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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，从图像序列中就可以得到该点的运动轨迹。（图2）光学式运动捕捉的优点是表演者活动范围大，无电缆、机械装置的限制，表演者可以自由地表演，使用很方便。其采样速率较高，可以满足多数高速运动测量的需要。Marker的价格便宜，便于扩充。这种方法的缺点是系统价格昂贵，虽然它可以捕捉实时运动，但后处理（包括Marker的识别、跟踪、空间坐标的计算）的工作量较大，对于表演场地的光照、反射情况有一定的要求，装置定标也较为烦琐。特别是当运动复杂时，不同部位的Marker有可能发生混淆、遮挡，产生错误结果，这时需要人工干预后处理过程。
各种运动捕捉示意图（图2）
3.运动捕捉系统在现代体育中的作用
运动捕捉技术可以捕捉运动员的动作，便于进行量化分析，结合人体生理学、物理学原理，研究改进的方法，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。还可以把成绩差的运动员的动作捕捉下来，将其与优秀运动员的动作进行对比分析，从而帮助其训练。为科学地训练提供准确的定量依据和量化的训练指标，是提高运动水平和成绩，实现体育科研的科学依据。进行统计性的研究工作，大量地获取某类技术动作的测量数据，并统计出其运动规律，为科学训练提供标准规范的指导。在解决问题的过程中，对训练中出现的效果问题应进行反馈式的分析和研究，直至找出原因，提出新的改进训练的意见。
3.1运动数据的捕捉
传感器不仅包括能感知物体运动的设备还可对许多变量进行精确的测量它不仅能捕捉运动位置、速度、加速度、反应时间、距离、力、力矩、爆发力、屈曲－伸展、内收－外展、旋转和用户定义的角度，它最大优点是能够捕捉到人类（包括训练器械）运动的真实数据，通常这些传感器或发射器都非常不显眼，很适于佩带到身上，有些甚至还能向塔式天线发送信息，然后再由这些天线进行转播或广播。由于生成的运动基本上是主体人或器械运动的“复制品”，因而效果非常逼真，且能保证训练的科学性。数据而且还能够进行三维坐标的计算，利用这种能力，你可以创建一种动态数据模型，计算机通过对这种模型的处理，可以测量速度、加速度或碰撞影响等特征。
3.2生理生化指标的捕获
运动捕捉系统通过传感器不仅能够捕获运动位置、反应时间、空间位置等运动数据，实际上它还能捕捉生理生化以及运动心理等指标如肌电图（EMG）、心率、脉搏等指标、体育比赛和一般的模拟或数字数据为同步动画制作或外部设备控制输出实时数据当与肌电图系统和测力台配合使用时，实际上可测到任何物理和生理参数。利用软件工具，还可以对这种信息进行处理，用于统计，也可帮助教练下达指令。
例如：心率监测器一般是一种无线发射器，可以用一根有弹性的带子舒服地捆在胸部。这种发射器可充当心电图仪，测量运动员的心率，并能将信号发射给一个佩带在腕部的小型显示器上，因此在竞走、自行车、滑冰、划船等匀速运动项目中很有帮助。大多数心率监测器还能防水，因此亦可用于游泳。
3.3运动监控
通过运动捕捉系统可以有效的监控运动训练以及比赛甚至是对手的情况，因为在现代奥林匹克运动比赛或者高水平的比赛中，人的体能和运动技术往往发挥到了极限，所以对于一些高，新，难的技术动作，光凭人的肉眼和经验已经很难分辨！只有靠运动捕捉系统等学科技术才能更好的获取并研究其动作过程中的数据，探究其运动技术及原理，找出正确的训练方法。对于测量分析的结果，应根据具体情况，有针对性地用于运动训练中，精确实时地计测日常训练的基本运动特征数据轨迹及关节角度、回转角度、速度、加速度，通过分析数据找出差别，修正不良习惯，提高训练水平，同时设计出一些有效的训练动作，应用一些有效的辅助训练手段，以改正不合理的技术动作，不断总结和提高以促进运动成绩的提高。例如：耐克公司推出的微型心率监测器名为hrm[triax 100]，一旦运动员的心率超过或低于预定范围，它就会向运动员发出嘟嘟的告警声，提醒运动员减速或加速。
