融合動作捕捉技術的排球教學模式探究

韓麗 劉祺

摘 要：近年來，動作捕捉技術發(fā)展迅速，已經(jīng)廣泛應用于影視制作、游戲仿真、機械控制及醫(yī)療領域，但其與教學活動的結合未見普遍研究。動作捕捉技術不僅可以實現(xiàn)動作的實時捕捉、運動仿真和動畫，而且可以用于三維立體教學、動作分析與反饋，從而增強學生的學習興趣，提高教學質量。文章將動作捕捉技術與傳統(tǒng)體育教學相結合，通過建立教練員的動作姿態(tài)庫，生成教學動畫軟件，實現(xiàn)動作的三維立體分析與講解。最終采用實驗對比分析進行驗證，結果表明動作捕捉技術在體育排球教學中的引入，不僅豐富了教學內容，而且獲得了更好的教學效果，具有極高的研究與應用價值。

關鍵詞： 動作捕捉;運動軌跡;排球教學

中圖分類號：G423 ? ? ? ? ? 文獻標志碼：B ? ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2015）04-0077-04

一、引言

隨著計算機圖形學的發(fā)展和硬件設備的進步，虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality）已經(jīng)被人們所了解并且應用到各行各業(yè)中。因此，計算機特技應用到教學活動中，成為必不可少的手段，能夠極大地提高教學質量。近年來，體育教學中主要應用的多媒體技術就是CAI，筆者在中國知網(wǎng)進行“多媒體技術與體育教學”關鍵詞檢索，結果發(fā)現(xiàn)約77551 多個研究成果及期刊論文，可見多媒體技術在體育教學中應用之廣。多媒體技術主要是利用多媒體計算機，綜合處理和控制多種媒體信息，具體應用在課件方面，以數(shù)字化為基礎，對圖片與文字、音頻與視頻、動畫等多媒體信息進行采集、加工處理、存儲和傳遞，并能使各種媒體信息之間建立起有機的邏輯聯(lián)系，集成為一個具有良好交互性的系統(tǒng)技術，使得教學內容豐富多彩。但是在教學實施中還存在很多問題和弊端，其一就是技術動作的教學演示，有些高難度的技術動作是多媒體技術難以實現(xiàn)的，而且與標準動作比較，運用多媒體技術設計出來的動作存在一定不足;其二就是教學手段單一，靈活性很差，而體育教學靈活性很強，多媒體技術難以實現(xiàn);其三就是多媒體技術無法實現(xiàn)學生自主學習，自主進行動作分析與反饋。

而動作捕捉技術能夠檢測、記錄運動員的肢體在三維空間的運動軌跡，實時捕捉運動員的動作，并將其轉化為數(shù)字化的“抽象運動”，減少人為誤差，教學動作更加標準，涵蓋信息量大，反饋直接形象。學生也可以對自己的技術動作進行分析與反饋，實現(xiàn)自主學習。因此，在體育教學過程中，如何運用動作捕捉技術與傳統(tǒng)教學相結合，改變傳統(tǒng)教學的弊端和問題，提高教學質量，具有極高的研究與應用價值。

二、動作捕捉在體育教學中應用的意義

1.動作捕捉相關概念

動作捕捉（Motion capture），也稱為Motion Tracking（動作追蹤）或簡稱Mocap。動作捕捉主要捕捉表演者的動作甚至表情，用這些動作或表情數(shù)據(jù)直接驅動動畫、虛擬對象模型，制作出逼真的動畫。[1]

動作捕捉技術的雛形是1915年動畫大師Max Fleischer研制的一個將膠片內容打到透光臺上的放映機，把拍攝出的動作影像作為動畫描繪的底樣，逐幀描繪出所需的動作。[2] 20世紀70年代，基于儀器的運動捕捉技術開始應用于動畫領域，80年代，通過電腦實現(xiàn)的針對人體運動捕捉的研究開始出現(xiàn)，90年代，三維運動軌跡捕捉技術正式商業(yè)化。[3] 2011年拍攝的《星球崛起》運用了最新的動作捕捉技術，沒有一只真實動物參與表演，達到了動作捕捉技術應用的新高峰。[2]

（1）動作捕捉技術

動作捕捉技術，就是在運動物體的主要部位設置關鍵點，借助計算機技術，采用測量、跟蹤、計算等方法把運動物體身上關鍵點的動作捕捉下來，然后應用到已建好的三維模型中， 讓三維模型做出和演員類似的動作。[4] 例如，在表演者的手、肘、肩、膝蓋、腳面等關鍵部位貼上閃光球，稱為“Marker”，在表演者做出發(fā)球動作的同時，用專門儀器捕捉Marker的運動軌跡，然后運用相關軟件進行處理，處理后應用到排球運動員模型上，這樣，模型就可以做出和表演者一模一樣的發(fā)球動作。

（2）動作捕捉系統(tǒng)

