（体育教育训练学专业论文）计算机技术在艺术体操项目中辅助作用的应用研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st l i e s i s 中文摘要 在当今体育领域中，计算机技术的应用已经形成了一定的深度和广度，而在艺 术体操项目中的研究才刚刚起步。由于艺术体操项目的成绩取决于各种因素，是多 元因素综合效应的结果，同时，我国艺术体操在选材和成套动作编排上也都面临严 峻的考验，所以我国艺术体操欲想在世界上保持和发展现有的竞技体育优势，在 2 0 0 8 年奥运会实现奖牌零的突破，就必须加大体育科研的力度，依靠科技手段加 快我国艺术体操全方位的发展。 本文针对我国艺术体操项目中存在的问题，采用文献资料法、录像分析法、统 计分析法，合作研究利用计算机虚拟人技术开发艺术体操选材及动作编排系统，在 艺术体操与计算机结合的方法上进行了新的探索。 研究表明，计算机辅助艺术体操选材系统的开发研究，突破了传统的经验性选 材，提供中国艺术体操运动员所特有的科学选材模式和方法，该模式不仅仅局限于 外部形态和专项身体素质指标，更重要的它是一个具有综合能力的科学选材。只需 掌握运动员的各项形态指标，就能得出运动员的三维人体模型，还可以通过计算机 进行远程选材评价，从而简化初中级选材流程、节约选材成本，提高了选材成功率， 并为运动员成套动作编排奠定了基础。而成套动作编排系统的研发，为教练员在动 作选择，队形编辑，器械交换、成套动作设计方面提供了计算机技术辅助。使得整 个编排过程具有可视化和可编辑性，而且还可以拓展教练员的编排思路及编排空 间，缩短编排周期，提高编排动作的质量。 在软件试用阶段，得到了艺术体操界专家和教练员的认可，但针对软件的需求 和自身的不足，还需要进一步的完善。不但需要对软件的基本操作进行修善，使其 更加简单易操作；还需要让编排的动作演示效果更加流畅，同时能加入音乐元素。 最后让开发成功的系统软件不但能为艺术体操项目服务，还能应用到与艺术体操有 难美项群共性的其他项目中。 关键词：艺术体操计算机辅助选材编排 a b s t r a c t i nt h ed o m a i no fc u r r e n ts p o r t s ，t h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g yh a sa l r e a d y c o m eu pt oc e r t a i nd e p t ha n de x t e n t b u tt h er e s e a r c hi nt h er h y t h m i cg y m n a s t i c sp r o j c c t h a sj u s ts t a r t e d b e c a u s et h ea c h i e v e m e n to fr h y t h m i cg y m n a s t i c sp r o j e c td e p e n d so nt h e v a r i o u sf a c t o r s ，i ti st h er e s u l tf o rt h ec o m p r e h e n s i v ee f f e c to fp l u r a lf a c t o r s a tp r e s e n t ， 0 1 1 1 c o u n t r yr h y t h m i cg y m n a s t i c sf a c e st h es e v e r et e s tb o t hi nt h es e l e c t i o no fs u i t a b l e m a t e r i a l sa n di nt h ee d i t i n ga n d r e h e a r s i n go ft h ec o m p l e t es e t so fm o v e m e n t s oi ft h e r h y t l m f i cg y m n a s t i c so fo u rc o u n t r yw a n tt ok e e pa n dd e v e l o pt h ee x i s t i n ga t h l e t i c s s p o r t sa d v a n t a g ei nt h ew o r l da n db r e a kaz e r 0r e c o r di nm e d a li n2 0 0 8o l y m p i cg a m e s w es h o u l d s t r e n g t h e n t h er e s e a r c he f f o r t so f s p o r t ss c i e n c e ，a c c e l e r a t e t h e o m n i - d i r e c t i o n a ld e v e l o p m e n to fo a rc o u n t r yr h y t h m i cg y m n a s t i c sr e l y i n go ns c i e n t i f i c a n dt e c h n o l o g i c a l t ot