基于Kinect的武術(shù)基本功弓、馬步轉(zhuǎn)換的動作分析

王繼生，馬佳佳，王朝輝

（1.首都體育學(xué)院北京酷佩體育文化中心，北京 100191；2.中國人民大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100080；3.首都體育學(xué)院武術(shù)與表演學(xué)院，北京 100191）

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以基于Kinect的武術(shù)基本功弓、馬步轉(zhuǎn)換的動作為研究對象。

1.2 研究方法

1.2.1 文獻(xiàn)資料法通過中國知網(wǎng)等數(shù)據(jù)庫以“Kinect”“武術(shù)基本功”“弓、馬步轉(zhuǎn)換”“動作分析”為關(guān)鍵詞搜集相關(guān)的文獻(xiàn)資料并進(jìn)行整理與歸納，為本文研究提供客觀、可靠的信息及理論基礎(chǔ)。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)法（1）實(shí)驗(yàn)對象：實(shí)驗(yàn)對象共計(jì)20人，分為標(biāo)準(zhǔn)組和測試組。其中標(biāo)準(zhǔn)組為首都體育學(xué)院武術(shù)與表演學(xué)院10名武術(shù)套路一級運(yùn)動員，測試組為首都體育學(xué)院10名武術(shù)套路初學(xué)者（體育教育專業(yè)學(xué)生）。（2）實(shí)驗(yàn)時(shí)間和地點(diǎn)：于2021年11月1日—12月30日在首都體育學(xué)院武術(shù)與表演學(xué)院進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（3）實(shí)驗(yàn)采集環(huán)境：系統(tǒng)硬件及軟件環(huán)境為PC、Kinect V2深度傳感器及配套SDK包。實(shí)驗(yàn)具體操作為Kinect V2放在距離地面90cm處，采集的最佳距離是實(shí)驗(yàn)對象與Kinect V2深度攝像機(jī)1.5～3m的距離，人體與Kinect V2的相對角度不能超過45°，在捕捉數(shù)據(jù)過程中，角度轉(zhuǎn)動范圍可依據(jù)人體骨架在屏幕上的現(xiàn)實(shí)進(jìn)行調(diào)整；最佳角度為實(shí)驗(yàn)對象在Kinect V2的正前方。（4）實(shí)驗(yàn)變量：實(shí)驗(yàn)采集過程中對實(shí)驗(yàn)者的年齡及距離Kinect的遠(yuǎn)近距離進(jìn)行控制，以減少實(shí)驗(yàn)分析所產(chǎn)生的誤差。（5）實(shí)驗(yàn)測試指標(biāo)：身體重心、左膝關(guān)節(jié)角度、右膝關(guān)節(jié)角度、左髖關(guān)節(jié)角度、右髖關(guān)節(jié)角度。

1.2.3 專家訪談法通過對首都體育學(xué)院武術(shù)與表演學(xué)院從事武術(shù)教學(xué)工作的教師進(jìn)行訪談，了解武術(shù)基本功弓、馬步轉(zhuǎn)換之間的技術(shù)特點(diǎn)及特征、提取方法與標(biāo)準(zhǔn)，完善實(shí)驗(yàn)。

1.2.4 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法運(yùn)用Kinect V2三維動作捕捉系統(tǒng)以及Dartfish 10.0視頻分析軟件對關(guān)節(jié)角度進(jìn)行分析，求得弓、馬步轉(zhuǎn)換動作關(guān)節(jié)角度變化重心等運(yùn)動學(xué)參數(shù)，并運(yùn)用ExceL對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Kinect的工作原理及骨架視頻采集

