运动捕捉技术在体育运动中的应用综述

运动捕捉技术在体育运动中的应用综述

摘要：运动捕捉系统在体育训练中它可以帮助教练员从不同的视角观察和监控运动员的技术动作，并大量地获取某类技术动作的运动参数及生理生化指标等数据，并统计出其运动规律，为科学训练提供标准规范的技术指导。通过实时的运动捕捉技术对训练中出现的问题进行技术诊断与分析，并以视频和图象以及量化的数据等方式反馈给教练为教练员提供科学地准确地定量依据和量化的训练指标。使教练员研究和改进训练方法直至提出新的改进训练意见，使教练员能够有的放矢地纠正运动员的技术动作，从而大大提高训练效果，使体育训练摆脱纯粹的依靠经验的状态，进入科学化、数字化的时代。运动捕捉技术广泛的应用于，田径、高尔夫、曲棍球、举重、铁饼、赛艇等项目。

1.前言

随着雅典奥运会的闭幕，2008中国奥运会进入到计时阶段，“科技奥运”工程也已经从先期的规划准备阶段进入到提速期。众所周知科学技术是第一生产力，举办现代奥运离不开科技，体育运动全面渗透着科学技术，体育事业离不开科技的强有力支撑。现代奥运会已不再纯粹是比哪个国家的运动员跑得更快、跳得更高、举得更重，在运动员与运动员较量的背后，是国家与国家科技发展与人心凝聚的综合大比拼。奥运会上的各项纪录，不仅仅是人类突破生理极限的体现，也是科技创新在体育中的集中展现，随着IT技术在体育运动中的广泛运用，人类正在向运动及身体的极限发起挑战。现代竞技体育的发展也愈来愈借重生物技术和IT手段，以期最大限度地开发出人体心理和生理的

极限潜能。

许多人认为，多种体育运动项目已经达到了人类体能的极限，已不大可能再创造新的纪录。不过，在运动捕捉技术的帮助下，奥运会上不时被打破的纪录还是会让你我感到惊诧。当你一帧一帧地在电脑前观看运动图像时，也许你会发现，运动员手臂的摆动并不正确，而这点儿细微的发现可能正是教练员们急需了解的信息——通过矫正姿势，运动员的速度有可能就此提高几秒，而运动员的成绩则有可能大幅提升。似乎，这应该是科幻电影里的某个情节。实际上，这只是体育运动领域常用的一种实时运动捕捉参数跟踪系统。只要在运动员的鞋中安装一个遥测传感器，你就可以观察运动员的每一个动作，甚至还可以测出运动员每迈出一步肌肉所承受的压力。

2.运动捕捉技术概述

2.1运动捕捉概念

运动捕捉系统是一种用于准确测量运动物体在三维空间运动状况的高技术设备。它基于计算机图形学原理，通过排布在空间中的数个视频捕捉设备将运动物体（跟踪器）的运动状况以图象的形式记录下来，然后使用计算机对该图象数据进行处理，得到不同时间计量单位上不同物体（跟踪器）的空间坐标（X，Y，Z）。该技术在众多的领域中都有十分广泛的应用。在体育训练中它可以帮助教练员从不同的视角观察运动员的动作，并且将位置、速度、加速度等数据进行量化处理，使教练员能够有的放矢地纠正运动员的技术动作，从而大大提高训练效果，还可以监控整

个运动训练和比赛过程，辅助裁判决策判断。

2.2运动捕捉的原理

从技术的角度来说，运动捕捉的实质就是要测量、跟踪、记录物体在三维空间中的运动轨迹。典型的运动捕捉设备

一般由以下几个部分组成（见图1）：

2.2.1传感器。所谓传感器是固定在运动物体特定部位的跟踪装置，它将向系统提供运动物体运动的位置信息，一般

会随着捕捉的细致程度确定跟踪器的数目。

2.2.2信号捕捉设备。负责捕捉、识别传感器的信号。负责将运动数据从信号捕捉设备快速准确地传送到计算机系统。这种设备会因系统的类型不同而有所区别，它们负责位置信号的捕捉。对于机械系统来说是一块捕捉电信号的线路

