基于Kinect的武术基本功弓、马步转换的动作分析

2022-03-06王继生马佳佳王朝辉

少年体育训练 2022年12期

关键词：弓步标准值初学者

王继生，马佳佳，王朝辉

（1.首都体育学院北京酷佩体育文化中心，北京 100191；2.中国人民大学附属中学，北京 100080；3.首都体育学院武术与表演学院，北京 100191）

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

以基于Kinect的武术基本功弓、马步转换的动作为研究对象。

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料法通过中国知网等数据库以“Kinect”“武术基本功”“弓、马步转换”“动作分析”为关键词搜集相关的文献资料并进行整理与归纳，为本文研究提供客观、可靠的信息及理论基础。

1.2.2 实验法（1）实验对象：实验对象共计20人，分为标准组和测试组。其中标准组为首都体育学院武术与表演学院10名武术套路一级运动员，测试组为首都体育学院10名武术套路初学者（体育教育专业学生）。（2）实验时间和地点：于2021年11月1日—12月30日在首都体育学院武术与表演学院进行实验。（3）实验采集环境：系统硬件及软件环境为PC、Kinect V2深度传感器及配套SDK包。实验具体操作为Kinect V2放在距离地面90cm处，采集的最佳距离是实验对象与Kinect V2深度摄像机1.5～3m的距离，人体与Kinect V2的相对角度不能超过45°，在捕捉数据过程中，角度转动范围可依据人体骨架在屏幕上的现实进行调整；最佳角度为实验对象在Kinect V2的正前方。（4）实验变量：实验采集过程中对实验者的年龄及距离Kinect的远近距离进行控制，以减少实验分析所产生的误差。（5）实验测试指标：身体重心、左膝关节角度、右膝关节角度、左髋关节角度、右髋关节角度。

1.2.3 专家访谈法通过对首都体育学院武术与表演学院从事武术教学工作的教师进行访谈，了解武术基本功弓、马步转换之间的技术特点及特征、提取方法与标准，完善实验。

1.2.4 数理统计法运用Kinect V2三维动作捕捉系统以及Dartfish 10.0视频分析软件对关节角度进行分析，求得弓、马步转换动作关节角度变化重心等运动学参数，并运用ExceL对数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 Kinect的工作原理及骨架视频采集

2.1.1 Kinect骨骼跟踪技术原理Kinect的核心关键技术就是骨骼跟踪技术，其功能是通过Kinect获取的深度采集数据识别人体主要关节点位置的技术。通过Kinect实现骨骼跟踪的原理可以分为以下3步：（1）去除背景。Kinect分析出人体可能存在的区域，然后利用边缘检测、噪音阈值处理等技术将人体从背景环境中区分出来。（2）人体基本部位分类。从深度图中识别出人体各个部位，根据相对值进行分类。（3）人体部位识别关节。系统会根据跟踪的25个关节生成一副骨骼架构。通过这种方式，Kinect能够识别出人体所处的精确位置。

2.1.2 基于Kinect弓、马步转换骨架运动视频的获取基于视频分析的技术检测可以通过计算机视觉技术的行为进行定位和识别，行为检测可以广泛地应用于很多场合。而Dartfish运动视频有着操作相对简单、成本低、易上手等特点，因此特选Kinect与Dartfish相结合运用作为实验方法。通过Kinect采集运动骨架，在此基础上运用Dartfish的运动视频分析功能进行分析整理，最后获取到本文研究的所需数据。

2.2 弓、马步转换技术特点及动作特征提取

2.2.1 弓、马步转换动作技术特点弓、马步作为武术套路的基本步型，在武术套路的初学及日常练习中具有重要作用。弓步可以分为左弓步、右弓步，其基本技术特点为：前方腿为弓形、后方腿自然蹬直，弓形腿为90°、蹬直腿为180°，且膝盖不能超过脚尖，前腿脚尖向前紧握抓地，后腿蹬直紧握抓紧。马步基本技术特点为：双脚平行开立至略宽于肩部，脚尖向前不可向内撇或外撇。两膝关节向外支撑且不能超过脚尖，半蹲，大腿与地面保持平行，挺胸立腰。

2.2.2 动作特征提取指标的选取通过专家访谈，本文研究确定了以下5个动作特征指标的变化：左膝关节角度、右膝关节角度、左髋关节角度、右髋关节角度、身体重心。所有实验对象在实验中，做出马步变弓步蹬腿的动作，均为向左转变5次，最终分析每个实验对象5次中的最优值。

2.3 基于Kinect不同水平练习者弓、马步转换的重心变化对比分析

在武术套路竞赛规则中，明确强调了关于重心的重要性，如太极拳等竞赛套路要求重心稳定协调。而人体所受重力的合力称为人体重心，站立时，人体重心一般在身体正中面上第三骶椎上缘前方7cm处，为更好地研究重心变化，本文研究实验以两髋之间连线的中点作为重心的测试点，初学者在学习武术基本功中不可忽略弓、马步的重心变化这一要素。通过Kinect采集骨架影像后，经过Dartfish运动视频分析软件加工分析，发现初学者在练习此动作时，从马步向弓步转换时重心幅度有起有伏，且起伏较大；而一级运动员在练习该动作时重心的起伏相对较小，且重心高度比初学者重心高度相比较低。