2.1.1 Kinect骨骼跟蹤技術(shù)原理Kinect的核心關(guān)鍵技術(shù)就是骨骼跟蹤技術(shù)，其功能是通過Kinect獲取的深度采集數(shù)據(jù)識別人體主要關(guān)節(jié)點(diǎn)位置的技術(shù)。通過Kinect實(shí)現(xiàn)骨骼跟蹤的原理可以分為以下3步：（1）去除背景。Kinect分析出人體可能存在的區(qū)域，然后利用邊緣檢測、噪音閾值處理等技術(shù)將人體從背景環(huán)境中區(qū)分出來。（2）人體基本部位分類。從深度圖中識別出人體各個(gè)部位，根據(jù)相對值進(jìn)行分類。（3）人體部位識別關(guān)節(jié)。系統(tǒng)會根據(jù)跟蹤的25個(gè)關(guān)節(jié)生成一副骨骼架構(gòu)。通過這種方式，Kinect能夠識別出人體所處的精確位置。

2.1.2 基于Kinect弓、馬步轉(zhuǎn)換骨架運(yùn)動視頻的獲取基于視頻分析的技術(shù)檢測可以通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的行為進(jìn)行定位和識別，行為檢測可以廣泛地應(yīng)用于很多場合。而Dartfish運(yùn)動視頻有著操作相對簡單、成本低、易上手等特點(diǎn)，因此特選Kinect與Dartfish相結(jié)合運(yùn)用作為實(shí)驗(yàn)方法。通過Kinect采集運(yùn)動骨架，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用Dartfish的運(yùn)動視頻分析功能進(jìn)行分析整理，最后獲取到本文研究的所需數(shù)據(jù)。

2.2 弓、馬步轉(zhuǎn)換技術(shù)特點(diǎn)及動作特征提取

2.2.1 弓、馬步轉(zhuǎn)換動作技術(shù)特點(diǎn)弓、馬步作為武術(shù)套路的基本步型，在武術(shù)套路的初學(xué)及日常練習(xí)中具有重要作用。弓步可以分為左弓步、右弓步，其基本技術(shù)特點(diǎn)為：前方腿為弓形、后方腿自然蹬直，弓形腿為90°、蹬直腿為180°，且膝蓋不能超過腳尖，前腿腳尖向前緊握抓地，后腿蹬直緊握抓緊。馬步基本技術(shù)特點(diǎn)為：雙腳平行開立至略寬于肩部，腳尖向前不可向內(nèi)撇或外撇。兩膝關(guān)節(jié)向外支撐且不能超過腳尖，半蹲，大腿與地面保持平行，挺胸立腰。

2.2.2 動作特征提取指標(biāo)的選取通過專家訪談，本文研究確定了以下5個(gè)動作特征指標(biāo)的變化：左膝關(guān)節(jié)角度、右膝關(guān)節(jié)角度、左髖關(guān)節(jié)角度、右髖關(guān)節(jié)角度、身體重心。所有實(shí)驗(yàn)對象在實(shí)驗(yàn)中，做出馬步變弓步蹬腿的動作，均為向左轉(zhuǎn)變5次，最終分析每個(gè)實(shí)驗(yàn)對象5次中的最優(yōu)值。

2.3 基于Kinect不同水平練習(xí)者弓、馬步轉(zhuǎn)換的重心變化對比分析

在武術(shù)套路競賽規(guī)則中，明確強(qiáng)調(diào)了關(guān)于重心的重要性，如太極拳等競賽套路要求重心穩(wěn)定協(xié)調(diào)。而人體所受重力的合力稱為人體重心，站立時(shí)，人體重心一般在身體正中面上第三骶椎上緣前方7cm處，為更好地研究重心變化，本文研究實(shí)驗(yàn)以兩髖之間連線的中點(diǎn)作為重心的測試點(diǎn)，初學(xué)者在學(xué)習(xí)武術(shù)基本功中不可忽略弓、馬步的重心變化這一要素。通過Kinect采集骨架影像后，經(jīng)過Dartfish運(yùn)動視頻分析軟件加工分析，發(fā)現(xiàn)初學(xué)者在練習(xí)此動作時(shí)，從馬步向弓步轉(zhuǎn)換時(shí)重心幅度有起有伏，且起伏較大；而一級運(yùn)動員在練習(xí)該動作時(shí)重心的起伏相對較小，且重心高度比初學(xué)者重心高度相比較低。

