三维运动捕捉系统在高校体育教学中的应用探析

吴昌明，于忠，段渭军

（西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安710072）

高校体育教学是高素质人才培养的重要组成部分，相对其他学科教学来说，高校体育教学是我国高等教育的薄弱环节，现代信息技术没有在高校体育教学中得到广泛应用。网络技术、多媒体技术及虚拟仿真技术的飞速发展为高校体育教学的变革提供了有利条件。三维运动捕捉系统是运动捕捉技术和虚拟仿真技术相结合的典型代表，将其应用于高校体育教学，不仅有助于改善教学的方法和手段，还能弥补教学资源制作技术上的不足，对推进体育教育信息化和现代化具有重要意义。

一、研究现状

1.高校体育教学现状

目前，我国高校体育教学是以讲解示范为主，信息技术应用还停留在以计算机辅助传统体育教学阶段，而信息技术与体育教学的整合相对其他学科来说更为薄弱。就现代信息技术在高校体育教学中的应用来看，主要有以下几个方面的应用：①理论课教学中将电子板书代替手写板书；②教学的多媒体课件主要由Author-Ware、PowerPoint、Flash等制作；③现有的视频教学资源基本上都是二维视频，三维仿真的资源很少。

2.国外研究现状

在发达国家，运动捕捉已经进入了很广泛的实用化阶段，如GolfSense是一款便携式Golf动作辅助训练系统，通过创新的硬件、软件及云平台的结合，实现精准的动作捕捉和数据分析，让高尔夫爱好者从各个角度精确地分析自己的挥杆动作，是目前高尔夫爱好者快速提升高尔夫水平的最佳训练用具。[1]而微软开发的Xbox360作为一种3D体感游戏机，利用即时动态捕捉、麦克风输入、摄像识别、语音识别等一系列功能，让玩家通过自身的运动来操控游戏，使其真正体验到“体感”的精髓。[2]三维运动捕捉分析系统已经成功地应用于影视特效、动画制作、虚拟现实、游戏、人体工程学、辅助体育训练和运动分析、生物力学研究等许多方面。

3.国内研究现状

随着计算机技术和虚拟仿真技术的快速发展，基于运动捕捉技术的三维运动捕捉系统，逐渐应用于现代竞技体育。张延峰等人在《浅谈三维动画在运动技术影像分析上的应用》中提到，利用人体三维动画技术可以更好地获取并研究其动作过程中的数据，探究其运动技术及原理，找出正确的训练方法。[3]张胜利等人在《基于运动捕捉的武术套路难度动作“数字裁判”的可行性研究》中，验证了基于光学运动捕捉的人体运动分析系统可以对运动员的难度动作进行实时捕捉并解析，将直观的难度动作转变成抽象的可以量化的数据，实现对难度动作的“数字化”裁判。[4]

二、三维运动捕捉分析系统在高校体育教学中的应用

三维运动捕捉系统是一种基于计算机图形技术和虚拟仿真技术的用于准确测量和记录运动物体在三维空间内运动情况的设备，将其应用于高校体育教学资源制作、教学过程、辅助教学训练等方面，将对高校体育教学的手段、过程、模式等产生重要影响，从而提出适合高校体育学科特点和教学特性的方式方法。

1.三维运动捕捉分析系统

三维运动捕捉分析系统是指借助传感器、信号捕捉设备、数据传输设备、数据处理设备等对运动中的人、动物或物体的三维运动轨迹进行实时捕捉和数字解析的系统，其关键技术在于对人或物体在三维空间中的运动轨迹的测量、跟踪、记录和分析。

三维运动捕捉分析系统主要可分为机械式、声学式、电磁式、光学式四大类。[5]

2.可行性分析

高校体育教学是高等教育的重要组成部分，其目的在于以运动和身体练习为基本手段，促进大学生增强体质，掌握体育健康基本知识和技能。传统高校体育教学训练过程，教师主要依靠在长期教学中总结的主观经验向学生传授体育知识和技能。学生通过模仿教师的动作并反复练习来掌握运动技能。

由于师生的交互基本上是采用言语解释和动作示范相结合的方式，学生只能在观摩教师动作的基础上抽象地理解该动作的生理原理和技术要领，然后再转化为肢体动作。教师和学生之间的思维和认知水平存在一定的差异，再加上整个教学过程是基于抽象的主观经验的，这些因素必将影响学生对动作技能的掌握，也就影响了体育教学质量和效果。

