Наука и Образование: научно-техническое издание: Использование возможностей графических систем для отработки новых упражнений спортсмена

Если таким рабочим местом является, например, кабина самолета, то в этом случае в перечень эргономических вопросов входит расчет углов обзора пилота, доступность различных кнопок и рычагов управления, освещенность рабочего места, возможные позы, которые принимает пилот, различные нагрузки, которые он испытывает во время полета и многое другое. Естественно, что предоставляемые инструменты для отработки подобных вопросов включают в себя и возможность имитировать достаточно сложные перемещения пилота. Вплоть до возможности имитировать движения любого из его пальцев на каждой руке. В общем, для имитации движения исполнителя на его рабочем месте в перечисленных выше графических системах средств – более чем достаточно.
Поэтому оказалось возможным применить этот аппарат для имитации гораздо более сложных движений спортсмена в ситуации, когда он вместе с тренером только приступает к созданию совершенно нового движения или упражнения. Речь идет о ситуации, когда тренер придумывает совершенно новые элементы в спортивной гимнастике, художественной гимнастике, прыжках в воду, в фигурном катании, различных новых современных видах зимнего спорта (например, halfpipe) и др.


рис.1	рис.2

В таких ситуациях спортсмен ещё никогда не выполнял данного упражнения, и «заснять» учебный фильм не с чего, и не с кого. В таких ситуациях, конечно, можно разъяснить спортсмену его новые движения и элементы «на пальцах». Но гораздо нагляднее смоделировать новое движение на некоем манекене (рис.1-4) в реальной обстановке, рядом со спортивным снарядом, в реальном времени, с возможностью останавливать имитацию упражнения, рассматривать её с разных точек зрения, возвращать назад и пр. Именно такой инструмент и обсуждается в данной статье.


рис.3	рис.4

Нужно подчеркнуть, что речь идет не только о просмотре сгенерированных AVI файлов, в которых можно только останавливать и повторять движения спортсмена. Речь идет о полномасштабной имитации упражнения спортсмена с помощью соответствующей графической системы. В такой системе возможно:
        ·  Полное обновление упражнения.
        ·  Частичная его корректировка.
        ·  Просмотр имитации с разных точек зрения.
        ·  Повторы, возвраты назад, остановки и пр.
        ·  Добавление элементов спортивного инвентаря и др.
        Конечно, очевидный недостаток данной методики понятен. Если сравнивать имитацию движения спортсмена, выполненную по предлагаемой методике с помощью манекена, с последующим учебным фильмом, снятым по ходу движения реального спортсмена, то учебный фильм с живым человеком безусловно выиграет. В имитации движения манекена сразу бросается в глаза некоторая искусственность и неестественность поз и движений. Но повторим, что данная методика предлагается только для первоначальной,   грубой проработки совершенно нового упражнения. И в этом случае некоторая неестественность человеческих поз и движений манекена допустима.
        Конечно, первое, что приходит в голову при такой постановке задачи, - это графические системы типа 3DStudioMax и AutodeskMaya. Но мы выбрали одну из подсистем тяжелой графической системы CATIA. Не будем утверждать, что это самый оптимальный и удачный выбор. Скорее всего, в нашем случае сказалась приверженность системе CATIA по предыдущим промышленным проектам. Для нас оказалось проще и дешевле применить одну из подсистем уже освоенной большой системы, чем приобретать и осваивать меньшую новую графическую систему. Повторим - мы не настаиваем на том, что наш выбор – самый наилучший. Возможно, что имитация движения манекена с помощью системы AutodeskMaya, окажется эффективнее. Мы старались показать, что имитация достаточно сложного движения человека таким способом в принципе возможна. Кроме этого, хотелось лишний раз показать, что применение тяжелых графических систем часто оказывается слишком поверхностным. Многие их приложения практически не используются. Поэтому данную статью можно еще рассматривать и как иллюстрацию применения достаточно развитого раздела ErgonomicsDesign & Analysis (рис.5) в графической системе CATIA.

рис.5

Естественно, что разработка нового упражнения спортсмена начинается с объемного моделирования соответствующей спортивной площадки, или спортивного инвентаря. Например, для разработки новых прыжков и переворотов в таком зимнем виде спорта как Halfpipe придется смоделировать объект, показанный на рис. 6.
При имитации прыжка в высоту (конечно, ничего нового в этом упражнении нет, и мы говорим о таком прыжке только в качестве примера) придется разметить сектор для прыжков, смоделировать стойки и планку (рис.7). Желательно особо указать в секторе те места, на которые прыгун будет становиться ногой во время разбега.
Вообще, еще до имитации движений манекена важно как можно четче представлять себе не только его будущие позы, но и положения в пространстве, в которых спортсмен эти позы будет принимать. Вплоть до указания координат X, Y, и Z центра тяжести спортсмена. Применительно к прыжку в высоту важно знать: как сильно спортсмен подпрыгивает на каждом шаге разбега, как далеко или близко он ставит опорную ногу относительно стоек, как близко он подлетает к планке и пр. Все неточности, допущенные во время такого планирования будущего упражнения, явно проявятся в его итоговой имитации.

