赵 明

（陕西交通职业技术学院,西安,710018）

随着国家对素质教育的要求，越来越多的高校开始采用信息技术实现对体育教学的辅助教学，同时借助仿真系统的开发，来提升学生对体育专业技术的学习。但是，上述仿真软件系统，在很大程度上都都比较复杂，而且开发的成本也通常比较高。本文针对上述体育教学系统存在的缺点，提出一种低成本的以运动捕捉技术为基础的体育训练系统，并以高尔夫运动为例，对其进行了探讨。

1 基于Kinect的运动捕捉

图1 Kinect外观

现阶段市场上比较流行的运动捕捉系统主要包括声学运动捕捉、光学运动捕捉和电磁式运动捕捉。每种不同的运动捕捉方式都具备其自身的特点和优势。但是，从对运动捕捉的灵敏度来讲，光学捕捉要远远高于声学和电磁式的捕捉。因此，在本文的设计中，采用由美国微软公司设计的Kinect。该硬件最初是被应用在X360的游戏机上，通过将其安装在普通的PC电脑上，通过手势即可实现对计算机的控制。其具体的外观则如图1所示。

该硬件其工作的原理是通过红外发射器向整体的空间中连续的发出红外线，并给空间实现编码，从而通过最为普通的CMOS芯片即可实现对其进行读取，以此得到其产生的空间的距离。而基于人体的捕捉则是首先将人体的图像从深度图当中分离出来，并通过对像素的评估识别，与存在系统内的人体模型进行匹配，从而得出符合该身高和骨骼类型的模型，最后通过骨骼组成的虚拟角色，对动作进行触发。而人体运动关节信息的获取则是通过OpenNI软件进行驱动，因此，在实际的运用过程中，通常安装该驱动软件，实现对人体不同部位信息的获取。

在对上述的人体关节的运动信息的获取之后，还必须运用Cal3D软件实现对骨骼运动的渲染，也就是有了不同的关节之后，还必须实现对骨骼运动的3D运动画面。而对渲染软件的应用非常多，本文采用 Cal3D软件，其主要是因为该软件在针对混合动作的渲染中更具有协调性和逼真性。

2 对遮挡关节点的修复算法

在采用Kinect作为数据采集的过程当中，Kinect通常会采集到17个不同的关节点。但是，采集过程中，因为人体运动速度的加快，会出现因为人体运动而将某些关节的图像进行遮挡的问题。如在篮球比赛中，有包括空中旋转投球等，使得某个关键不能被Kinect照射到，从而出现图像的空白。因此，针对这种情况需要对采集到的图像进行一定的修复，从而更好的为后续的训练比较进行分析。

为更好的计算出其遮挡的关节，采用的思路为首先对借鉴邓小圆的研究经验，将人体模型分为15个不同的关节模型，并通过正面在Kinect的摄像（见图2），计算出在正常情况下不同关节的距离。

图2 正常情况下的而难题正常关节模型

将该图像放到三维空间当中，则有空间中任意两点之间的距离，表达式为：

而人体的骨骼模型在开始运动的过程中，其不同关的长度是不变的，关节旋转角度为α，由此使得其前一帧和后一帧在三维空间中的距离，两者有着本质的区别。在有其骨骼的长度不会变化，同时假设其旋转前在三维坐标中为a点，旋转后为b点，因此，则有：

通过上述公式可得到关节的移动是是在以某点作为其圆心，并围绕该圆心从而得到其不同的直线的斜率，并通过斜率求出其不同的人体关节运动变化的点，从而通过该方法可防止在运动的过程中出现任何的遮挡的问题，从而使得画面出现黑点，以此不利于仿真动画的模拟。

3 辅助教学系统构建

3.1 系统设计目标

体育教学系统的目的就是做好对学生教学动作的纠正。而本文结合体育教学的实际，对该系统的应用只适合于高校内部比较专业的训练，如篮球运动员、高尔夫项目课程等。因此，结合上述的系统设计的使用人群，将系统的使用角色分为运动员、教师、管理员三个不同的部分。同时期设计的目标包括以下几方面：

第一，实现对基础运动数据的采集，为后续的分析处理提供基本的数据；

第二，构建系统原始的人体模型数据库，为运动员的动作分析比对提供标准的动作数据信息；

第三，简洁、明了的操作界面，从而方便用户对该软件的应用；

第四，稳定的系统捕捉，为系统用户的使用者提供可靠的软、硬件保障。

3.2 系统功能设计

结合系统的使用群体，将系统的分为以下几个部分，其具体的示意图如下图所示。

其中对运动数据的采集主要包括运动员基础关节运动信息的采集和高水平的训练者的标准数据。通过采集构建运动员标准比对的基础数据库。而采集其基础的数据其目的是为后续的必须奠定基础。

数据处理则是通过上述的关节遮挡修复算法，实现对被遮挡关节的画面的修复，从而使得其在后续的虚拟动画中体现完整的动画。

而数据的分析则是将捕捉到的运动员运动的信息和高水平的运动馆的运动数据进行比较，从而得出其分析比较的结果，如篮球运动员在转体投篮的时候，其手臂的力度大概为多大，使得其进球的效率最高。而其中运动员的运动的动作则通过Cal3D文件，对其骨骼模型的驱动，实现人体运动的再造。

4 系统开发环境

对该系统的开发主要分为硬件和软件两部分。其中硬件部分除一台微软的XBOX360 Kinect，同时还包括PC电脑。其中Kinect负责数据的采集，而PC负责对数据的处理。

系统的软件部分的设计包括运动捕捉、数据分析、动作显示等。其中动作的捕捉包括对数据的采集和运动信息的比对赋予不同的人体模型，同时对其中的遮挡问题进行修复。再通过Cal3D对人体模型的驱动，实现人体运动画面的实现。而在该系统中还包含了基础数据库的建设。而Kinect的采集的采用中间插件驱动，通过软件的驱动实现对人体关节部位的驱动访问。同时，为更好的实现本系统画面的真实性，采用OSG软件对其进行渲染，该软件属于开源性的软件，可实现跨平台的开发，更好的体现其渲染的效果。而整体的开发则利用visual studio 2010 平台进行搭建。

通过上述的构建，得到不同高尔夫运动员比较的结果。其具体如图3所示。

图3 系统实现的对比结果

以高尔夫的训练为例，通过对运动员的比较，说明运动员在上杆到最高点的时候，其手关节多举的高度还是不够。因此，运动员在下次进行挥杆的时候，训练者的上扦及收忏时手的最高点提高约300mm。

总之，信息化时代下通过采用运动捕捉技术的体育教学系统仅仅是对现代教学改革的尝试，通过该系统，可实现对学校比较专业的运动员的训练，从而无论在竞技水平，还是在整体的专业水准上与可更好的凸显出其优势。同时该系统在设计上具有成本低和设计开发难度低的特点，并可用在高校的篮球、高尔夫教学当中，具有很强的实用性。