3.4技术诊断与分析
运动技术诊断和分析是运动捕捉的主要用途， 随着运动捕捉技术的改善，能够捕捉到更准确、更干净的运动数据，那些捕捉到3D的数据被广泛的用于改善运动员的动作，以及连续成绩分析和技术分析以及即时技术反馈纠正。这些系统已在体育运动领域占有一席之地，通过运动遥感技术，可对多个运动员的多项成绩进行跟踪，无须接线便可将运动员的信息传输给计算机。（数据传输的方式也不尽相同。关键信息可通过微波以无线方式连续传输，而其他非关键数据则可以突发模式传输），并广泛的用于像高尔夫、网球、体操或游泳等项目。
3.5辅助裁判决断
在比赛中，由于人眼观察、人脑反应的速度跟不上运动本身的速度，因而大多数裁判员多多少少都会犯错误。因此，运动捕捉技术在许多场合承担了裁判员之职。在板球比赛和网球比赛中便可看到这样的传感器。
例如，在温布尔登网球公开赛中，经常用传感器来分析球是否出界。做法是，在球场四周覆盖一条窄窄的带电铜传感器带，然后在上面再覆盖一层导电聚合物。这些传感器嵌入球场的三个区域：边界内5厘米处、边界上面和边界外35厘米处。使用的网球中也有导电物质。这样，只要网球击中球场，传感器就会把数据传输给电脑，电脑会计算出网球的确切位置。这些数据会传给裁判，同时也会传输到电视屏幕上。
3.6运动康复
针对运动中发生的伤病情况，通过分析获取相应的运动数据，指导运动员进行正确的特定部位的康复训练，缩短康复时间。
3.7体育科研
进行统计性的研究工作，大量地获取技术动作的测量数据，并统计出其运动规律，为科学训练提供标准规范的指导。在解决问题的过程中，对训练中出现的效果问题应进行反馈式的分析和研究，直至找出原因，提出新的改进训练的意见 。
3.8图像反馈技术
运动捕捉技术对体育运动产生的影响也显而易见，画面辅助和计算机图像处理技术极大地提高了体育运动的可视性。通过运动捕捉系统可以对技术动作做量化分析，并以图形方式展示分析结果。包括位移、速度、力等。在此基础上，可以对“理想”动作与运动员技术动作做深层次的分析，并给出运动员改进技术动作的指导性意见。
例如，在中国奥运冠军刘翔的背后有一支科研队伍，科研小组的主要任务是拍摄刘翔日常训练和参加比赛的图像，并将分析结果和改进训练的建议反馈给教练。他们使用的这套图像分析软件，是以3万元的价格专门从国外进口的。科研人员对拍摄的图像进行一些数字化处理，得出刘翔跨越栏架的时间，教练员通过这些对刘翔的数据进行分析，可以跟约翰逊的数据进行比较，这样为他的奥运夺冠奠定了科学的基础。在平时训练中发现19岁的史冬鹏成绩一直更不上20岁的刘翔，于是科研团队就通过图象分析软件找出他们细小的动作差别。
3.9虚拟现实训练
运动捕捉设备能够进行三维空间的捕捉和对三维坐标的计算，利用这种能力，我们可以创建一种动态数据模型建立三维虚拟仿真现实技术，来提高运动成绩。如今，由计算机生成的虚拟三维空间正迅速地走进各种运动项目中。利用虚拟现实技术，使用者可以置身与现实世界完全类似的模拟环境中进行训练。以三维方式逼真模拟技术动作通过形象化的方式让运动员更容易、更快速地掌握技术动作要领，从而大幅度地提高运动员整体运动技能水平。这项技术不仅可以用于日常训练，而且还可以用于(国际)裁判培训。
目前，足球等赛事的计算机模拟已相当普遍。在美国，滑雪队就有虚拟课程训练。在模拟环境中，运动员可以高速翻转却不会受伤，而且还可以获得实地比赛的经验和操作设备的技巧。
4.运动捕捉技术在现代体育中的典型应用系统介绍
4.1东方新锐 (GTRS-1)高尔夫运动辅助分析系统
