摘 要：本文通过介绍动作捕捉的原理和方法，总结了不同动作捕捉技术的特点并展开叙述动作捕捉技术在体育领域的应用现状，意在得出动作捕捉技术在体育领域的局限性以及体育运动的动作捕捉对现有的动作捕捉技术提出的新要求：第一，动作捕捉传感器小向型化发展，穿戴定位简单；第二，惯性动作捕捉在体育领域的应用将是主流手段；第三，动作捕捉数据采集频率快慢是体育动作捕捉精度的关键指标。
关键词：运动技术 动作捕捉 人体模型 体育运动
中图分类号：G80 文献标识码：A 文章编号：2095-2813（2017）09（c）-0210-02
先进的科学技术测量方法是体育运动研究的基础，体育运动研究方法的进步，促使了运动技术水平的不断提高，以满足体育人对优秀体育成绩的追求。因此体育运动科研方法必须由传统经验性的训练模式向程序化训练方法转变，由训练效果的定性分析向训练过程的精细化分析转变。
动作捕捉与虚拟仿真技术的发展和在体育领域的运用，使运动动作分析过程由连续平面静态图片分析转变成立体的动态分析，通过采集固定肌肉位置的运动学和动力学以及肌肉表面生理学数据信息，处理数据研判分析，找出运动规律和运动趋势，为体育运动提供科学系统的训练效果数据支持和训练方法改进的依据。
1 动作捕捉技术的发展
运动捕捉是通过传感器采集人体标定位置的三维空间中的运动轨迹，并将其转化为离散的运动数据，然后根据这些数据驱动人体模型运动广泛运用于军事模拟、动画制作、体育运动、康复医疗等领域[1]。动作捕捉领域大部分品牌都由国外生产厂商垄断，主要品牌如下：英国Animazoo公司的惯性动作捕捉系统，其产品特性为：陀螺仪速度快、重量轻对快速动作和细微动作都可捕捉，英国Oxford Metrics Limited公司的vicon光学动作捕捉系统，该系统由不同相机对同一个一个标记物得空间运动的图像采集并输入到计算机进行计算，得出反光球该时刻在空间的三维坐标，根据这些坐标进行相关性分析，可以得到标记位置的加位移、速度、位移以及动量和动能等物理量的变化。目前该系统的最高采样频率可达10000fps，是现在主流动作捕捉设备提供商[2]，瑞典公司研究的运动捕捉系统是世界上唯一同时支持主动式和被动式运动捕捉的光学式运动捕捉系统[3]，由于国外动作捕捉系统研发时间早，功能强大，能满足各种工况要求，所以价钱昂贵。国内的动作捕捉技术在最近十年中发展迅速，主要有：北京天远科技三维科技有限公司的天远系统，V.M.SENS公司的MoX Vis是一套灵活的、光学惯性融合动作捕捉系统解决方案，北京度量科技有限公司的MARS2，MARS2H，MARS4H，MARS8H等设备，国产设备相对于国外系统价钱便宜，接口对接灵活多样，输出格式种类多，在上下游软件和横向软件间匹配和兼容性好，但是在动作捕捉的实时性，精度和工作范围方面与国外系统还有一定的差距。
2 动作捕捉系统原理
动作捕捉系统原理就是在人体的骨性标志处标记上传感器，通过传感器测量处改标记点的运动学和动力学数据，传输到计算机，计算机接收数据，处理数据，输入人体模型驱动模型，工作流程如图1所示。
从捕捉的方式上来划分动作捕捉主要分为：机械式，声学式，光学式，电磁式等，不同方式的动作捕捉系统间的特点如下。
机械式动作捕捉：系统由角度传感器和刚性连杆机构组成，角度传感器嵌在可转动的关节中，可以測量关节转动角度的变化情况。装置工作时，根据角度传感器所采集的角度变化和位移传感器采集的刚性连杆的位移变化可以得出运动肢体标记处的空间坐标[3]。
电磁式和声学式原理相近，都是由标记位置的发生装置，触发电磁场或者超声波，接收器接受，通过在一定空域内接受不断变变化的磁场分布确定标记位置的空间坐标。声学式是通过接收器的接收时间差来确定位置和方向，电磁式分为有线和无线两种传输方式，电磁式无线传输和声学式在介质传输的过程中都会受到环境的干扰[4]。
光学式动作捕捉：光学式运动捕捉是目前主流的动作捕捉手段，分为主动和被动两种形式，主要区别是maker球的发光形式，被动式的光学动作捕捉的maker球反射外部光源，主动式的maker球由发光二极管发光。系统的红外摄像机通过监视和跟踪标定目标上的maker完成运动捕捉，常见的光学式运动捕捉大多基于计算机视觉原理。从理论上说，同一个maker球，能同时被两部或两部以上的相机采集到，就可以根据预设的相机参数，可以确定这一时刻该点在空间中的位置，当相机以高帧率连续拍摄时，从视频中就可以得到该点的运动轨迹；惯性式动作捕捉：惯性式动作捕捉系统由姿态传感器、信号发生器，接收器和数据处理软件组成，姿态传感器固定于受试者相应的部位，通过蓝无线传输方式将信号融合传送至数据处理系统，进行运动解算。其中姿态传感器集成了惯性传感器、重力传感器、磁感应计、加速度计、微陀螺仪等，以得到各部分肢体的姿态信息[5]。
