论前沿计算机技术在太极拳研究领域中的应用可能性

刘天阳+周忍+孙健

摘 要：目的：为了探寻前沿计算机技术在太极拳研究领域中的应用可能性。方法：采用文献资料法和逻辑分析法，考察了三种相互关联的前沿技术——运动捕捉、虚拟现实、大数据分析在太极拳研究领域中的应用背景和应用可能性。结论：太极拳的研究和发展应当紧密结合计算机前沿技术，实现跨越式的突破。

关键词：太极拳 运动捕捉 虚拟现实 大数据

中图分类号：G85 文献标识码：A 文章编号：2096—1839（2017）6—0063—04

计算机技术可以说是阿尔温·托夫勒笔下“第三次浪潮”中最繁荣的存在之一，同时体育领域，无论是竞技体育还是群众体育、体育传播，都在越来越多地受到以计算机和互联网技术为基础的前沿科技的影响，不断向高精尖以及快速可获得的方向发展。本文探讨了基于计算机科学的三个前沿技术——运动捕捉、虚拟现实和大数据分析在太极拳研究领域中的应用可能性，介绍其背景，观察其特征，列举其先进之处。

1 基于运动捕捉技术进行动作采样与动作分析

1.1 运动捕捉技术的发展

在传统的动作采样与分析应用中，常采用高速摄影或高速录像分析法，采用16毫米摄影机每秒200格的速度拍照，或快门达千分之一秒的高速摄像机隐形录像。这样的方法不足之处在于受限于设备的胶片等硬件成本的制约，以及冲洗周期时间长的不便捷。

随着计算机技术的发展，数字化技术得以广泛应用，而计算机技术动作分析系统，就是运用计算机技术、计算机图像处理技术、数据库技术、传感器技术、生物力学分析等方法结合起来，运动现代数字化技术捕捉、采集运动图像与数据，精确描述运动过程，建立三维模型，把运动特征数量化、特征化、规格化，然后精确完整地进行分析和比较[1]。

通过数字化技术手段辅助太极拳研究亦可以成为本领域的趋势之一，太极拳的门类繁多动作成分复杂，变化形式多样，传统的录像采样不仅受制于硬件成本的限制，也不能有效地从运动力学角度记录太极拳的采样动作，所以引入运动捕捉技术对太极拳运动进行采样和分析，可以有效地记录和分析其中的运动力学特性，使得太极拳研究水平更加深入和科学。

1.2 运动捕捉技术的优势

运动捕捉的前提是传感器技术的成熟和数据采集系统的发展。运动捕系統是一套可以准确测量运动物体在三维空间运动状况的高技术设备，基于计算机图形学原理，通过排布在空间中的传感器，将运动物体的运动状况以图像的形式保存下来，然后对图像进行处理，得到不同时间单位上的空间坐标。运动捕捉技术相比于传统的3D动画技术有如下优势：

第一是低延时性，可以获得实时的结果和数据，降低了基于关键帧的3D动画成本，使得广大的体育科研和教学工作者能够相对容易地获得设备；第二是工作量不会随着运动员的动作复杂性和长度变化，与使用传统技术时的程度相同，这允许的测试中的不同风格动作的切换，也就意味着，操作整套设备不需要很冗长的培训过程和复杂的专业知识背景；可以实现复杂动作和现实物理作用的交互，比如运动细节、重心的变化和力的变化可以很容易地以物理上精确的方式重现，这尤其有利于深入分析技术动作的细节，再现经典的运动员表现；与传统方式相比，在给定时间内可以产生大量数据，有利于对运动员做多层次的复杂分析；还有运动捕捉的第三方软件有更大的成本降低空间。

