計算機數(shù)字模擬技術(shù)在武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用

王亞瓊 孫 偉

（黔南民族師范學(xué)院體育系，貴州 都勻 558000）

【武術(shù)套路研究】

計算機數(shù)字模擬技術(shù)在武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用

王亞瓊 孫 偉

（黔南民族師范學(xué)院體育系，貴州 都勻 558000）

文章采用文獻綜述的研究方法，從體育科學(xué)研究方法論的視角，論述應(yīng)用計算機數(shù)字模擬技術(shù)對武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)進行研究的方法與程序。從武術(shù)運動中人體動作結(jié)構(gòu)數(shù)字模型的建立、計算機數(shù)字模擬技術(shù)應(yīng)用的步驟、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)前處理、計算機模擬數(shù)字計算到武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)模型方案的修改、新動作技術(shù)模式設(shè)計與計算機數(shù)字模擬技術(shù)在運動技術(shù)訓(xùn)練中的應(yīng)用價值等方面，詳細論述了計算機數(shù)字模擬技術(shù)在武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用方法、過程、具體步驟與功能。

計算機數(shù)字模擬 武術(shù) 動作技術(shù)結(jié)構(gòu)

1 問題的提出

對武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的研究是武術(shù)教學(xué)與訓(xùn)練實踐中經(jīng)常涉及到的重點課題，傳統(tǒng)的方法通常使用攝像機拍攝運動員的技術(shù)動作，然后對其結(jié)構(gòu)的進行分析。但是這種方法只能對運動員的技術(shù)動作進行一次性的簡單回放，對于武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的運動學(xué)、動力學(xué)、生物學(xué)特征的量化及比較分析，則不能得到滿意的結(jié)果。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)代體育發(fā)展的需求，電子計算機技術(shù)的快速發(fā)展為體育動作結(jié)構(gòu)圖像的比較、疊加、動力學(xué)測試、計算與自動分析等功能的實現(xiàn)，為動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的量化分析與研究奠定了雄厚的基礎(chǔ)，尤其是計算機數(shù)字模擬技術(shù)應(yīng)用于動作技術(shù)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究，可以使武術(shù)專家及教練員在武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計階段就能預(yù)知動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的功能和結(jié)果，從而為研究武術(shù)動作技術(shù)的結(jié)構(gòu)特征，進行最佳化武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計建立了一條科學(xué)技術(shù)與運動實踐相結(jié)合的道路。應(yīng)用計算機數(shù)字模擬技研究武術(shù)動作技術(shù)的結(jié)構(gòu)特征，無論是對武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的改進，還是武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的再造與重建，都能使其研究周期大幅度地縮短，提高武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的可行性與實際應(yīng)用的價值，提高武術(shù)運動技術(shù)訓(xùn)練的調(diào)控水平和訓(xùn)練效率。

2 武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)數(shù)字模擬仿真模型的建立

計算機數(shù)字模擬技術(shù)是利用計算機技術(shù)對人體運動這一復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行分析、研究和設(shè)計的有力工具，其應(yīng)用和影響已涉及眾多體育運動項目的科學(xué)研究領(lǐng)域，如對運動中人體運動動作結(jié)構(gòu)的運動學(xué)特征、動力學(xué)特征及生物學(xué)特征領(lǐng)域的研究，充分揭示了動作技術(shù)的外部形式與內(nèi)在本質(zhì)的聯(lián)系、原理和動作技術(shù)模式的建立與發(fā)展規(guī)律。在武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)研究中，由于研究所涉及到人體運動時的基本結(jié)構(gòu)特性，根據(jù)武術(shù)動作技術(shù)的目的及人體完成武術(shù)動作技術(shù)的規(guī)律和特征，通常將人體簡化為多質(zhì)點數(shù)字化模型或多剛體系統(tǒng)的數(shù)字化模型。把人體的骨骼、肌肉、肌腱等運動系統(tǒng)組織，處理為數(shù)字化的、由多個具有空間形態(tài)及質(zhì)量的剛體模型，并將多個環(huán)節(jié)之間的作用力及力矩建立成影響動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的多因素模型，從而建立研究與設(shè)計武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的運動學(xué)、動力學(xué)、生物學(xué)運動方程。當(dāng)選用獨立的廣義坐標(biāo)研究技術(shù)動作時，其數(shù)學(xué)模型為常微分方程（ODE OrdinaryDifferential Equations）；如果選用非獨立的廣義坐標(biāo)，則得到的是微分代數(shù)方程（DAE Differential Algebraic Equations）。這些方程通常都屬于高階的、高度耦合的非線性方程，除了在極少數(shù)情況下可以簡化通過人工方式的計算并求得解析結(jié)果外，一般都需要通過計算機技術(shù)尋求數(shù)值的解析結(jié)果。