2.4 基于Kinect不同水平练习者弓、马步转换的关节角度对比分析

2.4.1 不同水平练习者弓、马步转换左膝关节角度对比分析膝关节变化是武术套路运动运用较多的一个动作，武术谚语中“胸不过膝，膝不过脚尖”这一说法，体现了膝关节在武术套路运动中存在较高的地位。初学者进行基本功的学练时若没能掌握动作标准，可能会给膝关节带来一些不好的影响，因此要注重初学者在学练基本功时膝关节角度的变化。而如何确定膝关节角度，可以由踝关节中心、膝关节中心及髋关节连线后所成的夹角来确定膝关节的测试点。通过专家访谈悉知，弓、马步转换时左膝关节角度的变化应从马步静止时的90°左右，到转换为弓步静止时的90°左右。通过Kinect采集骨架影像后，经过Dartfish运动视频分析软件加工分析，发现初学者在进行该动作时，左膝关节角度起伏较大且参差不齐，从马步转换成左弓步时左膝关节的角度均值在124.16°，此动作的标准值为90°，初学者的实数据明显高于此动作的标准值。通过转换弓步过程之中逐渐在过多的上升或下降。当动作运动到弓步静止时初学者的左膝关节角度的均值在114.58°，其数据明显高于此动作的标准值。而一级运动员在进行该动作时，左膝关节角度的变化相对稳定且差值不大，一级运动员在准备做马步转换弓步这一动作的马步静止时的左膝关节的角度均值在93.95°，仅略高于标准值。在变弓步的运动中并未出现较大起伏的角度变动，到最后弓步静止时一级运动员的左膝关节角度均值在89.69°，整体而言数据接近于动作的标准值。

综上，初学者和一级运动员在进行弓、马步转换动作时。从静止开始到此动作的轨迹结束，初学者的左膝关节角度变化参差不齐，且角度高于标准值。而相比之下，一级运动员在完成此动作时显得相对平稳且角度幅度近于标准值。

2.4.2 不同水平练习者弓、马步转换右膝关节关角度对比分析通过专家访谈悉知，弓、马步转换时右膝角度变化应从马步静止时的90°左右，到转换为弓步静止时的180°左右。通过Kinect采集骨架影像后，经过Dartfish运动视频分析软件加工分析，发现初学者从马步动作静止时的右膝关节角度均值在126.22°，已超过此动作标准值。随着马步转成弓步的过程中初学者出现了起伏参差不齐、有高有低的现象。在到变换成弓步静止时初学者右膝关节角度均值在157.72°，这样的角度也明显低于此动作的标准值。而一级运动员在习练此动作的右膝关节角度起伏变换，从马步静止时一级运动员右膝关节角度均值为94.6°，数据接近于此动作的标准值。随着一级运动员在马步变换为弓步的过程中，数据的起伏较初学者来讲相对稳定且动作轨迹较为明显。到马步变换至弓步动作静止后一级运动员右膝关节的角度均值为178.66°左右，数据接近符合此动作的标准值。综上，初学者与一级运动员在练习弓、马步转换时有明显的差距。初学者在静止时的马步及转换为弓步静止时的数据均高于或低于此动作的标准值；转换过程中起伏较大，无迹可寻。而一级运动在练习此动作的数据值均接近于此动作的标准值；转换过程中数据变化相对较小。

2.4.3 不同水平练习者弓、马步转换左髋关节关角度对比分析髋关节角度的变化在武术套路运动中具有重要作用，如柔韧性、步型的支撑、跳跃的腾空等。而武术套路中的柔韧性更加强调了肩、腰、膝、髋等大关节柔韧性的重要性，而髋关节在下肢的步型中起到了关键的作用。如何确定髋关节角度，可由躯干与大腿之间的前夹角来确定髋关节角度的测试点。通过专家访谈悉知，弓、马步转换时左髋角度变化应从马步静止时的90°左右，到转换为弓步静止时的90°左右。

经过Dartfish运动视频分析软件加工分析，发现初学者在马步静止时的左髋关节的角度均值为116.95°，高于左髋关节角度的标准值。随着动作的变化，初学者在变化的过程中数据出现了起伏、有高有低，到马步变成弓步时的静止时左髋关节的角度均值在112.67°左右参差起伏，偏高于左髋关节角度的标准值。而一级运动员在马步静止时的左髋关节的角度均值为93.2°，接近于此动作的标准值。随着马步变向弓步转换的过程中，数据显示一级运动员左髋关节角度的变化幅度不大且有迹可循，到动作最后落成弓步静止时的左髋关节角度来看一级运动员的角度均值为91.09°，接近于此动作的标准值。综上，初学者与一级运动员在进行弓、马步转换时左髋角度的变化有较大差距。初学者左髋关节的角度明显高于一级运动员左髋关节的角度，且一级运动员左髋关节的角度接近于此动作的标准值。

2.4.4 不同水平练习者弓、马步转换右髋关节关角度对比分析通过专家访谈悉知，弓、马步转换时右髋关节角度随左髋关节角度的变化而变化，因此本文研究只对比初学者与一级运动员之间的右髋关节角度的差异。经过Dartfish运动视频分析软件加工分析，初学者在马步静止时的右髋关节角度已经出现了高低不同的现象，随着动作的转变，数据出现了较大幅度的变化。而一级运动员在进行弓、马步转换时的右髋角度，在实验开始的马步可清晰看出一级运动员起始的角度基本是一致的，随着动作的转变，数据开始出现高低的变化。综上，初学者与一级运动员在进行弓、马步转换时右髋角度的变化有较大的差距。

3 结论与建议

3.1 结论

初学者与一级运动员在身体重心、左膝关节关角度、右膝关节关角度、左髋关节角度、右髋关节角度的变化5个方面有较大的差异。不同水平练习者的重心变化上，一级运动员的重心较为稳定，而初学者的重心起伏较大；不同水平练习者的左、右膝关节角度变化上，一级运动员的左、右膝关节角度接近于此动作的标准值，而初学者的左、右膝关节角度高于此动作的标准值；不同水平练习者的左、右髋关节角度变化上，一级运动员的左髋关节角度接近于此动作的标准值，而初学者的左髋关节角度高于此动作的标准值，右髋关节一级运动员和初学者也有明显的差异。