2.4 基于Kinect不同水平練習(xí)者弓、馬步轉(zhuǎn)換的關(guān)節(jié)角度對比分析

2.4.1 不同水平練習(xí)者弓、馬步轉(zhuǎn)換左膝關(guān)節(jié)角度對比分析膝關(guān)節(jié)變化是武術(shù)套路運(yùn)動運(yùn)用較多的一個(gè)動作，武術(shù)諺語中“胸不過膝，膝不過腳尖”這一說法，體現(xiàn)了膝關(guān)節(jié)在武術(shù)套路運(yùn)動中存在較高的地位。初學(xué)者進(jìn)行基本功的學(xué)練時(shí)若沒能掌握動作標(biāo)準(zhǔn)，可能會給膝關(guān)節(jié)帶來一些不好的影響，因此要注重初學(xué)者在學(xué)練基本功時(shí)膝關(guān)節(jié)角度的變化。而如何確定膝關(guān)節(jié)角度，可以由踝關(guān)節(jié)中心、膝關(guān)節(jié)中心及髖關(guān)節(jié)連線后所成的夾角來確定膝關(guān)節(jié)的測試點(diǎn)。通過專家訪談悉知，弓、馬步轉(zhuǎn)換時(shí)左膝關(guān)節(jié)角度的變化應(yīng)從馬步靜止時(shí)的90°左右，到轉(zhuǎn)換為弓步靜止時(shí)的90°左右。通過Kinect采集骨架影像后，經(jīng)過Dartfish運(yùn)動視頻分析軟件加工分析，發(fā)現(xiàn)初學(xué)者在進(jìn)行該動作時(shí)，左膝關(guān)節(jié)角度起伏較大且參差不齊，從馬步轉(zhuǎn)換成左弓步時(shí)左膝關(guān)節(jié)的角度均值在124.16°，此動作的標(biāo)準(zhǔn)值為90°，初學(xué)者的實(shí)數(shù)據(jù)明顯高于此動作的標(biāo)準(zhǔn)值。通過轉(zhuǎn)換弓步過程之中逐漸在過多的上升或下降。當(dāng)動作運(yùn)動到弓步靜止時(shí)初學(xué)者的左膝關(guān)節(jié)角度的均值在114.58°，其數(shù)據(jù)明顯高于此動作的標(biāo)準(zhǔn)值。而一級運(yùn)動員在進(jìn)行該動作時(shí)，左膝關(guān)節(jié)角度的變化相對穩(wěn)定且差值不大，一級運(yùn)動員在準(zhǔn)備做馬步轉(zhuǎn)換弓步這一動作的馬步靜止時(shí)的左膝關(guān)節(jié)的角度均值在93.95°，僅略高于標(biāo)準(zhǔn)值。在變弓步的運(yùn)動中并未出現(xiàn)較大起伏的角度變動，到最后弓步靜止時(shí)一級運(yùn)動員的左膝關(guān)節(jié)角度均值在89.69°，整體而言數(shù)據(jù)接近于動作的標(biāo)準(zhǔn)值。

綜上，初學(xué)者和一級運(yùn)動員在進(jìn)行弓、馬步轉(zhuǎn)換動作時(shí)。從靜止開始到此動作的軌跡結(jié)束，初學(xué)者的左膝關(guān)節(jié)角度變化參差不齊，且角度高于標(biāo)準(zhǔn)值。而相比之下，一級運(yùn)動員在完成此動作時(shí)顯得相對平穩(wěn)且角度幅度近于標(biāo)準(zhǔn)值。

