体育运动训练中动作仿真的运用分析

2019-01-18郭丽兵

体育世界(学术版) 2019年8期

郭丽兵

(天津广播影视职业学院，天津 300112)

体育运动训练的强度日益增加，随着社会的迅猛发展，体育运动的训练水平逐渐增强，通过积极的改进，与传统的训练技术相比有很大改善。目前体育运动事业已经有较大的进步，但是随着人们生活质量的逐渐提升，体育运动训练技术与方法等很难追上人们的需求，所以必须借助先进的技术手段。在信息技术的支持下，努力创造更加先进的技术手段。通过先进的技术努力挖掘人体的运动细胞，使人体运动技能发挥其最大功效。

1. 动作仿真技术概述

在体育运动训练中，最常见的观察手段是视频观察法和三维动态摄影法，这两种方法是在科学基础上建立的。采用这两种惯用手段能够观察连贯动作的分解动作，便于学习运动技巧，但是它们对外界条件的要求较高，例如光线、衣服色彩以及环境遮挡物等。所以在采用这种手段进行体育训练时会产生较大误差，故需要发展更为先进的信息技术来解决上述问题。近年来动作仿真技术逐渐发展起来，它是以三维动作捕捉技术为基础，并且通过计算机来模拟仿真人体大脑，从而来控制人体运动思维。人体动作仿真技术主要包括人体模型的建立、人体在特定条件下较为真实的物理反应信号的采集、计算机模拟人体真实动作的过程模拟等方面。该技术是信息技术在体育运动过程中的一项重大突破，它能够促进体育事业的发展，同时促进了三维动态模拟技术在体育运动中的发展[1]。

1.1 国内外研究现状

动作仿真技术源于20世纪的三维动态拍摄技术，世界上最先开始体育运动模拟的国家是美国，从刚开始的动作捕捉系统的运用到采集数据运动学等的研究。以上两种技术分别开创了体育运动的新浪潮。通过动作捕捉技术，美国科学家开创了下肢关节角运动在水平运动过程中的外表系统和算法，根据科学理论依据，探讨了病理步态的指标以及人体模型的限制。随后，科学家们还开创了解剖标定的内涵，通过信息采集运动学与动力学知识，分析了人体在空间运动中的诸多信息，例如盆骨位置、下肢与骨骼等重要信息。他们采用先进技术模拟人体的运动特性，并且取得了很大的成果。相比之下，国内的动作仿真技术发展较晚，与美国发达国家相比，其发展仍然比较落后。目前国内的运动仿真重点在应用研究上，而对基本理论例如算法、模型建立等研究较少。近年来我国学者利用OpenSim技术开发了很多先进的人体运动研究。例如跨栏短跑与腱伤病预防的理论分析等。此外研究人员还是使用动作捕捉技术分析了仿生外骨骼式下肢康复机器人研究，主要通过动作捕捉技术采集数据信息，并且建立人体仿真模型。这些研究都为我国体育运动仿真技术提供了科学依据，为动作仿真技术的发展提供思路，从而有效提升我国的体育运动事业[2]。

1.2 运动仿真技术概述

现代社会中，各种机械设备层出不穷，且随着社会竞争力的增加，各种机械设备功能复杂多样，因为人们对生活质量的追求越来越高，导致机械产品开发企业更加关注产品的功能化信息。因为只有这样才能够满足人们的需求，才能在这个竞争极强的社会中占据一席之地。那这就要求研究人员努力研究各种新型产品，产品功能多样化的前提是专家们提前了解这些机械产品的运动特性、例如材料材质、运动学和动力学的基本理论等。动作仿真技术能够提供一些运动过程中动态模拟信息的方法，所以在现代社会中被广泛应用。例如，研究人员利用仿真技术能够将CAD中对装配体进行运动约束；此外，运动仿真软件能够模拟并且计算出运动特性参数，例如加速度、速度等运动学信息以及惯性力、驱动力等动力学信息[3]。

根据运动仿真技术，研究人员逐渐发展了人体运动仿真技术，它主要是用来建立刚性的人体模型，通过仿真技术对人体的运动进行约束，并且设定一定的空间范围，从而对人体运动的动态过程进行模拟。当前人体仿真软件分为两种，一种是专用的人体模拟软件，通过软件自带的系统直接建立人体模型。另一种是机械制图中常用的三维绘图技术，通过软件来建立人体模型。专业的人体建模软件，例如ADAMS，它可以直接对建立的人体模型进行运动约束与空间约束，而机械的人体建模软件还需要将模型导入到专业的建模软件中进行约束条件设定，然后再进行仿真过程，这种方法显然存在很多弊端，且在导入过程中会导致部分信息缺失，不利于体育运动中的人体动作模拟。