h ep r o b l e m sh a v i n ge x i s t e di nt h er h y t h m i cg y m n a s t i c sp r o j e c to fo a rc o u n t r y , t h et e x ta d o p t st h ea p p r o a c h e so fd o c u m e n t sa n dm a t e r i a l s ，v i d e oa n a l y s i s ，s t a t i s t i c s a n a l y s i s a n ds t u d yc o m p r e h e n s i v e l ya n du t i l i z et h ef i c t i t i o u sp e o p l e 。st e c h n o l o g yo ft h e c o m p u t e rt od e v e l o pt h es y s t e mo fs e l e c t i n gs u i t a b l em a t e r i a l sa n de d i t i n gc o m p o s i n gf o r r h y t h m i cg y m n a s t i c s ，c a r r yo nn e we x p l o r a t i o no nt h em e t h o do fc o m b i n i n gr h y t h m i c g y m n a s t i c sw i t hc o m p u t e r s t u d i e sh a v ei n d i c a t e dt h a tt h ed e v e l o p i n ga n dr e s e a r c ho fs y s t e m , t h a tc o m p u t e r a s s i s t sr h y t h m i cg y m n a s t i c st os e l e c ts u i t a b l em a t e r i a l s ，b r e a kt h r o u g ht r a d i t i o n a l e x p e r i e n c e ，o f f e rt h ep e c u l i a rm o d ea n dm e t h o do fs c i e n t i f i c a l l ys e l e c t i n gm a t e r i a l sf o ra c h i n e s er h y t h m i cg y m n a s t t h i sm o d ei sn o tm e r e l yc o n f i n e dt ot h ee x t e r n a ls h a p ea n d s p e c i a lb o d yc o n s t i t u t i o ni n d e x i ti sm o r ei m p o r t a n tt h a ti ti sas c i e n t i f i cs e l e c t i o nw i t h c o m p r e h e n s i v ec a p a b i l i t y o n l yn e e dt og e ta t h l e t e s e v e r ys h a p ei n d e x ，w ec a no b t a i n a t h l e t e s t h r e e - d i m e n s i o n a ld u m m y , c a na l s oc a r r yo nt h el o n g - r a n g ea p p r a i s i n go f s e l e c t i n gs u i t a b l e m a t e r i a l s t h r o u g hc o m p u t e r a n ds i m p l i f y t h ef i r s tt i m ea n d i n t e r m e d i a t ep r o c e d u r eo fs e l e c t i n gs u i t a b l em a t e r i a l s ，s a v et h ec o s to fs e l e c t i n gs u i t a b l e m a t e r i a l s ，i m p r o v et h es u c c e s sr a t eo fs e l e c t i n gs u i t a b l em a t e r i a l s ，a n de s t a b l i s ht h e f o a n d a t i o nt h a tw ee d i ta n dr e h e a r s eas e r i e so fa t h l e t e sm o v e m e n t s a n dt h er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to fas e r i e so fa t h l e t e sm