2.4.2 不同水平練習(xí)者弓、馬步轉(zhuǎn)換右膝關(guān)節(jié)關(guān)角度對比分析通過專家訪談悉知，弓、馬步轉(zhuǎn)換時(shí)右膝角度變化應(yīng)從馬步靜止時(shí)的90°左右，到轉(zhuǎn)換為弓步靜止時(shí)的180°左右。通過Kinect采集骨架影像后，經(jīng)過Dartfish運(yùn)動視頻分析軟件加工分析，發(fā)現(xiàn)初學(xué)者從馬步動作靜止時(shí)的右膝關(guān)節(jié)角度均值在126.22°，已超過此動作標(biāo)準(zhǔn)值。隨著馬步轉(zhuǎn)成弓步的過程中初學(xué)者出現(xiàn)了起伏參差不齊、有高有低的現(xiàn)象。在到變換成弓步靜止時(shí)初學(xué)者右膝關(guān)節(jié)角度均值在157.72°，這樣的角度也明顯低于此動作的標(biāo)準(zhǔn)值。而一級運(yùn)動員在習(xí)練此動作的右膝關(guān)節(jié)角度起伏變換，從馬步靜止時(shí)一級運(yùn)動員右膝關(guān)節(jié)角度均值為94.6°，數(shù)據(jù)接近于此動作的標(biāo)準(zhǔn)值。隨著一級運(yùn)動員在馬步變換為弓步的過程中，數(shù)據(jù)的起伏較初學(xué)者來講相對穩(wěn)定且動作軌跡較為明顯。到馬步變換至弓步動作靜止后一級運(yùn)動員右膝關(guān)節(jié)的角度均值為178.66°左右，數(shù)據(jù)接近符合此動作的標(biāo)準(zhǔn)值。綜上，初學(xué)者與一級運(yùn)動員在練習(xí)弓、馬步轉(zhuǎn)換時(shí)有明顯的差距。初學(xué)者在靜止時(shí)的馬步及轉(zhuǎn)換為弓步靜止時(shí)的數(shù)據(jù)均高于或低于此動作的標(biāo)準(zhǔn)值；轉(zhuǎn)換過程中起伏較大，無跡可尋。而一級運(yùn)動在練習(xí)此動作的數(shù)據(jù)值均接近于此動作的標(biāo)準(zhǔn)值；轉(zhuǎn)換過程中數(shù)據(jù)變化相對較小。

2.4.3 不同水平練習(xí)者弓、馬步轉(zhuǎn)換左髖關(guān)節(jié)關(guān)角度對比分析髖關(guān)節(jié)角度的變化在武術(shù)套路運(yùn)動中具有重要作用，如柔韌性、步型的支撐、跳躍的騰空等。而武術(shù)套路中的柔韌性更加強(qiáng)調(diào)了肩、腰、膝、髖等大關(guān)節(jié)柔韌性的重要性，而髖關(guān)節(jié)在下肢的步型中起到了關(guān)鍵的作用。如何確定髖關(guān)節(jié)角度，可由軀干與大腿之間的前夾角來確定髖關(guān)節(jié)角度的測試點(diǎn)。通過專家訪談悉知，弓、馬步轉(zhuǎn)換時(shí)左髖角度變化應(yīng)從馬步靜止時(shí)的90°左右，到轉(zhuǎn)換為弓步靜止時(shí)的90°左右。

經(jīng)過Dartfish運(yùn)動視頻分析軟件加工分析，發(fā)現(xiàn)初學(xué)者在馬步靜止時(shí)的左髖關(guān)節(jié)的角度均值為116.95°，高于左髖關(guān)節(jié)角度的標(biāo)準(zhǔn)值。隨著動作的變化，初學(xué)者在變化的過程中數(shù)據(jù)出現(xiàn)了起伏、有高有低，到馬步變成弓步時(shí)的靜止時(shí)左髖關(guān)節(jié)的角度均值在112.67°左右參差起伏，偏高于左髖關(guān)節(jié)角度的標(biāo)準(zhǔn)值。而一級運(yùn)動員在馬步靜止時(shí)的左髖關(guān)節(jié)的角度均值為93.2°，接近于此動作的標(biāo)準(zhǔn)值。隨著馬步變向弓步轉(zhuǎn)換的過程中，數(shù)據(jù)顯示一級運(yùn)動員左髖關(guān)節(jié)角度的變化幅度不大且有跡可循，到動作最后落成弓步靜止時(shí)的左髖關(guān)節(jié)角度來看一級運(yùn)動員的角度均值為91.09°，接近于此動作的標(biāo)準(zhǔn)值。綜上，初學(xué)者與一級運(yùn)動員在進(jìn)行弓、馬步轉(zhuǎn)換時(shí)左髖角度的變化有較大差距。初學(xué)者左髖關(guān)節(jié)的角度明顯高于一級運(yùn)動員左髖關(guān)節(jié)的角度，且一級運(yùn)動員左髖關(guān)節(jié)的角度接近于此動作的標(biāo)準(zhǔn)值。

