融合动作捕捉技术的排球教学模式探究

韩丽 刘祺

摘 要：近年来，动作捕捉技术发展迅速，已经广泛应用于影视制作、游戏仿真、机械控制及医疗领域，但其与教学活动的结合未见普遍研究。动作捕捉技术不仅可以实现动作的实时捕捉、运动仿真和动画，而且可以用于三维立体教学、动作分析与反馈，从而增强学生的学习兴趣，提高教学质量。文章将动作捕捉技术与传统体育教学相结合，通过建立教练员的动作姿态库，生成教学动画软件，实现动作的三维立体分析与讲解。最终采用实验对比分析进行验证，结果表明动作捕捉技术在体育排球教学中的引入，不仅丰富了教学内容，而且获得了更好的教学效果，具有极高的研究与应用价值。

关键词： 动作捕捉;运动轨迹;排球教学

中图分类号：G423           文献标志码：B           文章编号：1673-8454（2015）04-0077-04

一、引言

随着计算机图形学的发展和硬件设备的进步，虚拟现实技术（Virtual Reality）已经被人们所了解并且应用到各行各业中。因此，计算机特技应用到教学活动中，成为必不可少的手段，能够极大地提高教学质量。近年来，体育教学中主要应用的多媒体技术就是CAI，笔者在中国知网进行“多媒体技术与体育教学”关键词检索，结果发现约77551 多个研究成果及期刊论文，可见多媒体技术在体育教学中应用之广。多媒体技术主要是利用多媒体计算机，综合处理和控制多种媒体信息，具体应用在课件方面，以数字化为基础，对图片与文字、音频与视频、动画等多媒体信息进行采集、加工处理、存储和传递，并能使各种媒体信息之间建立起有机的逻辑联系，集成为一个具有良好交互性的系统技术，使得教学内容丰富多彩。但是在教学实施中还存在很多问题和弊端，其一就是技术动作的教学演示，有些高难度的技术动作是多媒体技术难以实现的，而且与标准动作比较，运用多媒体技术设计出来的动作存在一定不足;其二就是教学手段单一，灵活性很差，而体育教学灵活性很强，多媒体技术难以实现;其三就是多媒体技术无法实现学生自主学习，自主进行动作分析与反馈。

而动作捕捉技术能够检测、记录运动员的肢体在三维空间的运动轨迹，实时捕捉运动员的动作，并将其转化为数字化的“抽象运动”，减少人为误差，教学动作更加标准，涵盖信息量大，反馈直接形象。学生也可以对自己的技术动作进行分析与反馈，实现自主学习。因此，在体育教学过程中，如何运用动作捕捉技术与传统教学相结合，改变传统教学的弊端和问题，提高教学质量，具有极高的研究与应用价值。

二、动作捕捉在体育教学中应用的意义

1.动作捕捉相关概念

动作捕捉（Motion capture），也称为Motion Tracking（动作追踪）或简称Mocap。动作捕捉主要捕捉表演者的动作甚至表情，用这些动作或表情数据直接驱动动画、虚拟对象模型，制作出逼真的动画。[1]

动作捕捉技术的雏形是1915年动画大师Max Fleischer研制的一个将胶片内容打到透光台上的放映机，把拍摄出的动作影像作为动画描绘的底样，逐帧描绘出所需的动作。[2] 20世纪70年代，基于仪器的运动捕捉技术开始应用于动画领域，80年代，通过电脑实现的针对人体运动捕捉的研究开始出现，90年代，三维运动轨迹捕捉技术正式商业化。[3] 2011年拍摄的《星球崛起》运用了最新的动作捕捉技术，没有一只真实动物参与表演，达到了动作捕捉技术应用的新高峰。[2]

（1）动作捕捉技术

动作捕捉技术，就是在运动物体的主要部位设置关键点，借助计算机技术，采用测量、跟踪、计算等方法把运动物体身上关键点的动作捕捉下来，然后应用到已建好的三维模型中， 让三维模型做出和演员类似的动作。[4] 例如，在表演者的手、肘、肩、膝盖、脚面等关键部位贴上闪光球，称为“Marker”，在表演者做出发球动作的同时，用专门仪器捕捉Marker的运动轨迹，然后运用相关软件进行处理，处理后应用到排球运动员模型上，这样，模型就可以做出和表演者一模一样的发球动作。