1.3 运动捕捉技术在体育中的前沿研究

Siriporn Noiumkar在2013年发表了《在运动科学中使用光学运动捕获技术：高尔夫挥杆的案例研究》，该研究旨在探索并展示利用运动捕捉工具创建高尔夫球初学者挥杆运动的运动图片的有效技术。样本由有意参与采样的三位专家组成，而在该研究中应用的研究工具包括：（1）基于运动捕捉工具所演示的高尔夫初学者的挥杆动作和姿态； （2）评价高尔夫挥杆动作正常的五级评分量表，由专家对其可靠性进行了验证。具体来说，研究成果表明，初期高尔夫挥杆电影的创作主要包括如下3个主要部分：（1）运动捕捉工具的设置，适合并充足的工作空间，相机定位和在数字演员身上的定位正确的反射点； （2）高尔夫挥杆动作捕捉由反射点的数量划分为3个模式，每个模式由高尔夫专业人员进行至少5次运动捕获；（3）研究人员创建的三个3D人物和运动图像，其中以相似的真实人数比例，应用捕获的运动数据构建动画人物骨架，然后再获得三组高尔夫挥杆动画除以反射点数。令人惊讶的是，这项研究显示高尔夫专业人士认为目前大部分高尔夫挥杆运动都以不当的方式进行。在这方面，这项研究表明，为了演示高尔夫初学者的高尔夫挥杆运动，关键因素不仅是演员身体反射点的数量和位置，而且还是利用了运动捕捉工具的一些规定，在大多数情况下，3D人物应该以与真实人类相似的身体比例来创建。[1]

2 虚拟现实技术在运动中的应用

2.1 虚拟现实技术的发展

如果说运动捕捉还是对运动员、体育活动者观察的被动技术的话，虚拟现实就是真真切切可以使人参与体育活动中的主动技术了。虚拟现实（VR）通常是指使用软件来生成复制真实环境（或创建一个虚构的设置）中的真实图像，声音和其他感觉，并模拟用户在该环境中的物理存在的一种计算机技术。 VR已经被定义为“使用交互式软件和硬件创建，并且经历或控制身体的运动的一个三维环境的现实和沉浸式的仿真”或作为“沉浸式，由计算机生成的交互式体验”。 [2]

使用虚拟现实设备的人通常能够“环顾”人造世界，在其中移动并与在屏幕上或在护目镜中描绘的特征或项目产生交互。截止到2016年，虚拟现实以计算机监视器、投影仪屏或者虚拟现实耳机（也称为头戴式显示器或HMD）的方式进行显示。 HMD通常采取头戴式眼镜的形式，在眼睛前面设置屏幕。其程序也可以包括通过扬声器或耳机的音频声音。

进入2010年以后的高级触觉系统也能够包括触觉信息，通常称之为医疗、视频游戏和军事训练应用中的力学反馈。在视频游戏中使用的一些VR系统可以通过游戏控制器向用户传送振动和其他的感觉。虚拟现实还指通过远程呈现和电传或使用虚拟制品（VA）来提供用户的虚拟远程通信环境。

2.2 虚拟现实技术在太极拳研究领域中的应用

虚拟现实技术在太极拳研究中的应用可以表现在运动训练、体育教学、群众体育活动三个方面。虚拟现实技术可以为训练过程中提供复杂多变，并且可以轻易获得的模拟外在环境，尤其适合太极拳习练者的技术提升和新技术的学习，同时也使得不同项群间的技术迁移成本降低。对于太极拳教学方面，虚拟现实技术的引入，能够改善教学环境，激发学生学习兴趣，提高学习效率，以及最重要的，不受场地条件的限制。教师可以在虚拟教学中迅速创设出相应的教学场景、外部环境、各类人物形象等多种教材资源，将动作重点难点、环境真实地展现在学生面前，更有利于学生的正确理解和掌握。[3]

当把虚拟现实技术引入到群众体育锻炼中时（前提是虚拟现实设备成本已经降低到广泛令人接受的程度），可以开创新的锻炼模式和运动体验，不受地域和场地的限制，相当于把在线游戏的流行性和体育锻炼的个性化体验相结合， 游戏的体验更丰富立体，锻炼的活动更激起人的兴趣。

但是我们应该多加注意，虚拟现实技术在太极拳项目中的应用，尽管能推动其发展，提高训练水平甚至替代某些训练或康复方式，但归根结底它是一种辅助性手段，不是我们使用此技術的目的，就像人类社会在面对互联网的高速普及过程中表现出来的迷茫一样，虚拟现实技术也会给用户群体制造一个更加值得沉浸的虚幻，所以如何用好这个“两刃刀”，是要提前考虑的。[4]