图像解析式高尔夫球辅助训练系统(GTRS-1)是通过一台相机捕捉图像，通过对图像进行手动加点处理计算出选手特定关节点在某一时刻的速度、加速度、角度、角速度。然后通过与模版数据的比较加以纠正，提高高尔夫球选手的水平。通过画辅助基准线的形式，可以直观看到选手在运动过程中身体的位姿变化 该系统主要使用于室内球场、室外球场、高尔夫专卖店以及对应的体育院校等。
高尔夫运动辅助分析系统
4.2曲棍球运动捕捉动作分析系统
通过运动捕捉系统利用高分辨率的静态图像和 HD 视频流，从而能够为教练员和运动员以及科研人员展示平常很难用肉眼和经验看见的曲棍球运动的动作。使的他们能够更清晰看到动作的图像，传统的用肉眼和经验观察只能看到一个角度的动作状况。如果用更多摄像机追踪某个球员那么就可以多视角的展示运动员的技术动作。
曲棍球运动员利用运动捕捉系统进行辅助训练
4.3田径实时运动捕捉视频分析系统
在中国奥运冠军刘翔的背后有一支科研队伍，他们以一套3万元的价格专门从国外进口了2套视频图像分析软件，科研小组的主要任务是拍摄刘翔日常训练和参加比赛的视频以及图像，同时也拍摄了世界上最优秀的110M栏运动员约翰逊的比赛录象将他们田径赛上不同的画面进行同步化处理，找出每幅画面在相对位置上的差别及助跑和步伐的差别，科研人员对拍摄的图像进行一些数字化处理，得出刘翔跨越栏架的时间，并将分析结果和改进训练的建议反馈给教练，教练员通过这些对刘翔的数据进行分析，可以跟约翰逊的数据进行比较，以分析对手的情况，提高自己的水平。这样为他的奥运夺冠奠定了科学的基础。
4.4举重
在举重过程中，绝对力量当然十分重要，但是在现代举重训练中那些所谓的举重追踪装置也十分重要。这些装置由数据线、传感器以及录像机等组成，可以记录下运动员举重的全部过程。运动员在计算机屏幕前，回放自己的举重录像时，相关的图表和图片可以让他清楚地知道：自己双脚受力部位在哪里，自己瞬间的爆发力有多少，举重过程中是否保持了杠铃和地面平行，以及一些其他的资料。
中国女子举重队测试数据
4.5铁饼
据报道，德国莱比锡应用训练科学研究所在悉尼奥运会开幕前，将诸如前世界冠军拉斯•里德尔、世界纪录保持者尤根•舒尔特在掷铁饼时身体转动的姿态、步伐和投掷的角度拍摄下来。然后在实验室进行分析，并借助其多年用电脑积累的数据，来确定掷铁饼处于最佳状态时，人的力量是如何完全集中到一个方向的，以及一个优秀运动员在铁饼出手时的最佳角度。科研人员自称像熟悉指纹一样了解每一个运动员，只需瞅一眼电脑屏幕上的铁饼飞行轨迹的数据，就知道是哪一个运动员掷出的铁饼。
4.6 赛艇
德国埃森奥运训练基地在训练赛艇运动员时使用了运动捕捉系统，以往在训练中，如船桨入水角度稍偏、运动员身体重心稍低时，即使很有经验的教练也难以发现，而高技术辅助手段就可帮助人们发现它。录像、桨上的传感器、船底部的速度表以及记录运动员心脏负担的微型心电图仪，可以毫无遗漏地以图解方式提供必要的数据，帮助教练员从中发现技术或身体状态的任何缺陷。
4.7拳击
奥林匹克拳击手D•杰克逊的拳击力是用一只装有仪器的吊袋来测量的。在外人看来，这种袋子与通常的拳击袋完全一样。美国奥委会的工程师们在袋内沿长度方向埋了一根P.C管子，管子内装有称为加速度测量仪的测量装置。该装置将袋子受到的直拳或钩拳的连续击打转换成图形，并显示在计算机屏幕上。当拳击手击打改装后的拳击袋时，显示屏便出现每次击打的号数和图形。它们相互协调，并重迭出现；这就使教练员能科学地评点选手们的拳击效率，包括方位、手臂的运动以及姿态等。
5.结论
本文详尽的阐述了运动捕捉系统的概念以及分类和特点，并详细的介绍了运动捕捉系统在体育运动中的作用以及在体育各项目中的典型的应用。随着2008奥运的临近和“科技奥运”不断的实施，相信运动捕捉系统更广泛的在体育运动的各个领域中得到应用，更好的我国奥运健儿服务！
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