2.4.4 不同水平練習(xí)者弓、馬步轉(zhuǎn)換右髖關(guān)節(jié)關(guān)角度對比分析通過專家訪談悉知，弓、馬步轉(zhuǎn)換時(shí)右髖關(guān)節(jié)角度隨左髖關(guān)節(jié)角度的變化而變化，因此本文研究只對比初學(xué)者與一級運(yùn)動員之間的右髖關(guān)節(jié)角度的差異。經(jīng)過Dartfish運(yùn)動視頻分析軟件加工分析，初學(xué)者在馬步靜止時(shí)的右髖關(guān)節(jié)角度已經(jīng)出現(xiàn)了高低不同的現(xiàn)象，隨著動作的轉(zhuǎn)變，數(shù)據(jù)出現(xiàn)了較大幅度的變化。而一級運(yùn)動員在進(jìn)行弓、馬步轉(zhuǎn)換時(shí)的右髖角度，在實(shí)驗(yàn)開始的馬步可清晰看出一級運(yùn)動員起始的角度基本是一致的，隨著動作的轉(zhuǎn)變，數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)高低的變化。綜上，初學(xué)者與一級運(yùn)動員在進(jìn)行弓、馬步轉(zhuǎn)換時(shí)右髖角度的變化有較大的差距。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

初學(xué)者與一級運(yùn)動員在身體重心、左膝關(guān)節(jié)關(guān)角度、右膝關(guān)節(jié)關(guān)角度、左髖關(guān)節(jié)角度、右髖關(guān)節(jié)角度的變化5個(gè)方面有較大的差異。不同水平練習(xí)者的重心變化上，一級運(yùn)動員的重心較為穩(wěn)定，而初學(xué)者的重心起伏較大；不同水平練習(xí)者的左、右膝關(guān)節(jié)角度變化上，一級運(yùn)動員的左、右膝關(guān)節(jié)角度接近于此動作的標(biāo)準(zhǔn)值，而初學(xué)者的左、右膝關(guān)節(jié)角度高于此動作的標(biāo)準(zhǔn)值；不同水平練習(xí)者的左、右髖關(guān)節(jié)角度變化上，一級運(yùn)動員的左髖關(guān)節(jié)角度接近于此動作的標(biāo)準(zhǔn)值，而初學(xué)者的左髖關(guān)節(jié)角度高于此動作的標(biāo)準(zhǔn)值，右髖關(guān)節(jié)一級運(yùn)動員和初學(xué)者也有明顯的差異。

3.2 建 議

3.2.1 在身體重心方面，初學(xué)者學(xué)練武術(shù)基本功時(shí)，要注重弓、馬步的重心變化，設(shè)置循序漸進(jìn)，由易到難的練習(xí)目標(biāo)且通過系統(tǒng)科學(xué)的訓(xùn)練提高初學(xué)者的柔韌性、協(xié)調(diào)性、持久性，最后使其在做此動作時(shí)的重心較為平穩(wěn)，起伏較小。

3.2.2 初學(xué)者學(xué)練基本功時(shí)要注重左、右膝關(guān)節(jié)角度變化，完成基本動作的動作規(guī)格要求。在步型與步型之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，弓、馬步應(yīng)大腿蹲平，做到不起伏從始至終完成所學(xué)基本動作。

3.2.3 初學(xué)者學(xué)練基本功時(shí)要注重左、右髖關(guān)節(jié)角度變化。在步型與步型之間的轉(zhuǎn)換時(shí)，保持左髖的穩(wěn)定性。保持左腿蹲成90°，在轉(zhuǎn)換的過程中保持原有姿態(tài)做到不起伏。