o v e m e n t ss y s t e mo f f e rc o m p u t e r - a i d t e c h n o l o g yi nc h o o s i n gm o v e m e n t s ，e d i t i n ga l i g n m e n tf i g u r e ，a p p a r a t u se x c h a n g i n g ， i n t e g r a t i v em o v e m e n td e s i g n i n gr e s p e c tf o rt h ec o a c h t h a ts y s t e mm a k e st h ee d i t i n ga n d r e h e a r s i n gp r o c e s so ft h ec o l l e c t i v ep r o j e c to fr h y t h m i cg y m n a s t i c st ob ev i s u a la n dc a n b ee d i t e d a n da l s oc a ne x p a n dt h et h o u g h to fe d i t i n ga n dc o a c h ss p a c ea n ds h o r t e n i i c y c l eo fe d i t i n ga n dr e h e a r s i n g ，i m p r o v et h eq u a l i t yo fe d i t i n ga n dr e h e a r s i n g m o v e m e n t s i n 也ep r o b a t i o n a r ys t a g eo f t h es o f t w a r e ，i ti l a sg o tt h e a p p r o v a lo fe x p e ra n dc o a c h o f r h y t h m i cg y m n a s t i c s b u tt ot h ed e m a n df o rt h es o f t w a r ea n dt h eo n e 。so w n d e f i c i e n c y ， n e e df l m e rp e r f e c ti t n o to n l yn e e dt op e r f e c tt h eb a s i c o p e r a t i o no f t h es o f t w a r e m a k e i ts i m p l e ra n de a s i e rt oo p e r a t e a n dn e e dt ol e tt h em o v e m e n t so f e d i t i n ga n dr e h e a r s i n g s h o wm o r es m o o t h l yt h er e s u l ta n dc a l la d dt h ee l e m e n to f t h em u s i ca tt h e s a l n et i m e a t l a s t , l e tt h es y s t e ms o f t v c a r e ，h a v i n gd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y ，n o to n l yc a ns e r v et h e r h y t h m i cg y m n a s t i c sp r o j e e t ，b u ta l s oc a na p p l yi tt oo t h e rp r o j e c t sw h i c hh a v et h e g e n e r a l i t yo f d i f f i c u l ta n db e a u t i f u le v e n tg r o u pw i t ht h er h y t h m i cg y m n a s t i c s k e yw o r d s ：r h y t t u n i cg y m n a s t i c s ；c o m p u t e r - a i d ；s e l e c t i o no f a t h l e t e s ；e d i t i n ga n d r e h e a r s i n go f m o v e m e n t s i i 疆) * 矾, t a l s ；t ，麓蔬 = = = 一= ? ! = ! ! ! = = = = = ：= x ! = = ! ? ， ! ? ! ! = = ! ，：= = = ! ! = = ! ! = ! = = ! ! ，! ! = ! = ，! ! ! ! ：= = = = = = = = = ，黑= = = 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创硅声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是水人在导师指导下，独立进行研究丁二作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。