動作捕捉技術從實時性來看，可分為實時捕捉系統(tǒng)和非實時捕捉系統(tǒng)兩類;從應用的角度來看，可分為表情捕捉和身體動作捕捉兩類;按人體動作捕捉需求的深淺來區(qū)分，可分為全身運動捕捉和細節(jié)運動捕捉兩類。按原理來分，可分為機械式運動捕捉、聲學式運動捕捉、電磁式運動捕捉和光學式運動捕捉四種。[3]

2.與常規(guī)體育教學對比

體育運動中有許多技術動作，不僅數(shù)量多、速度快，而且比較復雜，一些還具有瞬時性，這都給教學帶來較大困難。一方面，教師因為天氣、身體、心理等原因，不能將每個動作都標準地演示出來，技術動作的瞬時性也導致教師不能間斷的進行示范，動作要領轉瞬即逝，不利于學生掌握;另一方面，每個學生接受能力的不同，身體素質的不同，觀察角度的不同，都會對動作重難點的領會產生影響。結果導致教師反復演示講解，影響教學效果，學生只注重動作練習，缺乏主動思考能力。而動作捕捉技術輔助教學在信息獲取和傳遞方面具有常規(guī)教學所無法比擬的優(yōu)勢。學生根據(jù)自身情況，可以針對性的學習動作技術，通過3D動畫反饋教學，在不斷對照中進步，大大提高了教學質量。

3.動作捕捉技術在體育教學中的優(yōu)勢分析

（1）突破技術動作重難點

動作捕捉技術的應用彌補了傳統(tǒng)教學的不足，把復雜的動作進行分解，而且可以把動作進行多角度慢放，了解動作的每個細節(jié)，讓學生感知動作時間、空間的特征。化抽象為具體，用動畫或者圖像把難以理解的內容顯示出來，呈現(xiàn)給學生完美的視覺效果。通過鏡頭特寫，充分調動視覺能力，建立正確完整的視覺表象，為技術動作難點的突破提供有利的條件。

（2）提高學生綜合能力

動作捕捉技術的實質是一種視覺、空間刺激，有助于激發(fā)學生的學習興趣，增強學習積極性、自覺性。教育心理學研究表明，學習動機中最現(xiàn)實、最活躍的因素是認識的興趣，在興趣高昂的狀態(tài)下學習，知識掌握的迅速而牢固。采用動作捕捉技術把復雜動作分解、慢放，讓學生自主學習，不僅可以提高學生的觀察能力、分析能力、判斷力，而且激發(fā)了學生的抽象思維，綜合能力顯著提高。

（3）提高教學效果

常規(guī)的體育教學，往往都是教師反復重復動作要領，指出易犯錯誤的原因，學生反復練習，實際的教學效果并不理想，學生易出現(xiàn)反感情緒。動作捕捉技術的應用打破常規(guī)的教學模式，先觀看教學動畫，充分調動學生的學習興趣。給出正誤兩組動作，學生自主分析思考動作之間的差異，找出錯誤動作產生的原因，提升運動技能的理解能力，避免常見錯誤動作的發(fā)生，便于快速掌握動作重難點，提高教學效果。

三、動作捕捉技術在排球教學中的應用

動作捕捉技術應用在常規(guī)排球課程教學內容的基礎上，過程如圖1，首先進行動作設計，然后對運動員進行動作捕捉，建立教學動作數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行加工處理后，用3Dmax軟件實現(xiàn)模型的轉化，最后制作成動畫應用在教學中。

1.動作的設計與采集

基本動作的訓練主要是為了在實戰(zhàn)中應用。學生經(jīng)過反復訓練，將規(guī)范動作變成一種本能反應，才能夠在實戰(zhàn)中迅速做出正確的選擇，減少不必要失誤的發(fā)生。針對排球中的發(fā)球、傳球、扣球、攔網(wǎng)以及基本步法等基本動作進行設計，來滿足排球教學的需求。

教練員穿上關鍵部位貼有Marker的單色服裝，演示設計好的教學動作，如圖2。采用多臺近紅外高感度專用攝像機也就是信號捕捉設備，對運動員身上的Marker進行跟蹤和監(jiān)視，記錄下教練員的動作軌跡。

2.教學動作數(shù)據(jù)庫的建立與數(shù)據(jù)分析

（1）數(shù)據(jù)庫建立

采用光學式動作捕捉技術，對捕捉到的數(shù)據(jù)進行處理，還原為空間三維點，以此數(shù)據(jù)生成模型運動所需的動作數(shù)據(jù)，用該數(shù)據(jù)去驅動計算機動畫模型。[5]然后利用偏移映像、運動拼接等運動編輯技術完成動作修改，最后將模型的動作與骨架圖一起保存起來，建立教學動作數(shù)據(jù)庫，如圖3。

（2）數(shù)據(jù)分析

利用捕捉到的運動目標的標識點的空間三維運動軌跡坐標，分析運動目標的運動特征，如圖4，計算出所需的相關運動參數(shù)，如發(fā)球時手臂的最佳角度、接球時手腕的角度等，便于學生對技術動作進行系統(tǒng)性分析。