三维运动捕捉系统最主要的特点在于其能够实时捕捉人体运动的真实动作并用量化的数据来表述人体在三维空间的运动轨迹，能够分析人体各个关节的位移、运动速度、角速度、旋转角度等关键信息，并且可以实现人体动作的三维重现。通过捕捉教师和学生的动作，便于进行量化分析，结合人体生理学、物理学原理，研究改进的方法，使高校体育教学摆脱纯粹的依靠经验的状态，进入科学化、数字化的时代。

3.在体育教学资源制作中的应用

三维运动捕捉系统具有能够捕捉人体真实的运动情况，提供运动轨迹和量化数据，提供多个视角及调整捕捉文件的播放速度的特点。在高校体育教学中使用三维运动捕捉系统，能够使体育教学摆脱纯粹依靠经验的状态，进入科学化、数字化的时代，有利于学生对体育动作的理解和学习，而不仅仅是单纯的模仿，有利于学生运动技能的掌握，从而提高教学的质量和效率。

高校体育教学目前常用的多媒体资源多是技术影片和动画，技术动画的示范真实性与动画的制作者水平有很大关系，即使动画制作高手费时费力的制作某项技术动画，也很难实现摄影机在短时间内拍摄的视频效果，一般的体育工作者就更难以胜任了。

目前体育教学中常用的多媒体资源是影片和动画，不能对画面中的示范者和摄像机进行操控，学习者只能按照资源展示的视角和距离以及示范者展示的角度和距离来观察技术动作，不能随意观察特定技术动作的便利角度，致使学习者与资源间的交互较为被动，而三维运动捕捉分析系统具有实时捕捉三维空间内的动作轨迹，并将动作量化为精确的数据。利用三维运动捕捉分析系统，再与相关制作软件结合，可大大提高相关技术动画的技术性以及制作效率。

4.在辅助教学训练中的应用

在现阶段的高校体育教学中，学习者主要基于对教师动作示范的记忆而自己练习，只有当教师发现学生的错误时才能有效的纠正，这种方法效率低且不利于学生学习。三维运动捕捉分析系统可以先后将教师与学生的动作轨迹捕捉下来，及时向学生提供相应的反馈信息，其中为学生提供的反馈信息主要包括两个方面：一是学生所做的动作与要求完成动作的对比信息，二是如何改正错误动作使之尽可能接近标准动作的信息。这样能够起到促进学生纠正错误动作的作用，提高学习质量。

学生在教师的指导下进行动作技能的练习和训练也是高校体育教学的一个重要环节，是学生对动作技能掌握的最关键环节。在体育教学训练中，及时获得掌握技术动作程度的反馈信息，有助于改进技术训练方法和改善调控技术训练过程。要实现这一目的，必须借助科学的测试诊断并结合丰富的经验诊断，即采用先进的生物力学设备与方法进行诊断，然后结合教师的实践经验进行配合断定。三维运动捕捉系统作为生物力学研究的有效设备，能够有效地为体育教学训练提供更多、更有价值的信息。

将三维运动捕捉分析系统引入高校体育教学，应用于教学训练，能提供真实客观的运动信息和量化的运动数据，对改进教学的方法与手段，扩展教学资源建设技术手段，拓展教学和训练的空间，提高教学质量和学生的体育运动技能有重要作用，对舞蹈、杂技、机械操作等以肢体练习为主要手段的实践教学有一定的参考价值。

[1]朋友高尔夫.GolfSense是全球首款便携式Golf动作辅助训练系统[DB/OL].http://www.111golf.com/goods-2404.html.

[2]蒋子豪.微软Xbox360体感游戏机[DB/OL].http://tiganyouxiji.baike.com/article-258904.html.

[3]张延峰,宋丽,井红丽.浅谈三维动画在运动技术影像分析上的应用[J].冰雪运动,2006(2).

[4]张胜利,郭志禹.基于运动捕捉的武术套路难度动作“数字裁判”的可行性研究[J].首都体育学院学报,2011(1).

[5]百度百科.三维运动捕捉系统[DB/OL].http://baike.baidu.com/view/8130078.htm#1_2.