列本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文- 中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：磊娇 日期： 砷年蚋习日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完垒了解学校有关保留、使用学位论文的钡定，即：学校有权 保留并向固家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中团科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：劈艾落 日期：卿年j 月一e l 导师签名： 日期： 刁年，月上7 日 本人已经认真阅读“c a l s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发和，并可按“章程”巾的 规定享受相关权益。旦童迨塞埕窒后进厦! 旦坐笙；旦二：生；旦三鱼；蕉血! 作者签名：夕夸艾，i 蔫 日期：枷刁年厂月d 日 导师签名： 日期：b 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 选题的依据 1 前言 1 1 1 计算机技术已经进入体育领域并取得初步成效 现代科技的飞速发展，对体育产生了前所未有的影响。现代科技的广泛普及以 及在体育领域中的全面介入和应用，加速了体育运动的发展，使现代体育进入了蓬 勃发展的科学时代。多学科，新知识，新技术促进了竞技运动水平的迅速提高，也 使体育的信息量急剧增长。由于现代化竞技体育的水平越来越高，提高运动成绩的 难度也就越来越大，科技已成为对体育发展水平具有决定性作用的重要因素。当代 高科技理论与计算机技术对体育运动领域全面、深入的渗透已成为当今竞技体育发 展的主要趋势，它能够使运动员的培养过程更加系统化、科学化和经济化，使运动 员各个方面的潜能得到充分的挖掘和最佳的匹配，使运动成绩得到突破性提高【“。 7 0 年代初期，美国作为一个体育强国，各项比赛较多，每次比赛要消耗大量的 人力物力，比赛组织者就试着用计算机来管理比赛，结果使用效果超出想象。自从 洛杉矾奥运会首次使用分布式计算机网络运动会管理系统后，近年来，国际大型运 动会普遍使用相应的计算机管理系统。它具有成绩、服务、注册、人员、事务、通 讯、分析、监控等诸多方面信息的处理功能，已经成为在现代条件下举办大型国际 运动会的必备条件之一，也是反映承办国的科技发展水平的标志之一。从成功的举 办此次奥运会以后，美国开始组织专家开发比赛专用软件，一发不可收拾，从训练 到比赛，从选材到管理，从科研到决策都广泛的使用了计算机技术。渐渐地，依靠 美国在世界的传染力，计算机在体育领域的应用逐渐成为了一个全球性的趋势。目 前计算机在体育领域中的应用集中在运动动作的技术分析、图像处理技术、运动仿 真技术、运动选材、现场统计、竞赛管理等。每一项计算机技术的成功研究都在一 定程度上推进了某个体育项目的发展或提高了某运动员的成绩。例如对男子铁饼世 界纪录保持者威尔金斯的技术动作，经过美国计算机专家和教练员的共同会诊，通 过计算机计算出威尔金斯的动作有两个不合理的地方，一是旋转时鞋与地面摩擦系 数过大，消耗了一部分能量；二是膝关节支撑技术出现问题。之后，威尔金斯根据 专家建议的方法训练，将自己保持的世界记录提高了3 米多。这个实例极大了鼓舞 了计算机研究人员和体育工作者，于是他们开始疯狂的设计各种体育项目的相关软 件，他们把各个项目中对运动成绩有影响的相关因素编制成软件，形成一个专家系 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 统，使用时根据计算机的提问输入相应的测试数据，专家系统就可以找出需要改进 的技术环节，教练员在数据库的辅助下记录训练结果，制订训练计划，分析训练情 况，预测训练成绩，同时掌握最新体育科技情报，作出相应的训练决策。 要取得好的成绩必须把高科技全面引入体育工作，加强科学训练，尤其是我国 正处在社会主义市场经济的形成时期，随着体育产业化政策的出台，竞技体育向职 业化方向转型，体育的具体效益就是体育成绩及其所带来的影响，而目前体育运动 成绩在很大程度上取决于高科技在体育领域中的应用。奥运金牌战略的实施，在一 定成份上也依仗于计算机在体育领域的普及。所以说，今后几年是计算机技术在我 国体育领域中应用的关键时期，它将把中国带入体育的计算机时代，使中国在世界 体坛上更加腾飞。 近几年，在我国的一些优势运动项目上已经率先应用计算机技术进行了一系列 的开发和研究，例如南京东南大学的科研人员设计的计算机辅助跳水运动训练的软 件系统已经取得了很好的效果。跳水项目是在西方国家产生的，引入中国的时间并 不长，但中国男女跳水队员却在奥运会上创造了“中国时代”的奇迹。他们就是利 用了一套名为“计算机图像处理跳水辅助训练系统”的秘密武器。这套设备的作用 就是给跳水运动员诊断动作。它储存有每套跳水动作的标准图像，即最优化最省略 的整套动作图像及国际上最优秀的跳水运动员对某组动作最成功的完成图像。