Конечно, для имитации известных упражнений очень пригодились бы так называемые фильмограммы, пример одной из которых показан на рис. 8. Но в нашей ситуации таких фильмограмм нет, и тренеру придется самому прикидывать, или рассчитывать положение спортсмена и его позы в каждый момент времени будущего упражнения. Это непросто, и может приводить к понятным ошибкам.
Конечно, выявив все ошибки и неестественности после первого же «проката» полученной имитации, вы тут же сможете эти ошибки исправить.

рис.6

Итак, проектирование нового упражнения спортсмена начинается с объемного моделирования его окружения. Нужно сказать, что окружение спортсмена, спортивные снаряды, его реквизит предварительно создаются как отдельные детали, которые впоследствии организуют итоговую сцену, в которой и выполняется новое упражнение. Если применять терминологию любой графической системы, то итоговую сцену мы проектируем как проект сборки.

рис. 7

Можно сказать, что для прыжка в высоту такой сборкой будут изображения площадки сектора, стойки и планка (рис.7).
После того, как вы создали проект сборки, вы должны сгенерировать в этом проекте изображение человеческого манекена.

рис.8

Конечно, мы не будем подробно описывать технику выполнения этого этапа. Скажем только, что при этом возможно указать пол, вес манекена, принадлежность его к какой-либо расе. Кроме этого, можно указать точку привязки манекена, за которую вы сможете впоследствии перемещать его внутри сцены и пр.


рис.9	рис.10	рис.11

На рис.9 представлены образцы манекенов разной величины.
        Система предоставляет разнообразные инструменты, с помощью которых можно менять позу манекена самым произвольным образом (рис.10). В частности, можно по отдельности менять положение его рук, ног, головы, ступней, локтей, плеч, и даже каждого из пальцев на руках (рис.11).
        Но главное в предлагаемой методике - это построение не отдельной позы, а создание целой последовательности кадров, в каждом из которых важно по возможности точно смоделировать и позу спортсмена, и его положение относительно окружающей среды. Последовательность таких кадров впоследствии и создаст впечатление движущегося гимнаста, фигуриста, прыгуна и т.д.
        Поэтому предварительно приходится осуществить примерную раскадровку поведения манекена в будущем упражнении. Это означает, что придется оговорить некоторое число различных поз, которые по ходу действия будет принимать манекен, и рассчитать его местоположение для каждой из таких поз в каждом будущем кадре относительно окружающих спортивных снарядов. Каждую из сгенерированных поз можно сохранить в соответствующем каталоге, что позволяет впоследствии многократно их использовать и редактировать. На рис. 12 показано содержимое раздела каталога, в котором хранятся различные позы манекена. Аналогично хранятся и соответствующие пространственные положения манекена.

рис.12

Принцип создания анимации манекена состоит в том, что сначала вы «вручную» создаете несколько опорных кадров и положений манекена, а потом система дополняет их промежуточными подкадрами, которые в соответствии с заданным числом вставляются между опорными кадрами. Таким образом, создается последовательность достаточного количества опорных кадров и подкадров, которая в совокупности и позволит имитировать требуемое движение манекена.
        Нужно подчеркнуть, что имитация движения манекена состоит из двух частей: подготовительной и основной.
        На подготовительном этапе мы заготавливаем все необходимые позы манекена и фиксируем соответствующие им положения манекена в пространстве. Вся эта информация запоминается в соответствующем каталоге.
        На основном этапе мы формируем последовательность опорных кадров, дополняем их промежуточными подкадрами, и определяем время имитации.
        Нельзя утверждать, что описываемая технология имитации движения спортсмена полностью удовлетворяет поставленным требованиям. В частности, еще не решен вопрос наложения геометрических ограничений на манекен и элементы его реквизита. Например, во время сложных переворотов спортсмена - сноубордиста важно, чтобы доска сноуборда плотно прилегала к его ногам. Еще сложнее организовать свободное перемещение, например, обруча, который подбрасывает, а потом опять ловит гимнастка. Эти вопросы еще предстоит решить. Конечно, при первоначальной разработке нового упражнения можно обойтись и без таких частностей, но представляет интерес сама технология наложения геометрических ограничений и свободное перемещение предметов.

Важным компонентом предложенной методики являются многократные исправления уже полученных имитаций движения спортсмена. Самыми распространенными исправлениями являются:
        · Добавление в готовую имитацию новых дополнительных кадров
        · Замена в готовой имитации отдельных кадров. Причем менять приходится и позу манекена, и его положение относительно окружающей среды.
        · Изменение скорости перемещения манекена на отдельных участках его траектории. Если на подготовительном этапе вы неправильно выполнили раскадровку будущего упражнения, и неравномерно сформировали опорные кадры по всей траектории движения манекена, то в итоге на отдельных участках он будет двигаться где-то быстрее, а где-то медленнее. Была предложена специальная методика исправления подобной неравномерности.
        Следует отметить, что некоторые исправления в системе CATIAне всегда удобны. Поэтому приходиться разрабатывать собственные технологии отладки. Тем не менее, в целом нам показалось интересным применение одного из многочисленных приложений тяжелой графической системы CATIA для разработки новых элементов и целых упражнений спортсмена.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Басов К.А. CATIAV5. Геометрическое моделирование / К.А. Басов.-СПб.: Питер, 2008.- 280 с.

2. Мартынюк В.А. CATIA_ Начало работы [Электронный ресурс] 2007 //, (http://bigor.bmstu.ru), ╧ 0320702622.

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211. ISSN 1994-0408