3 計算機數(shù)字模擬技術(shù)的方法與過程

3.1 計算機數(shù)字模擬技術(shù)的方法

通過計算機建立的數(shù)字模型來模擬人體研究武術(shù)運動動作結(jié)構(gòu)特征的過程與方法包括下述幾個步驟，即輸入數(shù)字模型的原始參數(shù)、通過電子計算機的程序計算、取得技術(shù)動作過程局部環(huán)節(jié)運動、整體運動動態(tài)（靜態(tài)）結(jié)構(gòu)特征的描述結(jié)果、形成武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的原理等，這一過程稱為計算機數(shù)字模擬技術(shù)，也稱為數(shù)值仿真技術(shù)。在實踐中應(yīng)用計算機數(shù)字模擬技術(shù)計算時，會遇到正向或逆向問題，如已知人體運動時各局部環(huán)節(jié)的運動狀態(tài)（如各局部環(huán)節(jié)運動的空間特征、時間特征），求解形成動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)條件（如環(huán)節(jié)運動所涉及的肌肉拉力矩、環(huán)節(jié)阻力矩、整體運動狀態(tài)下人體內(nèi)力的傳遞及動量矩沿人體各環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)移，外力作用等條件）等。

在計算機數(shù)字模擬技術(shù)的運算過程中，必須要增加對其力學(xué)附加約束條件，以求得各輸入量的最佳組合，完成對武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的最佳化設(shè)計。在建立數(shù)字模擬仿真模型有關(guān)參數(shù)足夠準(zhǔn)確的條件下，計算結(jié)果能夠準(zhǔn)確地真實地反映運動狀態(tài)的動態(tài)結(jié)構(gòu)特征，對武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)研究所獲得的結(jié)果，具有很強的預(yù)測性和極為實用的指導(dǎo)作用。例如美國運動生物力學(xué)專家艾。里爾博士對鐵餅運動員威爾金森擲鐵餅的技術(shù)診斷，通過計算機數(shù)字模擬技術(shù)對其動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的研究，模擬計算了其投擲鐵餅過程中動作空間特征、動作速率、力和動量傳遞與動量矩轉(zhuǎn)移等參數(shù)的高階、高度耦合非線性方程，對威爾金森的技術(shù)動作結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化設(shè)計的最佳動作技術(shù)結(jié)構(gòu)方案，由于這些研究都是建立在科學(xué)的理論基礎(chǔ)之上，因而可以為優(yōu)化運動員的動作技術(shù)結(jié)構(gòu)提供科學(xué)的指導(dǎo)，對提高運動技術(shù)水平具有極為重要的意義。

3.2計算機數(shù)字模擬技術(shù)應(yīng)用的過程

計算機數(shù)字模擬技術(shù)應(yīng)用的過程涉及到多個不同的方面，如根據(jù)武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的研究課題、目的和任務(wù)，建立多剛體系統(tǒng)的連續(xù)運動及動態(tài)性質(zhì)的數(shù)字化模型、建立動作結(jié)構(gòu)的運動學(xué)、動力學(xué)及生物學(xué)方程、應(yīng)用或編制軟件、調(diào)試計算、數(shù)據(jù)檢查校核、反饋調(diào)節(jié)與控制，至最終建立與完善武術(shù)最佳化動作技術(shù)結(jié)構(gòu)（模式）等，其工作流程如圖1所示。

圖1 計算機數(shù)字模擬技術(shù)工作流程圖

4 計算機數(shù)字模擬技術(shù)的程序及步驟

隨著現(xiàn)代電子計算機技術(shù)的高速發(fā)展，目前市場上己有許多研究多剛體系統(tǒng)模型力學(xué)的計算機程序軟件，應(yīng)用這些軟件程序能求解武術(shù)運動過程中人體多剛體系統(tǒng)運動學(xué)和動力學(xué)的正向、逆向問題，由于武術(shù)運動中人體的一切技術(shù)動作結(jié)構(gòu)都必然遵循力學(xué)和生物學(xué)的基本原理，因而通過其數(shù)字模擬技術(shù)的計算方式能解決運動中人體武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的量化分析問題。計算機數(shù)字模擬技術(shù)的步驟包括數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)前處理、模擬計算、數(shù)據(jù)后處理、技術(shù)動作方案的修改或創(chuàng)新動作設(shè)計及數(shù)據(jù)后處理和圖像顯示。