教练 员通过使用该系统可以直接地获得运动员整个动作过程的图像，然后把他们最成 功、最能体现水平或无法在提高、突破的动作输入计算机训练系统，系统即对输入 的图像进行处理，消去不必要的背景，勾勒出运动员跳水时的全部动态轮廓线，然 后与储存的标准动作技术图象重叠比较，当即可以显示出全部的差异并对运动员的 每个动作细节进行技术诊断，再根据统计规律和力学原理，探讨技术要领，为运动 员设计出改变动作的方案。这样，运动员的成绩自然就提高得很快。计算机辅助训 练的监控技术也发挥了非常重要的作用，尤其是在双人跳水项目中，对运动员起跳， 入水及空中翻腾的同步性作出诊断分析，为运动员了解自己及搭档技术动作的差异 和同步性提供了依据。该系统还为制定科学合理的训练、比赛和恢复计划提供有 力的支持，并为教练分析、积累训练资料提供简单实用的操作平台，有利于运动 员在身体不受伤害的前提下，快速提高运动成绩，从而达到运动训练科学化的目 的。应用先进的科学技术辅助运动训练的研究使我国跳水项目的竞技水平一直位于 世界前列，也由此创造了“中国奇迹”，这说明计算机技术为竞技体育服务将是体 育领域中不可或缺的一部分。但目前我国艺术体操项目在计算机科学技术方面的研 究还很缺乏。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 2 艺术体操项目的发展需要计算机技术 艺术体操项目在我国起步较晚，在上世纪8 0 年代才形成了一定的训练系统， 奠定了良好的基础。虽然在近几年的国际大赛中取得了不错的成绩，但随着国际艺 术体操水平的不断进步和发展，以及2 0 0 3 年和2 0 0 5 年新规则的大幅度变革，使我 国艺术体操步伐总是徘徊在世界前三强的门外。近年来个人项目的最好成绩是钟玲 2 0 0 3 年在第2 6 届世锦赛的个人全能第11 名，集体项目最好成绩也是在本次世锦赛 上带操单项的第4 名，离奖牌仅有一步之遥了，但由于意大利、希腊等国家在该项 目上的迅速崛起和发展，使我国集体项目在2 0 0 4 年的雅典奥运会上只取得了第6 名 的成绩。这使得我国艺术体操陷入了一个僵局，2 0 0 8 年奥运会在际，我国的目标是 奖牌零的突破，欲想在世界上保持和迅速发展我国现有的优势，解决我国艺术体操 项目在各方面存在的问题，再创佳绩，就必须依靠科技手段加快运动员水平的提高。 目前，我国艺术体操项目在选材、训练及成套动作编排方面面临严峻的考验。 科学选材是竞技体育可持续发展的保障，世界强国对选材工作都尤为重视，我国许 多其他项目已建立了自己的科学、系统的选材体系，而对艺术体操选材的具体研究 虽然有了一定的成绩，但总体来说还是相当薄弱，基本停留在经验式的选材。特别 是在依靠计算机科技手段选材的研究才刚刚起步。计算机选材系统能够对被测者进 行各种生理和心理的测试，为选择运动员提供科学指标和依据。例如，身体素质， 身高趋势，心理健康状况等，计算机可以通过对各项指标的综合评定，决定取舍。 而对大面积选材来说，被调查对象成百上千，原始数据动辄上万，若用人工统计， 工作量浩繁，而计算机程序，输入原始数据后，很快就能得到结果。由于艺术体操 属于难美表现型项群，要求运动员不仅应当具有优美的身材，精湛的技术，出色的 艺术表现力，而且要有良好的心理素质和竞技能力。这些参数涉及面广，数据量大， 处理繁琐，在传统选材中主要依靠人为经验做出模糊评价。实践证明，如果选材仅 仅局限于目测和经验不但不能适应现代要求，且缺乏科学性或者缺乏由科学性所支 撑的预见性。以往没有专门针对艺术体操选材的计算机软件，艺术体操的选材过程 都需要教练员亲自与运动员接触，实际观察运动员的身体形态等各方面特征，依靠 教练员自己多年的选材经验和训练经验，对运动员的身体形态进行挑选，并根据运 动员的各项素质指标和训练指标，针对每个运动员制定不同的培养方案和训练模 式，导致选材的片面性大，经验性多，淘汰率高，造成人力，物力，财力以及时间 上的极大浪费。这使艺术体操出现了选材成功率低成本高，训练效率低成绩提高慢 等问题。则计算机可以利用虚拟人技术辅助艺术体操选材，改进和完善选材流程， 降低选材成本。虚拟人体建模技术能真实地重现运动员身体表面形态等各方面详细 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 的特征信息。只要将测量的人体各项参数导入初始的3 d s 格式标准人体模型中，经 过对数据进行调整，就能对运动员进行人体建模以及三维重现。这样只需掌握运动 员的各项形态指标，就能够通过计算机进行网络化远程选材评价，从而简化选材过 程、节约选材成本，提高选材成功率。这样不仅有效地改进和完善选材，还可以根 据各项参数指标建立科学、合理的训练体系。同时，面向艺术体操的参数化虚拟人 体建模技术也为艺术体操动作编排的研究奠定了基础。如果说科学实效的选材是运 动员成才的奠基之石，那么成套动作的编排则是奠定比赛胜利的基础。成套动作的 编排是衡量一个队或一个国家艺术体操水平的标志，评分规则的频繁变化使得成套 动作编排的价值日益提高。通过多年对我国艺术体操在国际大赛中的技术价值、艺 术价值、完成等各方面的分析研究来看，我国与世界先进水平的主要差距表现在成 套动作的编排上。我国艺术体操无论个人项目还是集体项目，器械抛、接单调枯燥， 器械交换千篇一律，编排构思缺乏创新性和独特性。