（2）动作捕捉系统

动作捕捉技术从实时性来看，可分为实时捕捉系统和非实时捕捉系统两类;从应用的角度来看，可分为表情捕捉和身体动作捕捉两类;按人体动作捕捉需求的深浅来区分，可分为全身运动捕捉和细节运动捕捉两类。按原理来分，可分为机械式运动捕捉、声学式运动捕捉、电磁式运动捕捉和光学式运动捕捉四种。[3]

2.与常规体育教学对比

体育运动中有许多技术动作，不仅数量多、速度快，而且比较复杂，一些还具有瞬时性，这都给教学带来较大困难。一方面，教师因为天气、身体、心理等原因，不能将每个动作都标准地演示出来，技术动作的瞬时性也导致教师不能间断的进行示范，动作要领转瞬即逝，不利于学生掌握;另一方面，每个学生接受能力的不同，身体素质的不同，观察角度的不同，都会对动作重难点的领会产生影响。结果导致教师反复演示讲解，影响教学效果，学生只注重动作练习，缺乏主动思考能力。而动作捕捉技术辅助教学在信息获取和传递方面具有常规教学所无法比拟的优势。学生根据自身情况，可以针对性的学习动作技术，通过3D动画反馈教学，在不断对照中进步，大大提高了教学质量。

3.动作捕捉技术在体育教学中的优势分析

（1）突破技术动作重难点

动作捕捉技术的应用弥补了传统教学的不足，把复杂的动作进行分解，而且可以把动作进行多角度慢放，了解动作的每个细节，让学生感知动作时间、空间的特征。化抽象为具体，用动画或者图像把难以理解的内容显示出来，呈现给学生完美的视觉效果。通过镜头特写，充分调动视觉能力，建立正确完整的视觉表象，为技术动作难点的突破提供有利的条件。

（2）提高学生综合能力

动作捕捉技术的实质是一种视觉、空间刺激，有助于激发学生的学习兴趣，增强学习积极性、自觉性。教育心理学研究表明，学习动机中最现实、最活跃的因素是认识的兴趣，在兴趣高昂的状态下学习，知识掌握的迅速而牢固。采用动作捕捉技术把复杂动作分解、慢放，让学生自主学习，不仅可以提高学生的观察能力、分析能力、判断力，而且激发了学生的抽象思维，综合能力显著提高。

（3）提高教学效果

常规的体育教学，往往都是教师反复重复动作要领，指出易犯错误的原因，学生反复练习，实际的教学效果并不理想，学生易出现反感情绪。动作捕捉技术的应用打破常规的教学模式，先观看教学动画，充分调动学生的学习兴趣。给出正误两组动作，学生自主分析思考动作之间的差异，找出错误动作产生的原因，提升运动技能的理解能力，避免常见错误动作的发生，便于快速掌握动作重难点，提高教学效果。

三、动作捕捉技术在排球教学中的应用

动作捕捉技术应用在常规排球课程教学内容的基础上，过程如图1，首先进行动作设计，然后对运动员进行动作捕捉，建立教学动作数据库，对数据进行加工处理后，用3Dmax软件实现模型的转化，最后制作成动画应用在教学中。

1.动作的设计与采集

基本动作的训练主要是为了在实战中应用。学生经过反复训练，将规范动作变成一种本能反应，才能够在实战中迅速做出正确的选择，减少不必要失误的发生。针对排球中的发球、传球、扣球、拦网以及基本步法等基本动作进行设计，来满足排球教学的需求。

教练员穿上关键部位贴有Marker的单色服装，演示设计好的教学动作，如图2。采用多台近红外高感度专用摄像机也就是信号捕捉设备，对运动员身上的Marker进行跟踪和监视，记录下教练员的动作轨迹。

2.教学动作数据库的建立与数据分析

（1）数据库建立

采用光学式动作捕捉技术，对捕捉到的数据进行处理，还原为空间三维点，以此数据生成模型运动所需的动作数据，用该数据去驱动计算机动画模型。[5]然后利用偏移映像、运动拼接等运动编辑技术完成动作修改，最后将模型的动作与骨架图一起保存起来，建立教学动作数据库，如图3。

（2）数据分析

利用捕捉到的运动目标的标识点的空间三维运动轨迹坐标，分析运动目标的运动特征，如图4，计算出所需的相关运动参数，如发球时手臂的最佳角度、接球时手腕的角度等，便于学生对技术动作进行系统性分析。