4.1 數(shù)據(jù)輸入

數(shù)據(jù)的輸入包括從通過三維立體攝影的方法所獲得的武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)資料影片或平面錄像拍攝所得的動作技術(shù)結(jié)構(gòu)運動學(xué)參數(shù)，從電子測力臺系統(tǒng)測試所得的動作技術(shù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)參數(shù)及人體慣性、轉(zhuǎn)動慣量等生物力學(xué)參數(shù)，數(shù)據(jù)的輸入過程具有統(tǒng)計學(xué)處理，輸入數(shù)的篩選、修改、平滑程序，對有誤或可疑數(shù)據(jù)可進行重新確認和修改。

4.2 數(shù)據(jù)前處理

數(shù)據(jù)前處理包括數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、誤差處理、時間同步處理等。根據(jù)影片或錄像資料中一般都具有慣性和非慣性參考坐標(biāo)（如背景參考標(biāo)記、人體結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)軸等）來表示動作空間特征。計算機仿真計算的坐標(biāo)系通常建立在人體多剛體模型的慣性主軸上，所以在運算前需將原始數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，對參數(shù)進行統(tǒng)計處理，在誤差處理中剔除奇異點，以及對整套數(shù)據(jù)進行平滑處理，時間同步處理則是對平面圖像空間特征數(shù)據(jù)與時間特征的吻合，或?qū)⑷S攝影中兩個互為垂直的平面圖像數(shù)據(jù)進行同步校正，這些數(shù)據(jù)前處理工作對于系統(tǒng)計算結(jié)果準(zhǔn)確性具有直接的影響與作用。

4.3 計算機數(shù)字模擬計算

輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過正確的前處理階段后，即可根據(jù)動力學(xué)方程計算，得到武術(shù)技術(shù)動作在空間運動的全過程，并將它與實際影像比較來驗證模擬程序的準(zhǔn)確程度與誤差性。當(dāng)計算機模擬計算的結(jié)果圖像與實際動作圖像相比較，兩者軌跡基本吻合時，說明計算機數(shù)字模擬技術(shù)程序計算是符合所研究實際的，其結(jié)果對武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的改進、設(shè)計與再造，對運動訓(xùn)練實踐具有良好的指導(dǎo)作用與意義。

4.4 武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的修改與新動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

計算機數(shù)字模擬計算技術(shù)的一項重要功能，是修改局部動作和設(shè)計新的武術(shù)最佳化動作技術(shù)模式及訓(xùn)練方案，由于圖形變化可采用數(shù)學(xué)語言描述，通過計算機系統(tǒng)的自動識別，局部動作的修改經(jīng)數(shù)據(jù)輸入后，整個運動圖形會產(chǎn)生相應(yīng)的改變。如果在計算機顯示中觀察到的結(jié)果理想，則說明修改或新設(shè)計的動作值得嘗試。這一功能對研究武術(shù)技術(shù)動作的最佳化結(jié)構(gòu)，對武術(shù)運動訓(xùn)練過程中的教練員、運動員具有十分重要的指導(dǎo)性作用，特別是對運動中武術(shù)基本動作的確立和創(chuàng)造高、難、新動作，可以使教練員一些新的設(shè)想先在仿真程序中證明其可行且有效后，再作實際嘗試，可以最大限度地減小和防治運動創(chuàng)傷的產(chǎn)生，更高效率地提高武術(shù)動作技術(shù)訓(xùn)練的效果及安全性。

4.5 數(shù)據(jù)后處理和圖像顯示

計算機數(shù)字模擬技術(shù)計算得到的數(shù)據(jù)，需根據(jù)研究課題內(nèi)容和任務(wù)的要求，以不同的方式所顯示。計算機數(shù)字模擬技術(shù)計算程序具有各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，可以將結(jié)果以各種圖形方式顯示。這一過程稱為數(shù)據(jù)后處理，最后可得非常直觀和最合理的技術(shù)動作圖形結(jié)果。在研究和設(shè)計最佳化武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)方案的過程中，這些通過計算機數(shù)字模擬技術(shù)計算得到的連續(xù)圖形輸出，對武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)方案的修改和創(chuàng)新，具有極為重大的參考價值，能夠起到直接和決定的作用。

