在虛擬世界中體驗奧運

距離北京2008奧運會還有僅僅1年時間，在這場全民盛會的總動員中，人們對奧運的期待越來越狂熱。北京2008奧運的一個突出特點是“科技奧運”，作為其重大工程之一的“虛擬奧運博物館”將在2008年初建成，而利用虛擬奧運博物館可以讓更多的人在互聯網上提前體驗奧運賽事、了解奧運知識。除了娛樂，更重要的是，虛擬現實技術還能幫助運動員們進行各種賽事的訓練，讓其更快、更高效地向奧運冠軍邁進。

科技奧運為虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）提供了一個大試驗場。應用VR技術對奧運會各種場館建設工程項目進行仿真，建立虛擬奧運村三維動畫模型，在互聯網上展示，從而真正做到對奧運會各項工程進行動態規劃、建設、運行和管理。不但如此，VR技術還能將中華文明、奧運百年歷史、精彩賽事等設計成三維動畫，建立互聯網上的奧林匹克虛擬博物館，用戶通過網絡就可以在虛擬博物館各個展廳中漫游。

【應用篇】

在競技體育訓練仿真中，利用虛擬現實技術能夠用多種感知方式向參與者（教練、組織者和運動員）演示教練的訓練意圖和運動員的訓練過程，并且參與者能夠自然地與仿真系統進行交互。這類基于VR的競技體育仿真系統能夠提高運動員的科學訓練水平。

團體操虛擬編排

圖1 將一個方隊變成了五個圓環。

圖2 蹦床模擬系統生成的動作序列。

圖3 虛擬網絡馬拉松中兩人在賽跑。

圖4 借助于虛擬技術，人們足不出戶就可以游覽瑞士洛桑的奧林匹克博物館，還可以觀看一些奧運展品。

圖5 可以在虛擬奧運博物館中展示中國古代的體育運動，如射箭（www.cchn.cn）。

團體操是一種體育和藝術高度結合、以體操動作為主的群眾性體育表演項目。它是由幾十人、幾百人甚至成千上萬人，在大的場(館)中通過以體操為主體的各色各樣的體育運動、文藝形式和隊形變化、圖案造型，配以音樂、道具、服裝，乃至背景、場景(舞臺)和燈光等藝術裝飾所構成的體育藝術性的集體表演項目（見圖1）。

團體操設計和排練是一件非常煩瑣、耗時的工作。虛擬現實技術在體育仿真中具有很好的應用前景，將虛擬人群仿真技術應用于團體操設計和演練，可以提高設計和排練質量，提高設計人員和排練人員的工作效率。團體操編排和演練仿真涉及到大量的虛擬人群運動、動作及隊列編排，其關鍵技術為大規模場景的實時繪制技術、運動建模、路徑規劃和避免碰撞等。

三維蹦床運動模擬

蹦床運動項目是一種技巧類體育運動項目，并于2000年悉尼奧運會首次被接納為奧運比賽項目，該項目在訓練中存在很高的難度和風險。中科院計算所開發的數字化三維蹦床運動模擬與仿真系統，可以很好地幫助蹦床運動員進行科學訓練。

該系統以數字化三維人體運動的計算機仿真技術、人體運動生物力學數據和真實人體運動數據為基礎，以三維方式逼真模擬、設計蹦床動作，模擬生成成套技術動作編排，并輔之以人體運動的動力學原理驗證、分析技術動作，最后將模擬動作與實際訓練動作同屏、同步對比，從而使之具有更強的指導意義(見圖2)。

虛擬網絡馬拉松

在虛擬馬拉松系統中，個人可以通過計算機網絡和屏幕內的虛擬場景，借助跑步機或踏步機進行健身、娛樂和競技。這樣該系統就不僅僅用于輔助訓練，更重要的是它可以成為一種娛樂的方式。

該系統有三個模式: 單機訓練、網絡漫游和網絡競技。單機訓練模式可以通過跑步機等硬件設備與系統交互，而系統可以對訓練時的速度心率等信息予以實時監測，同時可以存儲用戶的歷史訓練信息。漫游模式中，多個用戶可以在場景中同時漫游，用戶可以從一個場景切換到另一個，走到一些特定的物體前面可以選擇查看物體的詳細信息。競技模式中，借助于網絡，運動員還可以進行馬拉松比賽，跑到終點后，系統將會根據用戶所用的時間，給出一個排名(見圖3)。