板，对于光学系统则是高分辨率红外摄像机。

2.2.3数据传输设备。特别是需要实时效果的系统需要将大量的运动数据从信号捕捉设备快速准确地传输到计算机系

统进行处理，而数据传输设备就是用来完成此项工作的。

2.2.4数据处理设备。经过系统捕捉到的数据需要修正、处理后还要有三维模型向结合才能完成计算机动画制作的工作，这就需要我们应用数据处理软件或硬件来完成此项工作。软件也好硬件也罢它们都是借助计算机对数据高速的运算能力来完成数据的处理，使三维模型真正、自然地运动起来。所以它是负责处理系统捕捉到的原始信号，计算传感器的运动轨迹，对数据进行修正、处理，并与三维角色模型相结合。

运动捕捉原理示意图（图1）

2.3运动捕捉的分类及特点

到目前为止，常用的运动捕捉技术从原理上说可分为机械式、声学式、电磁式和光学式。同时，不依赖于专用传感器，而直接识别人体特征的运动捕捉技术也走向应用。不同原理的设备各有其优缺点，一般可从以下几个方面进行评价：定位精度；实时性；使用方便程度；可捕捉运动范围大小；成本；抗干扰性；多目标捕捉能力。

2.3.1机械式运动捕捉

机械式运动捕捉依靠机械装置来跟踪和测量运动轨迹。典型的系统由多个关节和刚性连杆组成，在可转动的关节中

装有角度传感器，可以测得关节转动角度的变化情况。角度传感器测量并记录关节的转动角度，依据这些角度和模型的机械尺寸，可计算出模型的姿态，并将这些姿态数据传给动画软件，使其中的角色模型也做出一样的姿态。机械式运动捕捉优点是成本低，精度也较高，可以做到实时测量，还可容许多个角色同时表演。但其缺点也非常明显，主要是使用起来非常不方便，机械结构对表演者的动作阻碍和限制很大。

2.3.2声学式运动捕捉

常用的声学式运动捕捉装置由发送器、接收器和处理单元组成。发送器是一个固定的超声波发生器，接收器一般由呈三角形排列的三个超声探头组成。通过测量声波从发送器到接收器的时间或者相位差，系统可以计算并确定接收器的位置和方向。这类装置成本较低，但对运动的捕捉有较大延迟和滞后，实时性较差，精度一般不很高，声源和接收器间不能有大的遮挡物体，受噪声和多次反射等干扰较大。由于空气中声波的速度与气压、湿度、温度有关，

所以还必须在算法中做出相应的补偿。

2.3.3电磁式运动捕捉

电磁式运动捕捉系统是目前比较常用的运动捕捉设备。一般由发射源、接收传感器和数据处理单元组成。发射源在空间产生按一定时空规律分布的电磁场；接收传感器（通常有10～20个）安置在表演者身体的关键位置，随着表演者的动作在电磁场中运动,通过电缆或无线方式与数据处理单元相连。（图2）电磁式运动捕捉的优点首先在于它记录的是六维信息，即不仅能得到空间位置，还能得到方向信息，这一点对某些特殊的应用场合很有价值。其次是速度快，实时性好，表演者表演时，动画系统中的角色模型可以同时反应，便于排演、调整和修改。装置的定标比较简单，技术较成熟，鲁棒性好，成本相对低廉。它的缺点在于对环境要求严格，在表演场地附近不能有金属物品，

否则会造成电磁场畸变，影响精度。

2.3.4光学式运动捕捉

光学式运动捕捉通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。目前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，对于空间中的一个点，只要它能同时为两部相机所见，则根据同一时刻两部相机所拍摄的图像和相机参数，可以确定这一时刻该点在空间中的位置。当相机以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列