5 計算機數(shù)字模擬技術(shù)在運動技術(shù)訓(xùn)練中的應(yīng)用價值

利用計算機進行數(shù)字模擬仿真，并利用三維動畫技術(shù)研究技術(shù)動作時可具備以下功能和作用價值：

（1）利用計算機進行數(shù)據(jù)仿真，采用三維方式逼真模擬技術(shù)動作，以三維動畫顯示技術(shù)解析武術(shù)動作技術(shù)立體空間結(jié)構(gòu)的運動學(xué)、動力學(xué)及生物學(xué)特征。使運動員更容易、更快速地掌握技術(shù)動作要領(lǐng)，從而大幅度地提高運動員整體運動訓(xùn)練水平和動作技能水平。

（2）動作編排模擬與設(shè)計合理的動作體系，完成武術(shù)運動訓(xùn)練中新動作技術(shù)方案的設(shè)計與技術(shù)動作標(biāo)準(zhǔn)模式化。通過計算機數(shù)字模擬技術(shù)可以編輯、修改、設(shè)計新動作，從各種編排結(jié)果中挑選、設(shè)計最佳化武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)方案，據(jù)此建立武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)模式，指導(dǎo)運動技術(shù)教學(xué)與訓(xùn)練。

（3）模擬結(jié)果與訓(xùn)練技術(shù)動作的對比，可以對武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)進行量化比較分析，進行技術(shù)診斷，并以圖形方式展示分析結(jié)果。包括武術(shù)運動中人體動作的空間狀態(tài)變化、人體重心運動軌跡的變化、位移、速度、加速度、力和力矩作用等。在此基礎(chǔ)上，可以應(yīng)用科學(xué)、合理的動作模式與運動員技術(shù)動作做深層次的比較分析，通過將運動員的訓(xùn)練動作與標(biāo)準(zhǔn)模擬動作顯示在同一個屏幕上，并以相同視點、同步對比，進行技術(shù)診斷，根據(jù)武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)原理設(shè)計運動員改進技術(shù)動作的指導(dǎo)性方案。

計算機數(shù)字模擬技術(shù)應(yīng)用于武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的研究目前是武術(shù)運動技術(shù)研究的重點課題。國內(nèi)外同行雖然在人體運動模擬的計算機數(shù)字模擬技術(shù)計算技術(shù)研究方面已有一些結(jié)果，但由于其計算復(fù)雜度高，需要人為設(shè)定繁瑣的參數(shù)而難以完全滿足運動實踐的需要。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，計算機數(shù)字模擬技術(shù)計算技術(shù)在不斷與武術(shù)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)研究相結(jié)合的實踐中，將顯現(xiàn)越來越大的指導(dǎo)作用與價值。

[1]鄭秀媛，等．現(xiàn)代運動生物力學(xué)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2002．

[2]封根權(quán)．人體工程學(xué)[M]．蘭州：甘肅人民出版社，1980．

[3]李良標(biāo)等．運動生物力學(xué)[M]．北京：北京體育學(xué)院出版社，1991．

[4]時學(xué)黃，等．運動生物力學(xué)譯文集[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1985．

[5]魏文儀，等．運動生物力學(xué)譯文集[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1989．

[6]吳旭光，等．計算機仿真技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005．

Application of the Digital Simulation Technique of Computer in Studying Action Technique Structure of Wushu

Wang YaqiongSun Wei
（Dept.of Physical Education，Qiannan Normal College for Nationalities,Duyun Guizhou 558000）

The paper studies the methods and procedure of the digital simulation technique of computer in studying action technique structure form the aspect of study methodology of sports science on the basis of document summarization.The paper has discoursed in detail the method,process as well as material step and function of the digital simulation technique of computer in studying action technique structure of Wushu from the aspects of building the digital model of incarnate action technique structure of Wushu,step as well as the processing,transcription and computation of data in the applying the digital simulation technique of computer,modifying the scheme of the action technique structure model of Wushu,designing the model of the new action technique,applying the digital simulation technique of computer to the training of the athletics technique.

digital simulation of computer Wushu structure of action technique

G85

A

1004—5643（2010）03—0042—03

1.王亞瓊（1 9 5 8～），女，教授。研究方向：民族傳統(tǒng)體育學(xué)。

2.孫 偉（1 9 8 7～），男。研究方向：計算機技術(shù)應(yīng)用。