2. 信息技术作用下的动作仿真对体育运动的影响

2.1 动作仿真技术对学生体育运动的作用

利用现代科学研究的新型技术，能够更好的模拟体育运动过程，在体育教学中通过视频、音频以及软件插件等清晰的将动作要领展现给学生，在体育运动教学中更精准的传授教练的动作要领以及动作需要注意的关键性问题，从而促进学生对体育运动的理解与掌握。此外，信息技术应用于仿真技术中，体育动作仿真能够通过收集动态视频等方式进行，同时还能采用软件模拟动作的全过程，根据实际情况模拟动作发生时的环境、速度以及动作约束力等。采取动作仿真技术模拟体育运动能够较好的掌握动作要领，并且可以更全面的掌握体育动作中可能存在的危险，从而及时避免体育运动中意外事故的发生[4]。这不仅有利于学生的健康而且能够有效的提升体育教学质量和教学效率。学生在学习体育动作时，从动作仿真技术中感知某一动作的关键部分。例如基础设施不完善等体育运动缺陷，会造成体育教学的困难，抑制体育运动的发展。当前我国已经有数十家学校开设了高尔夫球的体育教学课程，这在体育教学中是比较先进的教学，然而教学场地受到限制，这严重阻碍了学生对高尔夫球的熟练程度，同时也不利于该课程的建立，其课程设置目标与现实存在很大差距，降低了该课程的期望值。鉴于上述问题，现在很多高校采用模拟仿真技术来进行高尔夫球教学，通过先进技术软件引用虚拟仿真技术来进行课程教学，例如高尔夫球的动作，模拟实验中心场地来进行高尔夫球技术的模拟与验证，此外通过软件进行条件约束，还能控制气候环境变化对体育动作教学的影响。

2.2 动作仿真技术对体育训练教师的影响

随着科学技术的发展，在体育运动训练中，新课程改革也成为体育教学中的一个重大改革项目。在利用先进技术的同时能够改变教师们陈旧的教学理念与方法。通过动作仿真技术教学，从音效视频等动态教学方法中，能够让教师体会到动作仿真技术的重要性，它能够将教师表达不清楚的动作内涵与美感生动形象的表达出来。采用动作仿真技术不仅提升了学生的学习积极性，同时也提升了教师的教学效率。采用动作仿真技术，将枯燥乏味的动作生动化，同时使得教师的备课更具有针对性，教师备课过程效率提高，且对课程的重点把握的很清楚，通过针对性训练，刺激学生的感官，提高他们的专注度。此外，通过动作仿真技术，教师能够采用多次播放视频增加学生的感知与熟悉度，在日常教学中还可以将学生上课时的动作视频与示范动作视频进行对比，方便学生及时纠正错误的动作，提升学生对动作的准确度和把握程度。

3. 体育运动训练中动作仿真技术的运用分析

3.1 建立虚拟的体育运动场景，巩固技术动作

每个运动项目的完成均与学习的个体与个体所处环境的构建有关系，项目的完成涉及基本理论，技术以及动作要领学习等。所以体育动作教学也应该保证良好的教学环境，学生积极主动，与教师互动交流，这些都有利于动作的学习。通过动作仿真技术可以虚拟的模拟体育运动中的教学场景，这样的场景是自由开放的，有益于学生学习的。通过电子计算机生成可视化的运动场，基础设施，器材以及健康的运动员，能够直观的刺激学生的感官，提高他们对运动动作要领的观察度，从而促进他们对动作要领的掌握。此外，可视化的虚拟场景能够让运动员全面体验各种运动项目，从而增强体育运动的趣味[5]。

3.2 改善教学模式，实现教学多样化

体育运动在人们的固有思维中是简单的重复动作，认为只有这样才能熟练掌握动作，具备熟练的运动技术。然而动作仿真技术打破了人们对体育运动教学的固有观点。在体育教学中采用动作仿真技术能够使体育课程多样化，同时在视觉感官的前提下让学生具有深刻的情感认知。虚拟仿真技术可以通过视觉，听觉以及镜面摄影等方式，让学生有身临其境的感受。同时通过镜面摄影技术指出学生错误的动作，方便学生及时纠正错误动作[6]。此外，虚拟仿真技术还能够模拟训练者的实时动作，通过不同音效、提示、方向等提醒学习者所学体育动作的前后顺序以及动作技巧等，从而提高学习者的体育运动能力。