2.3 虚拟现实技术的运动科学研究前沿

Nicolas Vignais等人在2015年讨论了哪些技术来调查运动中的视觉感知：视频与虚拟现实。在研究中提出，视觉信息摄取是涉及截取任务的体育运动的基本要素。目前存在使用几种方法，如基于虚拟环境的视频和方法来分析运动情况下的视觉感知。这两种技术都有优缺点。该项研究试图确定哪些技术可能优先用于分析运动情况下的视觉信息摄取。为此，Nicolas Vignais使用两种标准化方法比较了手球守门员的表现：视频剪辑和虚拟环境。检查了这个两个响应任务的表现：一个未决定的任务（守门员显示球的结束位置）和一个耦合的任务（守门员试图拦截虚拟球）。在该研究中调查的变量是正确区域的百分比，正确响应的百分比，径向误差和响应时间。结果表明，当面对虚拟手球投手时，手球守门员比面对视频剪辑时更有效，更准确，更早地开始拦截。这些发现表明，通过使用“虚拟现实”的方法，更好地对手球守门员的视觉信息摄取进行了分析。

3 大数据分析指导训练方式

3.1 大数据的背景

大数据是一个术语，其数据集是如此之大或复杂，传统的数据处理应用软件是不足以处理它们。大数据系统面临的挑战包括采集、存储、分析、数据管理、检索、共享、传输、可视化查询、更新和信息隐私。“大数据”一词通常指的是从数据中提取值，进行预测分析、用户行为分析或某些其他高级数据分析的方法，很少专指特定大小的数据集。毫无疑问，现今可用的数据量都很大，但这都不是这个新的数据生态系统最重要的特征。发现市场趋势，预防疾病，打击犯罪等等趋势都可以从相关的数据分析中发现。科学家、企业高管、医学从业者、广告商和政府都会定期遭遇大数据领域的难题，包括互联网搜索、金融领域的城市和商业的大数据信息。[5]

当今数据的快速增长，部分原因是他们被越来越廉价和众多的信息感知移动设备收集——航空（遥感）、软件记录、相机、麦克风、无线射频识别（RFID）接收器和无线传感器网络。自上世纪80年代，每40个月世界科技人均储存信息的能力就翻一番。通常的关系型数据库管理系统和桌面统计或可视化软件包通常难以处理大数据。大数据的工作可能需要大规模并行软件运行在几十，数百，甚至数千台服务器上。用户和他们的工具的能力定义了什么是“大数据”。

3.2 大数据分析在太极拳研究中的应用

早在80年代，美国女排就开始针对巅峰期的中国女排简历了完善庞大的可视数据库，把所有的比赛过程拍摄下来进行了分析，掌握了我们的技术、战术特点和变化规律，制定了相应的战术，第二年世锦赛和奥运会上双杀了中国队。今天，建立跟踪形式的数据库已经不再新鲜，但大数据的规模与结构已经超越了某个项目、某个技术的范畴。它更广泛地参与到体育的媒体传播中，使得全世界的体育节目可以被全世界人观看，全世界的体育锻炼爱好者可以接触到地球上共享的所有数据资源。[6]

“大数据”是互联网时代最具备影响力和代表性的浪潮。以各种智能设备为载体，用户在下载与上传之间，无意中产生了大量数据，而这些数据汇总称为庞大的数据规模，可以用来分析和预测用户的行为，根据需求制定产品。“大数据”极大程度地颠覆了人们传统观看体育赛事的方式，也同时挑战了电视对于观众的话语权威性。参与性与互动性是用户在大数据时代的互联网平台上最重要的两个特征，所以体育消费者在这样的技术环境下，消费购买力可以井喷式地增长。

在这样的浪潮之下，太极拳研究科技化也是值得期待的。我国体育研究领域的水平落后于世界，主要原因是科技含量低。在市场规则中，质量或者说产品品质决定一切，没有强大的技术支撑，任何产业发展都只能徘徊在初级阶段。当今的球迷挂看欧洲足球联赛或者美国篮球联赛时，他们观看的已经不仅仅是比赛本身，还有每只球队、每个队员的各项数据，针对这些数据出现的数据分析网站层出不穷，访问量也居高不下。

