件的Motion File Import功能将TRC格式的动捕数据导入到三维场景。动捕数据的使用首先需要在MotionBuilder中建立Actor，通过Marker点驱动Motionbuilder的Actor，再用Actor驱动角色，实现角色动画。实现过程如下：

1） 在MotionBuilder中建立Actor。

2） 依据动作捕捉的数据调整Actor动作。将Actor的T—Pose 匹配到动捕的第一帧上，该过程主要通过移动、旋转、缩放参考的坐标来实现。

3） 匹配好动捕与Actor之间的位置关系后，创建关联区域。分别将头部、颈部、肩部、上臂、前臂、手、背、胸、腰、髋、大腿、小腿、脚腕、脚跟、脚尖的位置进行名称匹配，动捕的关键帧动作传递给Actor。

4） 导入跆拳道人体模型，将模型与Actor关联。

3WEB三维展示

网络三维交互技术实现了3D模型的网上三维交互演示，具有网络性、三维性和互动性等特征。系统通过运用VRPIE三维网络平台实现跆拳道教学的三维展示功能。VRPIE平台主要由两部分组成，分别为制作端软件VRP—Builder和客户端插件VRPIE—Player。

VRP—Builder用来编辑和发布VRPIE场景文件。首先通过VRP插件导出上述的已生成的跆拳道动画，导入至VRP编辑器，将动作加入到动作库，增加控制按钮，通过脚本来建立相应的灯光、摄像机和时间控制器，用来设置灯光和渲染效果、设置镜头、控制角色运动的360°旋转、运动的前进后退、快进快退等功能，控制骨骼动画的播放。将当前场景编译成一个可独立执行的EXE文件或者输出可网络发布的VRPIE文件，实现网上发布。用户访问 VRPIE网页，实现全三维场景的浏览和交互。比如，通过鼠标来控制镜头的视角及拉伸等操作，进行任意角度及距离的观看；通过速度进度条控制动作的快进、慢放及暂停等操作；利用声音效果，系统同步进行动作要领的解说，以及同步显示基本动作要领的文字说明。图1为其中一组跆拳道动作的WEB三维展示图。

图1WEB三维跆拳道教学效果图

4实验研究

4。1研究对象

选取山东体育学院××专业72名从未练习过跆拳道的在校本科生作为被测对象，其中男子44人，女子28人。随机分为实验组和对照组，每组36人，其中男子22人，女子14人。

4。2实验要求

实验组在教学过程中运用跆拳道WEB三维演示系统结合老师教学。每次课分为两部分，第一部学生通过三维演示系统观看将要学习的跆拳道基本动作，在三维演示系统中切换不同角度观察动作技术特点及注意问题；第二部分在场地练习跆拳道基本动作，由教师进行动作指导及纠正。对照组由同一个教师采用传统教学，课程内容、评价测试保持一致。实验时间从2010年3月至6月，共36课时。

4。3实验数据采集

实验前对实验对象进行身体素质测试，主要以与跆拳道相关的身体测试项目为主，包括纵叉、横叉、50次高抬腿、100米跑速度、立定跳远、30秒立卧撑。

实验后对实验对象身体素质进行第二次测试，同时对实验对象进行技术动作评分。评分评委为三位山东省跆拳道队教练，针对每个动作三位评委各自评分，以平均分为最终得分。评分过程中实验组与对照组随机出场，以免干扰评委对成绩的评定。评分项目为前滑步、后滑步、上步、前踢、横踢。

4。4实验结果与分析

实验组与对照组在练习跆拳道前后所测得的身体素质数据见表1、表2。数据显示，经过跆拳道的学习，实验组与对照组学生的身体素质均比实验前有所提高，柔韧、力量、速度、耐力等方面均有显著性进步，说明跆拳道的练习取得了效果，提高了学生的身体素质；对比实验组与对照组的进步程度，实验组大于对照组，通过独立样本t检验验证P＞0。05，差异不具有显著性，说明WEB虚拟技术跆拳道教学手段相对传统教学方法在教学过程中对于学生身体素质提高方面没有显著的促进作用。

通过对实验组的访谈，学生普遍认为通过运用基于WEB虚拟技术的跆拳道教学系统，在跆拳道学习过程中更主动、更积极，可以更加自主的选择学习的角度，从而激发学习兴趣；更加准确掌握动作要领，从而更快取得优秀成绩。基于WEB虚拟技术的跆拳道教学系统能够很好地解决学生课余时间练习缺乏指导的难题，避免学生在课后练习中因为大脑错误表象而产生错误动作。学生可以通过重复观看、模拟系统中的动作来提高自己的技术水平，真正做到“因材施教”。

5结论

本研究运用运动捕捉、三维建模和WEB三维展示技术建立了基于WEB虚拟技术的跆拳道教学系统，为虚拟现实技术与运动训练教学有效整合提供了可操作的方法和手段。实验研究表明，基于WEB虚拟技术的跆拳道教学系统对跆拳道教学的技术动作提高具有显著性。

参考文献：

[1] 虚拟现实技术在教育中的应用[M]。北京：科学出版社，2007。

[2] U。Y。 Yang， G。J。 Kim。 Implementation and Evaluation of An immersive， vr—based， motion training system[J]。Tele—operators and Virtual Environments， Vol。 11（3）， June 2002。 304—323。

[3] 李祥晨，孙晋海。 体育系统仿真[M]。 北京：人民体育出版社，2001。

[4] Amusitronix。 VR Sports[OL]。http：//www。amusitronix。com/VRSport。html， 2003。

[5] Sykes Andy。 News Virtual gym fixes it for young athletes[OL]。http：//www。shu。ac。uk/schools /slm/ news/sport1。html， 2003。