动作捕捉系统通常由信号捕捉设备、数据传输设备和数据处理设备四部分组成[6]。
传感器一般固定在人体或者运动物体的特定部位，向动作捕捉系统提供运动物体运动的位置信息，一般会随着捕捉动作的细致程度确定标记点传感器的数目。信号捕捉设备主要负责捕捉物体相关信息的获取，所获取的信息会因动作捕捉系统类型的不同而有所差异。数据传输设备主要负责将数据从动作捕捉系统传输至PC机，目前采用的传输方式主要有USB技术和无线蓝牙技术等数据处理设备主要包括计算机硬件和软件，硬件主要指计算机等实体设备，软件包括 Motionbuilder、Maya、3DMax、opensim等，只有借助于相应的硬件和软件，才能将获取到的数据进行实时回放和重利用[7]。
不同原理的动作捕捉系统各有优缺点，一般可从以下几个方面进行性能评估：定位精度、采样频率、动作数据质量、快速捕捉能力、多目标捕捉能力、运动范围、环境约束、使用便捷性、适用性等，常见的动作捕捉系统特点归纳如下：光学式（主动和被动）定位精准，采样频率和数据质量高，能很好的进行快速动作捕捉，捕捉空间运动范围适中，多目标捕捉困难，在室外受强光干扰严重，适合室内小范围单人动作捕捉；惯性式：定位精度低，采样频率高，佩戴方便，连接简单，捕捉范围非常广，能实现多人动作捕捉，且标记点之间不存在遮挡和干扰现象，成本低廉。电磁式因为有线缆连接，大幅度的动作很难应用，容易受到外界电磁环境的影响。
3 动作捕捉技术在体育领域的应用
3.1 运动动作仿真
动作捕捉系统捕捉到的运动数据通过后期处理以后得到了骨性标志的运动学数据，其中包括标记点的（x、y、z）坐标、速度和加速度等，将此处理过的数据导入到预设的人体肌肉模型中，用数据驱动人体肌肉模型，对受试者的动作精确仿真，分析运动角度，人体重心分布，关节受力等生物力学信息，配合相应的肌肉模型可以在人体无外设硬件的情况下测量肌肉力量。
3.2 运动技术分析
通过动作捕捉教练员和远动员可以实时回放自己的动作，观看动作环节的轨迹，角度，同时可以把不同时间段的动作相互比较分析，纠正错误动作，优化动作。提高运动成绩，把训练模块化，数字化，建立运动数据库，对训练效果实时监控。
3.3 运动器械轨迹分析
在持有器械的体育运动中，如网球，高尔夫，羽毛球等，运动动作捕捉技术，同时捕捉器械的随挥轨迹和球的飞行轨迹。
4 结语
动作捕捉技术用于捕捉体育运动领域，首先要满足体育动作速率快，场地不确定，捕捉数据精准方面的现实问题，更重要的是系统设备进场安装，调试，定位佩戴，不能影响受试者正常的技术动作，从上文中分析得到：光学式（主动和被动）能满足于运动动作迅速的高精度动作捕捉，但是前期的安装夺目摄像头，捕捉范围和测试前的maker点的定位耗时费力，不适合长距离室外的运动捕捉。惯性式安装佩戴方便，校准快捷，无空间范围限制可同时进行多人动作捕捉，但是惯性动作捕捉原理本身基于单脚支撑和地面约束假设，系统无法进行双脚离地的运动定位解算，进行动作捕捉的时候要考虑是否雙脚离地。
参考文献
[1]罗逸苇.Vicon三维运动捕捉系统在人体运动分析中的应用[J].浙江工贸职业技术学院学报，2007（1）：40-43.
[2]付全，赵慧勤，吴壮志.运动捕捉技术在体育运动仿真中的应用[J].山西大同大学学报：自然科学版，2013（5）：81-84.
[3]A Survey of Computer Vision-Based Human Motion Capture.Computer Vision and Image Understanding[Z].2001（81）：231-268.
[4]A survey of advances in vision-based human motion capture and analysis. Computer Vision and Image Understanding[Z].2006（104）：90-126.
[5]李启雷，金文光，耿卫东.基于无线惯性传感器的人体动作捕获方法[J].浙江大学学报：工学版，2012（02）：280-285.
[6]李庚睿.基于运动捕捉对人体上肢运动规律的研究[D]. 西安工程大学，2015.
[7]戴欢.基于惯性动作捕捉的人体运动姿态研究[D].石家庄铁道大学，2011.