这使得在国际大赛中，我国的 艺术价值得分始终低于技术分和完成分，阻碍了我国艺术体操整体往更高水平发展 的步伐。计算机虚拟现实技术设计可以迅速改变我国成套编排长期落后的面貌，提 高我国艺术体操编排水平。它用建立在二维平面设计系统的基础上，为三维动作演 示提供了基础，为教练员在动作选择、动作编辑，成套动作设计方面提供了计算机 技术辅助。使艺术体操集体项目的编排过程具有可视化和可编辑化，编排结果具有 保存性和可重用性。这样不仅能缩短成套动作的编排周期，而且为教练员提供更广 阔的编排空间，为运动员潜在的能力的挖掘提供了更崭新的平台。 1 1 3 计算机技术为教练员实现科学选材、科学化编排创造条件 成功的选材不仅要对运动员身体形态进行挑选，而且还要对运动员未来的综合 能力做预测。采用计算机技术只要提取运动员关键部位的尺寸参数，教练员就可以 在计算机屏幕上观察符合运动员真实身体形态的人体模型，同样对运动员的心理， 身体素质等因素也可以根据计算机提供的评价参数指标与运动员实际测试的数据 进行多层次综合性的对比，从而挑选综合能力较强的运动员，这样就大大提高了选 材的成功率和运动员的成材率。计算机技术为教练员简化了艺术体操的选材全过 程，使得教练员从简单而繁杂的数据处理与分析工作中解脱出来，把主要精力放在 提升运动员训练和比赛水平上去，节省了人力物力，同时，通过计算机的支持，能 够减少选材的主观误差，充分利用专家知识对运动员的发展进行知识预测，使选材 的成功率得到大幅度的提升；另外，网络化的选材平台还能整合全国各地的教练员 和运动员资源，降低选材费用并提高选材的效率，使艺术体操的选材更加科学化， 简单化，快捷化。计算机技术为教练员实现了科学的选材途径，也为科学化的成套 4 动作编排创造了条件。三维人体虚拟技术完全拓展了教练员的编排思维空间，教练 员只要应用计算机就可以完成对成套动作的编排，并可以反复演示及修改，力争创 造出编排薪颖，价值最高的成套动作。更能有助于实现教练员多元化和创新性的编 排构想，使编排具有多元选择性和操作简易性，解决了教练员编排工作繁琐，思路 狭窄，无创新价值低，从编排到训练循环时间长等问题，为教练员提供了多样化， 科学合理化的编排空间。 从成功的选材到运动训练模式到完成编排价值超群的成套动作，这是一个运动 员能在艺术体操项目上取得成功的不可缺少的三部曲。而计算机技术对选材、训练 和编排的辅助作用，不仅能使教练员减少了选材的主观误差，提升了运动员的训练 效率，扩大了教练员的编排空间，减轻了教练员复杂繁重的工作量，而且还塑造了 一名世界高水平运动员或运动队的诞生。软件的设计则是实现计算机辅助艺术体操 项目的关键，本研究以艺术体操集体项目动作编排作为切入点，对计算机辅助运动 员选材和训练的设计抛砖引玉，使计算机技术对艺术体操项目形成科学系统的科技 服务做出初步探索。 1 2 研究目的和任务 艺术体操在我国尽管属于年轻的运动项目，但是在一系列国际大赛中已经取得 较好的成绩，特别是集体项目是我国的潜优势项目。从1 9 8 1 年第一次参加第1 0 届 世锦赛到1 9 8 7 年的第1 3 届锦标赛，中国队的成绩从1 6 名直线跃居到单项第2 名 和全能第3 名的优异成绩，在仅仅几年内就取得了突破性的成绩，使我们对我国艺 术体操的发展更有了足够的信心和希望。然而细析之，中国与世界艺术体操发展的 速度相比仍然处于落后状态。其主要原因表现在成套动作编排上的差距。在2 0 0 1 、 2 0 0 2 年分别举行的第2 4 届、2 5 届世界锦标赛上中国运动员的艺术价值的编排分大 大落后于技术难度分和完成分就充分证明了这一点。艺术体操成套里含有丰富的动 作，无论是身体动作、还是手持器械的动作，包括多种多样不同类别的动作，用不 同的组合连接方法，将不同类别的动作组合起来，产生新的动作，使成套动作千变 万化。在编排动作时，必须注重动作的多样性、全面性，这样不仅可使成套动作富 于变化，更加具有可观赏性。编排新颖，变化多样的成套动作可以在比赛中，给裁 判员留下深刻的印象，为比赛取得好成绩打下一个良好的基础。所以成套动作的编 排是奠定胜利的基础，它已成为衡量一个队、一个国家艺术体操层次水准的标志。 这一标志甚至在赛前训练时就被裁判们定格在脑里。因此我们要进一步理解新规则 的精神，预测国际艺术体操技术的发展趋势，充分利用“编排”这一可控因素，加 m a s t e r s t h e 娜 强编排科技服务，构建和实施集体项目成套动作编排和创新的全新模式，迅速改变 我国成套编排长期落后的面貌。近年来艺术体操规则变化革新很快，也对编排提出 了新的挑战和机遇，我们要抓住这个机会全力开发利用计算机技术，设计出适合中 国队的交换器械模式、难度连接模式等具有独特风格的基本编排，力图达到最佳的 编排效果，建立适应国际艺术体操技术发展、符合其新规则精神的有特色的成套动 作编排模式系统，从而改变我国成套编排长期落后的面貌，提高我国艺术体操在世 界上的地位。 本研究是国家体育总局体操运动管理中心重点科技攻关课题项目，是根据我国 艺术体操目前存在的问题，引进计算机技术辅助艺术体操项目成功选材和成套动作 编排做出了初步的探索研究，希望通过计算机技术辅助运动员选材，改变传统的选 材程序，建立中国艺术体操运动员所特有的科学选材模式，为教练员提供较为系统 的综合竞技能力的选材方法，将中国艺术体操选材带入一个新的科技领域，实现运 动员身体形态，身体素质等综合能力的多元化选材体系。