教師也可以在Windows平臺上打開三維坐標窗口，對捕捉到的三維數(shù)據(jù)，包括關節(jié)圖、軌跡圖、骨骼模型圖的顯示、再現(xiàn)，更加直觀的展示出動作的要領。也可以對學生的動作進行捕捉，在平面坐標窗口中表示出坐標變化曲線、運動特征曲線等，與標準動作的運動曲線進行對比，例如發(fā)球動作中腕部關節(jié)點運動軌跡，如圖5，找出關鍵節(jié)點的差異，有助于教師采用正誤對比，及時糾正學生的錯誤動作，大大提高了教學質量。

3.數(shù)據(jù)編輯、格式轉換導出

對捕捉的三維運動數(shù)據(jù)的任意標識點任意時刻在x、y、z方向上可進行靈活的手動編輯、修補，并提供完備的差值、濾波處理，使之更接近完美，使模型動作更具特色。另外，三維圖形的同步顯示更直觀，生動的3D模型輔助顯示能夠更準確的把握修改結果。數(shù)據(jù)轉換功能可以向3Dmax Studio、Maya、Motion Builder等3DGC軟件提供通用格式的運動數(shù)據(jù)（CSM、BVH、TRC、FBX等）。

四、動作捕捉技術教學效果分析

為了全面準確地了解動作捕捉技術在排球教學中的作用，以及學生對這種教學的看法，筆者采用實驗法和數(shù)理統(tǒng)計法進行分析。

1.實驗法

首先，對遼寧師范大學2012級排球選修課的班級進行隨機抽樣，隨意選出兩個班級，隨機分為實驗班和對照班。實驗前，對兩個班學生對排球的興趣、現(xiàn)有的技術水平和學習動機進行問卷調查。 結果表明：兩組學生的排球興趣、技術水平和學習動機沒有顯著差異（P>0.05）;對兩班學生的力量、速度、耐力、柔韌以及靈敏度進行測試，對得出成績進行分析，結果表明兩班學生身體素質存在顯著差異（P>0.05）;對兩班學生進行理論測試，對得出成績進行分析，結果表明兩班學生理論成績無顯著差異（P>0.05）。[5] 因此，符合研究要求。

其次，進行實驗安排，實驗時間為2013年9月至2013年12月，教學時間為16學時。對照組采用傳統(tǒng)教學方法，教師對動作進行講解演示，指導學生練習，糾正錯誤動作，最后與實驗班統(tǒng)一進行考試。實驗組在課前先運用動作捕捉技術捕捉優(yōu)秀運動員的發(fā)球、傳球、攔網(wǎng)以及扣球等技術動作，然后用3Dmax軟件把上述動作制作成教學動畫。在上課時觀看3D動畫演示的標準教學動作，同時觀看預先構建出來的可能出現(xiàn)的錯誤動作，從多角度進行對比觀察，分析原因。然后進行實際練習，用攝像機拍攝學生練習的動作，回放視頻與標準動作對比，教師給與指導，逐漸掌握動作要領，形成正確的動作定型。

最后，對兩組學生進行考核，請兩名教師對學生的四項技術進行獨立打分，再平均得到各項的分值。

2.數(shù)理統(tǒng)計法

所需數(shù)據(jù)均用SPSS13.0統(tǒng)計軟件包進行分析處理。通過對兩組學生的理論和發(fā)球、傳球、攔網(wǎng)以及扣球技術的掌握情況進行對比分析，數(shù)據(jù)見表1。

結果表明，兩組學生的理論和發(fā)球、傳球、攔網(wǎng)以及扣球成績存在顯著差異，這表明在排球教學中應用動作捕捉技術，對提高學生的技術水平、提高教學質量有很大幫助。

動作捕捉技術在排球教學中的應用，實現(xiàn)了與虛擬場景系統(tǒng)的實時交互，便于量化分析，對教學中出現(xiàn)的不足進行改進，擺脫純粹依靠理論教學的狀態(tài)，進入數(shù)字化時代，大大提高教學效果，可以預料動作捕捉技術將會在教學中得到越來越廣泛的應用。

參考文獻：

[1]金剛，李德華，周學泳.表演動畫中的運動捕捉技術[J].中國圖像圖形學報，2000（3）：264-267.

[2]吳少軍，胡燕紅.動作捕捉技術發(fā)展新趨勢及其對影視工業(yè)影響簡論[J].群文天地，2012（2）：129-130.

[3]李明宇，趙亮，姜軍.動作捕捉技術應用研究調查報告[J].科技信息，2011（36）：463.

[4]尹釗.動作捕捉在影視作品中的應用[J].影視制作，2010（11）：44-48.

[5]馮遠淑，陳福民.基于動作捕捉的計算機動畫探討與實現(xiàn)[J].同濟大學學報（自然科學版），2004（7）：956-960.

（編輯：魯利瑞）