體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中動(dòng)作仿真的運(yùn)用分析

郭麗兵

(天津廣播影視職業(yè)學(xué)院，天津 300112)

體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的強(qiáng)度日益增加，隨著社會(huì)的迅猛發(fā)展，體育運(yùn)動(dòng)的訓(xùn)練水平逐漸增強(qiáng)，通過(guò)積極的改進(jìn)，與傳統(tǒng)的訓(xùn)練技術(shù)相比有很大改善。目前體育運(yùn)動(dòng)事業(yè)已經(jīng)有較大的進(jìn)步，但是隨著人們生活質(zhì)量的逐漸提升，體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練技術(shù)與方法等很難追上人們的需求，所以必須借助先進(jìn)的技術(shù)手段。在信息技術(shù)的支持下，努力創(chuàng)造更加先進(jìn)的技術(shù)手段。通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)努力挖掘人體的運(yùn)動(dòng)細(xì)胞，使人體運(yùn)動(dòng)技能發(fā)揮其最大功效。

1. 動(dòng)作仿真技術(shù)概述

在體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中，最常見(jiàn)的觀察手段是視頻觀察法和三維動(dòng)態(tài)攝影法，這兩種方法是在科學(xué)基礎(chǔ)上建立的。采用這兩種慣用手段能夠觀察連貫動(dòng)作的分解動(dòng)作，便于學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)技巧，但是它們對(duì)外界條件的要求較高，例如光線、衣服色彩以及環(huán)境遮擋物等。所以在采用這種手段進(jìn)行體育訓(xùn)練時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差，故需要發(fā)展更為先進(jìn)的信息技術(shù)來(lái)解決上述問(wèn)題。近年來(lái)動(dòng)作仿真技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)，它是以三維動(dòng)作捕捉技術(shù)為基礎(chǔ)，并且通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)模擬仿真人體大腦，從而來(lái)控制人體運(yùn)動(dòng)思維。人體動(dòng)作仿真技術(shù)主要包括人體模型的建立、人體在特定條件下較為真實(shí)的物理反應(yīng)信號(hào)的采集、計(jì)算機(jī)模擬人體真實(shí)動(dòng)作的過(guò)程模擬等方面。該技術(shù)是信息技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的一項(xiàng)重大突破，它能夠促進(jìn)體育事業(yè)的發(fā)展，同時(shí)促進(jìn)了三維動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)中的發(fā)展[1]。

1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

動(dòng)作仿真技術(shù)源于20世紀(jì)的三維動(dòng)態(tài)拍攝技術(shù)，世界上最先開(kāi)始體育運(yùn)動(dòng)模擬的國(guó)家是美國(guó)，從剛開(kāi)始的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的運(yùn)用到采集數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)等的研究。以上兩種技術(shù)分別開(kāi)創(chuàng)了體育運(yùn)動(dòng)的新浪潮。通過(guò)動(dòng)作捕捉技術(shù)，美國(guó)科學(xué)家開(kāi)創(chuàng)了下肢關(guān)節(jié)角運(yùn)動(dòng)在水平運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的外表系統(tǒng)和算法，根據(jù)科學(xué)理論依據(jù)，探討了病理步態(tài)的指標(biāo)以及人體模型的限制。隨后，科學(xué)家們還開(kāi)創(chuàng)了解剖標(biāo)定的內(nèi)涵，通過(guò)信息采集運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)知識(shí)，分析了人體在空間運(yùn)動(dòng)中的諸多信息，例如盆骨位置、下肢與骨骼等重要信息。他們采用先進(jìn)技術(shù)模擬人體的運(yùn)動(dòng)特性，并且取得了很大的成果。相比之下，國(guó)內(nèi)的動(dòng)作仿真技術(shù)發(fā)展較晚，與美國(guó)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，其發(fā)展仍然比較落后。目前國(guó)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)仿真重點(diǎn)在應(yīng)用研究上，而對(duì)基本理論例如算法、模型建立等研究較少。近年來(lái)我國(guó)學(xué)者利用OpenSim技術(shù)開(kāi)發(fā)了很多先進(jìn)的人體運(yùn)動(dòng)研究。例如跨欄短跑與腱傷病預(yù)防的理論分析等。此外研究人員還是使用動(dòng)作捕捉技術(shù)分析了仿生外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人研究，主要通過(guò)動(dòng)作捕捉技術(shù)采集數(shù)據(jù)信息，并且建立人體仿真模型。這些研究都為我國(guó)體育運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)提供了科學(xué)依據(jù)，為動(dòng)作仿真技術(shù)的發(fā)展提供思路，從而有效提升我國(guó)的體育運(yùn)動(dòng)事業(yè)[2]。