虛擬自行車比賽

自行車運動作為奧運項目在奧運會中占有一定的地位。但是，處于室外的場地賽和公路自行車項目的訓練往往受制于天氣等外界條件。比如，由于自行車運動特點，對其做測試或監控往往會受到一定的限制; 此外，還有諸如調時差訓練等的特殊要求。因此，研制具有模擬實際場地信息，又能模擬運動員運動狀況，還可以實時監測運動員做功情況的綜合虛擬訓練系統是很重要的，而虛擬自行車系統就可以滿足這方面需求。

此系統的硬件部分是一輛自行車，它包含傳感器或采集卡，能夠實時地采集一些數據，如角度、角速度以及心率等， 然后將這些數據通過串口（或其他接口）送往PC機。軟件模塊根據接受到的這些數據，實現自行車在特定場景中的實時模擬。

為了更好地模擬訓練和比賽，系統還可以提供分布式仿真的支持，使得多個運動員通過局域網或廣域網在同一個場地參加訓練和比賽，同時把運動員訓練和比賽的數據保存下來，以備

統計分析，有利于指導員更好地指導運動員訓練和分析對手。

數字奧運博物館

當初在申辦2008奧運會時中國曾提出建立一個“虛擬奧運博物館”的創意，引起了國際奧委會的極大興趣和關注，從而為中國獲得承辦權提供了很大的幫助。該計劃得到了國家科技部、教育部、北京市科委的大力支持。 虛擬奧運博物館將是世界上第一個全面介紹多元化背景下奧運歷史和發展的系統。它將充分表現多元文化對奧運、生活等各方面的影響。2005年，國家自然科學基金將“虛擬奧運博物館關鍵技術研究”和“遠程沉浸式虛擬奧運博物館關鍵技術研究”列為重點項目予以大力支持，這兩個項目的依托單位分別為北京航空航天大學和浙江大學。

虛擬奧運博物館的參觀者既可以通過一個智能導游的引導來訪問，也可以通過控制一個虛擬化身(avatar)在虛擬場景中隨意漫游來參觀虛擬奧運博物館。虛擬奧運博物館要實現包括奧運三維信息遠程服務、奧運比賽項目的仿真模擬、虛擬奧運藝術作品展示、歷屆奧運歷史再現、奧運比賽精彩回放、歷屆奧運場館虛擬漫游等(見圖4、圖5)。

虛擬奧運博物館是一個大規模的分布式虛擬環境，支持奧運知識的介紹、用戶對體育項目的體驗、奧運場館的虛擬漫游等。它也是一個可以遠程訪問的系統，支持多種接入設備，可以是PC機，也可以是像PDA或手機那樣的移動設備。不同的設備需要考慮支持不同的交互模式和繪制精度。

一般的博物館通常是靜態的展示，奧運博物館則有所不同。奧運作為大型的體育運動會，其動態的元素居多，適合使用計算機技術進行動態的“活”的展示。

奧運場館的規劃

與一般的城市建筑規劃類似，奧運場館的規劃關聯性和前瞻性比較高，所以對可視化技術的需求也比較迫切。在場館建設中，規劃的決策者、設計者、管理者以及公眾，分別扮演了不同的角色，他們的有效合作是場館規劃最終成功的前提。VR技術為這種合作提供了理想的橋梁，運用VR技術能夠使政府規劃部門、項目開發商、工程人員及公眾從任意角度，實時互動地看到規劃效果，更好地掌握場館的形態和理解規劃師的設計意圖。這樣，決策者的宏觀決策就會成為場館規劃更有機的組成部分，公眾的參與也能真正得以實現。這是傳統手段如平面圖、效果圖、沙盤乃至動畫等所不能達到的。

【技術篇】

從上面的介紹可以看到，將虛擬現實技術用到數字奧運中會使得數字奧運大放光彩。當然，這里面離不開相關技術的支持，如場景的建模與繪制、虛擬人技術、運動數據的捕獲技術等等。