早日为我国培养出成功的 艺术体操世界名将。也希望通过计算机辅助选材的成功开发研究，为计算机辅助编 排奠定良好的基础，带给教练员一个全新的、先进的编排工具，让我们的编排变得 更简单化，更易操作，也使教练员的思维和能力得到极至的发挥。不久的将来，编 排将不再是困绕我国艺术体操的难关，让世界震惊的飞速发展将改变中国艺术体操 的地位，而充分具有冲金的实力。更希望能为中国艺术体操注入新的科技元素，更 全方面的科学化的为艺术体操项目服务，加快我国艺术体操的发展步伐，使中国艺 术体操最终实现在2 0 0 8 年奥运会上升国旗的奋斗目标。 1 3 计算机辅助艺术体操项目的理论依据 1 3 1 计算机辅助艺术体操项目的优势 ( 1 ) 计算机为我们提供了无限大的数据存储能力，它可以将书本上的生理、 心理、生化指标及分析的方法输入其中，为教练员提供科学、全面的指标和依据。 ( 2 ) 计算机依靠其强大的计算能力，将成百上千的原始数据通过计算机程序， 计算出准确的结果，极大的降低的计算成本，缩短了计算时间，节省了人力物力。 ( 3 ) 在这样一个数据存储平台上，还可以进一步对这些数据进行分析，从中 寻找运动员的特性，充分认识和发掘运动员的天赋能力，预测其未来的体能趋势和 运动专长趋势。 ( 4 ) 计算机参与的三维虚拟人技术，通过一些计算方法用虚拟人来模拟现实 中的复杂事件。这样的计算机技术超越了以往硬件条件的约束，也超越了理论上的 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 难以操作，而给我们带来了无限的想象力。在其支持下，可将现实中难以实现的动 作在计算机中模拟出来，对教练员和运动员都益处良多。 ( 5 ) 计算机具有很大的灵活性。由于运动员个性化的特点，其形态、素质、 体能、生理、心理等指标都大不相同，使教练员因个体差异的不同所采用的训练手 段各不相同，关心运动员的反馈也不一样，计算机提供时间跟踪的查询功能和分析 功能，利用大量多变的、灵活的数据，辅助制定每个运动员的训练计划、总结训练 规律、评价训练效果。有了计算机帮助，运动员快速突破训练瓶颈，使运动员的训 练成绩更方便地跳出局部极大值的限制。 1 3 2 计算机技术在艺术体操项目中的作用 在艺术体操项目中，如何把握计算机与训练之间的关系是非常重要的。虽然计 算机具有巨大的作用，但由于体育项目的特殊性，特别是作为难美项群的艺术体操 项目，决定了计算机技术在训练中只能起到辅助的作用。因为计算机技术的实现依 赖于计算机平台，也就是说它需要在设备齐全的条件下进行。而艺术体操项目主要 是通过实际的训练来进行，大部分的训练时间，训练场地都必须在符合一定条件的 场馆里完成。因此，现在计算机技术虽然是艺术体操项目的一个重要组成部分，但 在使用过程中，由于各方面条件的限制只能起到辅助作用。 计算机技术在艺术体操项目中只能起到辅助作用，而不是主要作用，可以从选 材和动作编排两个方面来看，计算机辅助运动员选材系统为我们建立了科学的，全 面的人体参数指标，突破了以前单凭教练员眼看，手模的经验性选材模式，提高了 选材的成功率。但对运动员身体及其机能的原始测量是计算机代替不了的，还必须 依靠人工完成测量并记录进入计算机系统。由于艺术体操运动员体育寿命短暂的原 因，使教练员挑选运动员苗子的年龄段通常限制在5 到1 2 岁，在这个年龄段，人 体还没有开始发育或正在发育当中，身体结构、骨骼、生理、心理都处于不稳定的 状态，虽然我们计算机把这些因素都考虑在内，但由于人体个体的差异，包括在不 同的生长环境下，身心发育也会受到不同的影响。这些是计算机系统不能计算到的， 加之现在全国艺术体操开展不广泛，训练人口不足等客观原因的存在，给选材工作 也带来了一定的困难。 计算机辅助动作编排系统的开发，给教练员带来了诸多益处，节约了编排时问， 开阔了编排思路，完善了和运动员问之间的交流，但这归功到底还是教练员的智慧 和能力，教练员是编排的灵魂，运动员则体现编排的价值，计算机只是完善编排的 效果，最终编排是教练的成果。只有提高教练员的意识，素质，思维，欣赏水平和 编排能力才能有精心的编排创意，计算机能辅助教练员完成她美好的心愿，但心愿 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 的构想早已在教练员心中发芽生长。 综上所述，由于体育项目的特殊性，计算机技术在体育领域中都只能起到一 定的辅助作用，计算机技术可以帮助提高训练成绩，改善训练方法，提供科学的训 练依据，但最终教练员严谨的执教和运动员刻苦的训练，才是金牌实现的保证。 1 3 3 使用计算机虚拟人技术的意义 虚拟人技术在计算机动画和游戏等领域的应用相当广泛，在体育领域中对各种 运动的处理技术也日益成熟。它可以根据不同的应用场合，体现出人体不同的外表 特征信息，如内部骨骼肌肉信息，动态运动信息，甚至更深层的心理情感特征信息 等等。在艺术体操项目中使用虚拟人技术可有效地改进、完善我国艺术体操在选材 和成套动作编排方面面临的依赖经验、成本高效率低等问题。虚拟人体建模技术是 虚拟人技术的基础，主要是通过运用各种计算机方法与手段，在计算机内显示出人 体形态，真实地重现并模拟人体的各方面特征和信息。而面向艺术体操的参数化虚 拟人体建模，重点在于逼真地重现运动员身体表面形态。