1.2 運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)概述

現(xiàn)代社會(huì)中，各種機(jī)械設(shè)備層出不窮，且隨著社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力的增加，各種機(jī)械設(shè)備功能復(fù)雜多樣，因?yàn)槿藗儗?duì)生活質(zhì)量的追求越來(lái)越高，導(dǎo)致機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)企業(yè)更加關(guān)注產(chǎn)品的功能化信息。因?yàn)橹挥羞@樣才能夠滿足人們的需求，才能在這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)極強(qiáng)的社會(huì)中占據(jù)一席之地。那這就要求研究人員努力研究各種新型產(chǎn)品，產(chǎn)品功能多樣化的前提是專家們提前了解這些機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)特性、例如材料材質(zhì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基本理論等。動(dòng)作仿真技術(shù)能夠提供一些運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)模擬信息的方法，所以在現(xiàn)代社會(huì)中被廣泛應(yīng)用。例如，研究人員利用仿真技術(shù)能夠?qū)AD中對(duì)裝配體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)約束；此外，運(yùn)動(dòng)仿真軟件能夠模擬并且計(jì)算出運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)，例如加速度、速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)信息以及慣性力、驅(qū)動(dòng)力等動(dòng)力學(xué)信息[3]。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)，研究人員逐漸發(fā)展了人體運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)，它主要是用來(lái)建立剛性的人體模型，通過(guò)仿真技術(shù)對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束，并且設(shè)定一定的空間范圍，從而對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行模擬。當(dāng)前人體仿真軟件分為兩種，一種是專用的人體模擬軟件，通過(guò)軟件自帶的系統(tǒng)直接建立人體模型。另一種是機(jī)械制圖中常用的三維繪圖技術(shù)，通過(guò)軟件來(lái)建立人體模型。專業(yè)的人體建模軟件，例如ADAMS，它可以直接對(duì)建立的人體模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)約束與空間約束，而機(jī)械的人體建模軟件還需要將模型導(dǎo)入到專業(yè)的建模軟件中進(jìn)行約束條件設(shè)定，然后再進(jìn)行仿真過(guò)程，這種方法顯然存在很多弊端，且在導(dǎo)入過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致部分信息缺失，不利于體育運(yùn)動(dòng)中的人體動(dòng)作模擬。

2. 信息技術(shù)作用下的動(dòng)作仿真對(duì)體育運(yùn)動(dòng)的影響

2.1 動(dòng)作仿真技術(shù)對(duì)學(xué)生體育運(yùn)動(dòng)的作用

利用現(xiàn)代科學(xué)研究的新型技術(shù)，能夠更好的模擬體育運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在體育教學(xué)中通過(guò)視頻、音頻以及軟件插件等清晰的將動(dòng)作要領(lǐng)展現(xiàn)給學(xué)生，在體育運(yùn)動(dòng)教學(xué)中更精準(zhǔn)的傳授教練的動(dòng)作要領(lǐng)以及動(dòng)作需要注意的關(guān)鍵性問(wèn)題，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)體育運(yùn)動(dòng)的理解與掌握。此外，信息技術(shù)應(yīng)用于仿真技術(shù)中，體育動(dòng)作仿真能夠通過(guò)收集動(dòng)態(tài)視頻等方式進(jìn)行，同時(shí)還能采用軟件模擬動(dòng)作的全過(guò)程，根據(jù)實(shí)際情況模擬動(dòng)作發(fā)生時(shí)的環(huán)境、速度以及動(dòng)作約束力等。采取動(dòng)作仿真技術(shù)模擬體育運(yùn)動(dòng)能夠較好的掌握動(dòng)作要領(lǐng)，并且可以更全面的掌握體育動(dòng)作中可能存在的危險(xiǎn)，從而及時(shí)避免體育運(yùn)動(dòng)中意外事故的發(fā)生[4]。這不僅有利于學(xué)生的健康而且能夠有效的提升體育教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。學(xué)生在學(xué)習(xí)體育動(dòng)作時(shí)，從動(dòng)作仿真技術(shù)中感知某一動(dòng)作的關(guān)鍵部分。例如基礎(chǔ)設(shè)施不完善等體育運(yùn)動(dòng)缺陷，會(huì)造成體育教學(xué)的困難，抑制體育運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。當(dāng)前我國(guó)已經(jīng)有數(shù)十家學(xué)校開(kāi)設(shè)了高爾夫球的體育教學(xué)課程，這在體育教學(xué)中是比較先進(jìn)的教學(xué)，然而教學(xué)場(chǎng)地受到限制，這嚴(yán)重阻礙了學(xué)生對(duì)高爾夫球的熟練程度，同時(shí)也不利于該課程的建立，其課程設(shè)置目標(biāo)與現(xiàn)實(shí)存在很大差距，降低了該課程的期望值。鑒于上述問(wèn)題，現(xiàn)在很多高校采用模擬仿真技術(shù)來(lái)進(jìn)行高爾夫球教學(xué)，通過(guò)先進(jìn)技術(shù)軟件引用虛擬仿真技術(shù)來(lái)進(jìn)行課程教學(xué)，例如高爾夫球的動(dòng)作，模擬實(shí)驗(yàn)中心場(chǎng)地來(lái)進(jìn)行高爾夫球技術(shù)的模擬與驗(yàn)證，此外通過(guò)軟件進(jìn)行條件約束，還能控制氣候環(huán)境變化對(duì)體育動(dòng)作教學(xué)的影響。