場景的建模與繪制技術

在一個虛擬現實系統中，建模與實時繪制往往是最基本的技術。比如在數字奧運博物館中，就需要根據實際獲得的大量多媒體數據進行建模和實時繪制。

基于幾何的建模和繪制技術（IBMR）多年的研究歷史，有很多現成的技術可以直接使用。為了加速繪制，通常使用多層次細節模型（LOD）。給定一個物體的不同細節層次后，必須決定繪制或者混合其中的哪個層次，常用的度量方法有基于距離的LOD選取和基于投影面積的LOD選取，在不同細節層次間來回切換，需要保持連續過渡。通常人們還希望繪制系統具有一個固定的幀率，使用多細節層次和可見性裁剪等技術可以對場景進行固定幀率的繪制。

基于圖像的建模和繪制技術采用圖像來替代幾何建模，采用圖像空間變換操作來代替傳統的繪制過程，因此應用IBMR技術是實現實時圖形生成的有效辦法。

為了增強繪制效果，提高真實感，可以使用陰影技術。使用基于截錐體的方法可以把陰影作為一個紋理四邊形來繪制，從而達到比較高的效率，但該方式的缺點是產生的陰影看上去像一系列點光源的疊加，而且在一些有限的灰度梯度之間陰影會被量化。研究人員引入分辨率不同的多個陰影圖來解決透視走樣，但算法無法映射到GPU上，并不適合于交互應用。

虛擬人技術

虛擬人運動與控制技術主要包括: 虛擬人的建模、運動控制、行為動畫及虛擬人群仿真。虛擬人體的建模方法，主要有基于交互式的人體造型方法、基于三維測量的人體重建方法、基于圖像的人體重建方法和人體變形技術等。在人體變形研究方面，從人體產生形變的原理出發，主要分為三大類: 由骨骼運動驅動而產生的變形、由人體肌肉收縮產生的變形、由人體尺寸（如圍度、長度等）參數改變而引起的變形。

運動控制主要涉及到三個方面的內容: 賦予虛擬人運動，主要有關鍵幀動畫、過程動畫、運動捕捉等; 對虛擬人運動進行控制，主要內容包括運動修改、運動連接、運動合成、運動重定向、運動路徑規劃、運動風格等; 對運動數據進行保存。

在個體行為設計方面，可以使用行為集合選擇的基本原則，即對每一個問題域來說，都存在使智能主體能夠完成其目標的行為最小集——基本行為集合，其余的行為可以從這個集合導出。行為動畫的研究是圍繞行為設計、層次結構和行為選擇決策機制三個方面的內容展開的。虛擬人群仿真的研究立足于人類的社會性。在虛擬環境中，群（Crowd）中可能包含多個組（Group），每個組可以有相同或者不同的行為模式；組中可能包含多個個體（Individual），而個體也可能有相同或者不同的行為模式。

運動數據的捕獲技術

在對體育運動進行仿真時，往往離不開捕獲一些相關的運動數據。對于人體的運動，可以由運動捕捉技術獲得。運動捕捉技術(MotionCapture)是利用傳感器以三維的形式記錄真實人體的動作，然后由計算機根據所記錄的數據驅動屏幕上的虛擬人。這種方法的最大優點是能夠捕捉到人類(包括訓練器械)真實運動的數據，由于生成的運動基本上是主體人(或器械)運動的“復制品”，因而效果非常逼真，且能保證訓練的科學性。

在一些虛擬的球類運動中（如虛擬保齡球），需要檢測球體運動速度。對于這類運動的分析，一般是從攝像頭獲取的一幀幀視頻數據中，提取出目標物體，然后計算出球類的運動軌跡。

對于虛擬自行車或虛擬馬拉松這類的系統，研究所還需要提取作用于運動設備（自行車跑步機等）而產生的各種運動參數，輸入到計算機，作用于虛擬環境，實現人與虛擬環境的交互。在虛擬自行車中，運動的數據通過傳感器或采集卡實時地采集到計算機中，包括角度、角速度以及心率的采集等。角度通過角度傳感器將車把的轉動角度轉換為電信號并傳送到采集卡; 角速度通過角速度傳感器將后車輪的角速度轉化為電信號傳輸到采集卡; 心率通過心率表對運動員心率進行實時采集。