我们只需提取运动员关键 部位的尺寸参数，并导入初始的标准人体模型，根据人体各项参数对其进行相应的 调整，教练员就可以在计算机中显示出该运动员的三维人体模型。还能利用网络传 递相关数据，教练员可以通过计算机进行远程的观察评价，简化了选材的流程、大 大降低了选材成本，提高了选材效率，也为将来的成套动作编排设计、实现网络化 选材打下了坚定的基础。只有先建立好运动员的人体模型，才能在此基础上进行动 作的操纵及编排，所以说，参数化的虚拟人体建模技术也是成套编排中关键技术的 基础。虚拟人技术对艺术体操运动的服务作用是全方位的。 s 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 2 。研究现状 通过国内外信息网检索，经过筛选、综述，目前国内外研究主要表现以下方面： 2 1 国外研究现状 以俄罗斯为代表的东欧国家在艺术体操项目上的研究主要集中在基础理论研 究方面，比如在优秀运动员个案每l l 练模式、成套动作编排模式、器械技术的力学分 析、难度动作的创新等方面都有了深入的研究。 国外在计算机辅助选材方面也已有了一些研究成果，其主要是对运动员的各种 心理及生理指标的测试，根据各项参数指标进行评定并决定运动员的取舍。以俄罗 斯等艺术体操强国优秀运动员的层出不穷中，可窥视出用计算机辅助艺术体操选材 的成功之路。但世界上现有的计算机选材系统尚具有局限性，而且研究对象主要集 中在体能主导项群。而对于艺术体操等技能主导难美表现型项群来说，选材涉及面 广、主观评定因素多，更增加了计算机选材的难度。人工智能、网络技术支持的参 数驱动的虚拟人体建模辅助选材系统的研究更是国际国内研究的空白。 在成套编排上，国外除了对教练员的编排水平和编排理论有所研究之外，还没 有计算机辅助艺术体操编排的相关研究，但欧美国家在其他学科方面有类似的研 究，如卡耐基一梅隆大学的舞蹈演示软件，它通过对舞蹈者的动作进行捕获来演示 程序。另外还有韩国的卜p l a y e r ，它将编排好的专业舞者的动作按照音乐节奏播 放，使用慢动作，缩放，暂停的功能就能更好的学习舞步。只需要移动鼠标就可以 轻松改变视角，亦可缩放，调节速度，循环播放舞步及镜像动作。这些类似的研究 都值得我们参考研究。 2 2 国内科研现状 对艺术体操选材领域的科研现状的研究收集，主要集中在理论研究上，如王爱 兰的艺术体操训练之研究1 9 9 0 ；邝丽艺术体操编排理论与方法1 9 9 4 。在高 水平艺术体操训练、以及高科技攻关较少，而且多见在9 0 年代左右。特别是计算 机辅助训练的研究还处在起步和探索阶段，如刁在箴的艺术体操中级选材及基础 训练项目中首次引进计算机辅助评价软件和三维人体建模等。我国自从把计算机 技术引进艺术体操选材中，主要用以构架科学选材的理论框架，改进选材仪器与方 9 法。目前在开发的计算机选材系统主要体现在测试、计算与评价的功能上，如罗谦 艺术体操运动员多层次模糊综合评价体系的研究。国内对艺术体操选材系统的 研究较为罕见，而且单一，尤其是在综合能力和心理选材上尚处于空白，在方法上 还基本处于经验选材阶段。 另外，在刁在箴，李想艺术体操项目计算机辅助动作编排及演示系统研究； 纪庆革，潘志庚团体操虚拟编排和演练原型系统的研究中对计算机辅助动作编 排都提出了自己的见解，为计算机辅助艺术体操动作编排的实现打下了良好的基 础。 总的来说，在国内外针对计算机辅助艺术体操项目的研究不多且不系统，特别 是根据我国运动员及教练员的具体情况和需求所设计的计算机辅助软件正在开发 中，对其辅助艺术体操项目的系统研究为数很少。 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 1 文献资料法 3 主要研究方法和手段 查阅大量计算机辅助体育项目的研究成果和艺术体操集体项目选材及编排的 相关资料：并结合历年来艺术体操规则变化的特点，对计算机辅助艺术体操项目软 件的需求和设计思路进行探索。 3 2 录像统计法 观察2 0 0 5 年世界艺术体操锦标赛集体项目、全国第十届全运会艺术体操比赛 集体项目录像，对前六名运动队的器械交换难度、队形变换等进行统计，为计算机 辅助编排提供技术支持。 3 3 统计分析法 运用s p s s l 2 0 电子软件对数据进行统计处理，并对统计结果进行相关分析。 3 4 软件开发 与浙江大学计算机学院科研技术人员合作开发计算机辅助艺术体操成套动作 编排软件系统。 4 结果与分析 4 1 计算机辅助艺术体操运动员选材 4 1 1 我国艺术体操选材目前存在的问题 应当承认人的某些素质先天就有差异，因此运动员的选材十分重要。一般有遗 传优势的运动员容易取得成绩，反之事倍功半，容易造成浪费，俄罗斯在运动员选 材和训练上没有主次之分，在决定运动员能否进入更高级别的训练时，教练员与有 关科研人员就要进行选材，其选材内容涵盖面广，包括生长发育程度，生理机能状 态，身体素质，心理素质，智力，运动能力以及一些遗传因素【2 1 。艺术体操是具有 高度的艺术性和多变的体育技巧性，要求运动员具有优美的体形、高超的艺术体操 运动技巧、良好的身体素质、心理品质和艺术素养。选材与育材在艺术体操青少年 训练中是一个并重的阶段，艺术体操选材的质量直接关系到运动训练的效果，而运 动训练的效果则是成材的关键。所以，我们不能忽略了选材的权重性。然而目前在 我国初、中级选材中，几乎都是靠教练员与