教师也可以在Windows平台上打开三维坐标窗口，对捕捉到的三维数据，包括关节图、轨迹图、骨骼模型图的显示、再现，更加直观的展示出动作的要领。也可以对学生的动作进行捕捉，在平面坐标窗口中表示出坐标变化曲线、运动特征曲线等，与标准动作的运动曲线进行对比，例如发球动作中腕部关节点运动轨迹，如图5，找出关键节点的差异，有助于教师采用正误对比，及时纠正学生的错误动作，大大提高了教学质量。

3.数据编辑、格式转换导出

对捕捉的三维运动数据的任意标识点任意时刻在x、y、z方向上可进行灵活的手动编辑、修补，并提供完备的差值、滤波处理，使之更接近完美，使模型动作更具特色。另外，三维图形的同步显示更直观，生动的3D模型辅助显示能够更准确的把握修改结果。数据转换功能可以向3Dmax Studio、Maya、Motion Builder等3DGC软件提供通用格式的运动数据（CSM、BVH、TRC、FBX等）。

四、动作捕捉技术教学效果分析

为了全面准确地了解动作捕捉技术在排球教学中的作用，以及学生对这种教学的看法，笔者采用实验法和数理统计法进行分析。

1.实验法

首先，对辽宁师范大学2012级排球选修课的班级进行随机抽样，随意选出两个班级，随机分为实验班和对照班。实验前，对两个班学生对排球的兴趣、现有的技术水平和学习动机进行问卷调查。 结果表明：两组学生的排球兴趣、技术水平和学习动机没有显著差异（P>0.05）;对两班学生的力量、速度、耐力、柔韧以及灵敏度进行测试，对得出成绩进行分析，结果表明两班学生身体素质存在显著差异（P>0.05）;对两班学生进行理论测试，对得出成绩进行分析，结果表明两班学生理论成绩无显著差异（P>0.05）。[5] 因此，符合研究要求。

其次，进行实验安排，实验时间为2013年9月至2013年12月，教学时间为16学时。对照组采用传统教学方法，教师对动作进行讲解演示，指导学生练习，纠正错误动作，最后与实验班统一进行考试。实验组在课前先运用动作捕捉技术捕捉优秀运动员的发球、传球、拦网以及扣球等技术动作，然后用3Dmax软件把上述动作制作成教学动画。在上课时观看3D动画演示的标准教学动作，同时观看预先构建出来的可能出现的错误动作，从多角度进行对比观察，分析原因。然后进行实际练习，用摄像机拍摄学生练习的动作，回放视频与标准动作对比，教师给与指导，逐渐掌握动作要领，形成正确的动作定型。

最后，对两组学生进行考核，请两名教师对学生的四项技术进行独立打分，再平均得到各项的分值。

2.数理统计法

所需数据均用SPSS13.0统计软件包进行分析处理。通过对两组学生的理论和发球、传球、拦网以及扣球技术的掌握情况进行对比分析，数据见表1。

结果表明，两组学生的理论和发球、传球、拦网以及扣球成绩存在显著差异，这表明在排球教学中应用动作捕捉技术，对提高学生的技术水平、提高教学质量有很大帮助。

动作捕捉技术在排球教学中的应用，实现了与虚拟场景系统的实时交互，便于量化分析，对教学中出现的不足进行改进，摆脱纯粹依靠理论教学的状态，进入数字化时代，大大提高教学效果，可以预料动作捕捉技术将会在教学中得到越来越广泛的应用。

参考文献：

[1]金刚，李德华，周学泳.表演动画中的运动捕捉技术[J].中国图像图形学报，2000（3）：264-267.

[2]吴少军，胡燕红.动作捕捉技术发展新趋势及其对影视工业影响简论[J].群文天地，2012（2）：129-130.

[3]李明宇，赵亮，姜军.动作捕捉技术应用研究调查报告[J].科技信息，2011（36）：463.

[4]尹钊.动作捕捉在影视作品中的应用[J].影视制作，2010（11）：44-48.

[5]冯远淑，陈福民.基于动作捕捉的计算机动画探讨与实现[J].同济大学学报（自然科学版），2004（7）：956-960.

（编辑：鲁利瑞）