2.2 動(dòng)作仿真技術(shù)對(duì)體育訓(xùn)練教師的影響

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中，新課程改革也成為體育教學(xué)中的一個(gè)重大改革項(xiàng)目。在利用先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)能夠改變教師們陳舊的教學(xué)理念與方法。通過(guò)動(dòng)作仿真技術(shù)教學(xué)，從音效視頻等動(dòng)態(tài)教學(xué)方法中，能夠讓教師體會(huì)到動(dòng)作仿真技術(shù)的重要性，它能夠?qū)⒔處煴磉_(dá)不清楚的動(dòng)作內(nèi)涵與美感生動(dòng)形象的表達(dá)出來(lái)。采用動(dòng)作仿真技術(shù)不僅提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時(shí)也提升了教師的教學(xué)效率。采用動(dòng)作仿真技術(shù)，將枯燥乏味的動(dòng)作生動(dòng)化，同時(shí)使得教師的備課更具有針對(duì)性，教師備課過(guò)程效率提高，且對(duì)課程的重點(diǎn)把握的很清楚，通過(guò)針對(duì)性訓(xùn)練，刺激學(xué)生的感官，提高他們的專注度。此外，通過(guò)動(dòng)作仿真技術(shù)，教師能夠采用多次播放視頻增加學(xué)生的感知與熟悉度，在日常教學(xué)中還可以將學(xué)生上課時(shí)的動(dòng)作視頻與示范動(dòng)作視頻進(jìn)行對(duì)比，方便學(xué)生及時(shí)糾正錯(cuò)誤的動(dòng)作，提升學(xué)生對(duì)動(dòng)作的準(zhǔn)確度和把握程度。

3. 體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中動(dòng)作仿真技術(shù)的運(yùn)用分析

3.1 建立虛擬的體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，鞏固技術(shù)動(dòng)作

每個(gè)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的完成均與學(xué)習(xí)的個(gè)體與個(gè)體所處環(huán)境的構(gòu)建有關(guān)系，項(xiàng)目的完成涉及基本理論，技術(shù)以及動(dòng)作要領(lǐng)學(xué)習(xí)等。所以體育動(dòng)作教學(xué)也應(yīng)該保證良好的教學(xué)環(huán)境，學(xué)生積極主動(dòng)，與教師互動(dòng)交流，這些都有利于動(dòng)作的學(xué)習(xí)。通過(guò)動(dòng)作仿真技術(shù)可以虛擬的模擬體育運(yùn)動(dòng)中的教學(xué)場(chǎng)景，這樣的場(chǎng)景是自由開(kāi)放的，有益于學(xué)生學(xué)習(xí)的。通過(guò)電子計(jì)算機(jī)生成可視化的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，基礎(chǔ)設(shè)施，器材以及健康的運(yùn)動(dòng)員，能夠直觀的刺激學(xué)生的感官，提高他們對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作要領(lǐng)的觀察度，從而促進(jìn)他們對(duì)動(dòng)作要領(lǐng)的掌握。此外，可視化的虛擬場(chǎng)景能夠讓運(yùn)動(dòng)員全面體驗(yàn)各種運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，從而增強(qiáng)體育運(yùn)動(dòng)的趣味[5]。

3.2 改善教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)教學(xué)多樣化

體育運(yùn)動(dòng)在人們的固有思維中是簡(jiǎn)單的重復(fù)動(dòng)作，認(rèn)為只有這樣才能熟練掌握動(dòng)作，具備熟練的運(yùn)動(dòng)技術(shù)。然而動(dòng)作仿真技術(shù)打破了人們對(duì)體育運(yùn)動(dòng)教學(xué)的固有觀點(diǎn)。在體育教學(xué)中采用動(dòng)作仿真技術(shù)能夠使體育課程多樣化，同時(shí)在視覺(jué)感官的前提下讓學(xué)生具有深刻的情感認(rèn)知。虛擬仿真技術(shù)可以通過(guò)視覺(jué)，聽(tīng)覺(jué)以及鏡面攝影等方式，讓學(xué)生有身臨其境的感受。同時(shí)通過(guò)鏡面攝影技術(shù)指出學(xué)生錯(cuò)誤的動(dòng)作，方便學(xué)生及時(shí)糾正錯(cuò)誤動(dòng)作[6]。此外，虛擬仿真技術(shù)還能夠模擬訓(xùn)練者的實(shí)時(shí)動(dòng)作，通過(guò)不同音效、提示、方向等提醒學(xué)習(xí)者所學(xué)體育動(dòng)作的前后順序以及動(dòng)作技巧等，從而提高學(xué)習(xí)者的體育運(yùn)動(dòng)能力。

4. 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)作仿真技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中具有重要意義，因此，應(yīng)該加強(qiáng)動(dòng)作仿真技術(shù)的發(fā)展，需要投入大量的時(shí)間和精力來(lái)完善動(dòng)作仿真技術(shù)。從提升軟件硬件的技術(shù)開(kāi)始，逐漸建立完整的體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練平臺(tái)，提升體育運(yùn)動(dòng)教學(xué)質(zhì)量。