3.3 大数据在体育科学中的研究前沿

Robert Rein和Daniel Memmert在2016年做了《大数据和战术分析精英足球运动员：体育科学未来的挑战和机遇》的综述研究。研究指出直到近期，精英足球的战术分析，仍使用基于丢弃大多数上下文信息变量的观察数据。团队战术的分析需要来自各种来源的详细数据，包括技术技能，个人生理表现和团队合作等，进而能代表团队战术行为的复杂过程。因此，很少有人知道这些不同的因素如何在精英足球队战术中产生影响。一部分原因，也是由于缺乏可用的数据。通过新一代跟踪技术获得的详细游戏日志以及通过新型微型传感器技术收集的生理培训数据已经变得非常方便用于研究。但是这导致了相反的问题，数据的剪切量本身就成为障碍，皆因为指导方法论以及团队运动中战术决策的理论建模的匮乏。本文讨论了大数据和现代机器学习技术如何可以帮助解决这些问题，并帮助开发团队运动中的战术决策的理论模型。根据医学应用的经验，首先必须克服数据治理和获取技术方面的组织障碍。此研究讨论这些问题在精英足球的战术分析，并提出一个技术堆栈，旨在将大数据技术引入精英足球研究。所提出的方法也可以作为其他运动科学领域的指南，因为不断增加的数据规模正在成为一个广泛的现象。[7]

4 结论

通过以上的论述和探讨可以发现，这三项计算机科学的前沿技术，在太极拳研究领域中的应用可能性是较大的。但不可否认的是，当应用于太极拳研究中时，运动捕捉、虚拟现实和大数据分析会产生一系列有趣的结论和显著的成果，会对太极拳研究领域的发展产生巨大影响，这些影响同时也反过来推进了各项技术的在各自领域的发展。运动捕捉、虚拟现实和大数据技术在很多底层结构上有相同之处，任何一门技术在体育领域中的成功应用，都能促进其他技术的深入普及。我们应该看到，计算机科技在太极拳研究领域中的应用是不可避免的趋势，只有充分利用好这一浪潮，才能给太极拳的发展和此类市场的繁荣带来推动作用，实现突破式的进步。

参考文献：

[1]刘和臣. 运动员动作三维视觉图像准确识别仿真研究[J]. 計算机仿真，2016（08）：369-372，386.

[2] 纪庆革，潘志庚，李祥晨. 虚拟现实在体育仿真中的应用综述[J]. 计算机辅助设计与图形学学报，2003（11）：1333-1338+1457.

[3] 孟光云，李小平，李鹏飞，姚 毅. 体育科学的未来新技术──虚拟现实技术[J]. 中国体育科技，1995（12）：58-60.

[4]刘 衡，冯 婷. 基于虚拟现实技术的体育教学模式的实践与思考[J]. 北京师范大学学报（自然科学版），2013（06）：649-652.

[5] 谢经良，孙晋海，曹 莉. 大数据时代我国体育产业发展的机遇、挑战与对策[J]. 上海体育学院学报，2015（04）：59-63.

[6] 丁 响，高丽华，赵 波. 大数据时代的体育传播：特征、主体定位与发展方向[J]. 沈阳体育学院学报，2014（05）：39-44.

[7] Robert Rein， Daniel Memmert. Big data and tactical analysis in elite soccer： future challenges and opportunities for sports science. Rein and Memmert SpringerPlus（2016）5：1410 .

On the Application of Frontier Computer Technology in the Field of Taijiquan Research

Liu Tianyang1 Zhou Ren1 Sun Jian2（1. Graduate School， Wuhan Sports University， Wuhan Hubei 430079， China； 2. School of Martial Art， Wuhan Sports University， Wuhan Hubei 430079， China）

Abstract： （Purpose） In order to explore the possibilities of frontier computer technology application in the field of Taijiquan research.（Method） This paper investigates the application background and application possibility of three interrelated cutting edge technologies- motion capture， virtual reality and large data analysis in Taijiquan research field by means of literature and logic analysis. （Conclusion） Taijiquan research and development should be closely integrated with the forefront of computer technology to achieve a breakthrough by leaps and bounds.

Keywords：Taijiquan motion capture virtual reality big data