基于VR的競技體育仿真系統的設計與實現

周忠岐

（寶雞職業技術學院,寶雞,721013）

基于VR的競技體育仿真系統的設計與實現

周忠岐

（寶雞職業技術學院,寶雞,721013）

虛擬現實技術是集計算機圖形學、仿真技術等多門綜合性學科。本文以國際比賽中的高爾夫為例，對高爾夫的運動軌跡進行計算，同時利用三維圖形引擎Open Scene Graph和物理引擎Bullet以及海洋場景庫Osg Ocean技術，對高爾夫場景進行計算，最后將兩者進行集成，從而得到基于VR的高爾夫仿真系統。

虛擬現實技術；仿真系統；三維圖形引擎

0 引言

隨著競技體育的發展，越來越多的國家開始將技術的研究傾向于視頻分析系統和仿真系統。而近幾年計算機圖形技術、計算機仿真技術的大力發展，從而使得虛擬現實技術的發展更加受到歡迎。所謂的虛擬現實是通過計算機系統模擬出來的與現實環境相似的虛擬環境，其最典型的特點是沉浸性、多感知能力以及交互性。因此，根據以上特點，基于虛擬技術的仿真系統主要的功能的設計首先體現對虛擬場景的構建；其次是對相關運動數據的捕捉；再次是對生理生化數據的采集；第四是動作的重演；最后為圖形的展現。也和正式基于上述的功能，使得近幾年在體育領域對仿真系統的開發也越來也多。本文以高爾夫運動為例，對其進行設計和實現。

1 系統功能分析

與常規的仿真系統一樣，首先要對其進行相關的數據進行采集，在對其進行建模修改。因此，結合高爾夫比賽，我們將該系統分為數據采集系統和渲染仿真系統兩個部分。其中數據采集系統主要對高爾夫球體的飛行軌跡進行采集，而在此研究中我們提出風力給高爾夫帶來的影響。而一般的數據采集方法包括紅外線、超聲波、光學傳感器等進行。在此研究中我們主要采用CCD光學傳感器對數據進行采集。實時渲染系統主要對采集的參數進行數學模型或者物理模型進行描述，從而得出高爾夫球飛行的軌跡，并通過相關技術軟件將高爾夫的飛行在實時場景中體現出來。

2 系統整體架構設計

2.1 系統軟件架構

根據高爾夫運動的特點，我們將其軟件系統整體架構設計如圖1所示。

其中，圖像的采集主要是對高爾夫運動的相關數據的采集；目標的檢測識別和跟蹤模塊主要為通過高速的攝像機攝像機采集系統，對目標進行快速的檢測。同時跟蹤的目的是為提高整個系統性能，以便對高爾夫球下一步的位置進行預測，并減少系統中ROI采集區域，大大提高采集傾的速率；立體的標定模塊主要是對相機的相關參數進行設置，包括內參數、外參數、畸變參數等；運動軌跡參數計算模塊主要是根據采集系統得到的相關參數對高爾夫的運動軌跡進行計算。圖像仿真模塊主要三維立體場景的導入和設計，從而使得高爾夫飛行能夠在實際的場景中；物理仿真模塊是指根據按照高爾夫自然飛行規律而設計的模塊，通

過該模塊，可計算出基于自然規律下的飛行軌跡。

2.2 硬件系統架構

仿真系統對計算機等硬件設施的要求比較高，因此，在進行硬件系統選擇的時候，對各方面性能的考慮必須充分。而該系統主要采用Bumblebee雙目高速相機、圖像采集卡、高配置計算機以及相機數據線。其具體架構如圖2所示。

圖2 硬件采集系統

其中Bumblebee雙目高速相機可實現全視場深度測量；實時3D數據轉換，每秒鐘可產生出100萬個3D點；高質量的CCD光學傳感器以及無需投影儀等特點。

3 系統的實現

3.1 數據采集系統實現

對數據采集系統的開發我們采用OpenCV平臺。OpenCV平臺是一款開源的跨平臺計算機視覺庫，其可以運行在Linux、Windows和Mac OS操作系統上。其典型的特點是輕量級但高效，著主要是因為其采用了大量的C函數以及一些少量的C++編程語言。同時該平臺可同時提供Python、Ruby、MATLAB等語言的接口，從而很好的實現對圖像處理方面的通用算法。同時，采集系統的實現流程如圖3所示。通過高速相機的采集，將數據傳輸到同步采集控制線程中，該模塊則主要負責對采集卡和相機的控制，同時對其相關的參數進行設置，并將相關參數進行封裝后存儲到Ring Buffer當中；圖像多線程處理模塊可同時對多個數據進行處理，并通過任務隊列，對數據進行檢測，如完成則Sleep.如有則讀取Ring Buffer當中的數據，并繼續進行處理；三維計算線程主要是對高爾夫的三維坐標進行計算，從而得到系統捕獲的高爾夫球的三維坐標。

圖3 數據采集系統實現流程

3.2 實時渲染仿真系統實現

在該系統模塊中，對圖形仿真的實現采用OSG引擎，該引擎為一種高性能的、開發速度快的三維圖像植染引擎。該平臺具有跨平臺使用的特性，可以在多個操作系統上進行使用。同時其使用的抽象層的函數使得其函數接口可獨立使用。

對物理仿真系統模塊的實現則通常采用Bullet物理引擎，該引擎為開源的，專業的碰撞檢測以及物理引擎，被稱為世界三大物理引擎之一，而被廣泛的應用于網絡游戲的開發、動畫制作等。由于其開源性，因此，其支持多個草組系統，并可用于IOS、Android等移動設備中。通過該引擎可實現對剛體、動力學仿真以及軟體物理方面。

4 系統的驗證測試

對仿真系統的驗證可分為實時性、精確性等驗證。本案例只對精確性進行檢測。而在實際中對矢量的檢測比較難，因此，我們采用飛行時間和飛行距離作為檢驗測試的根據，其具體的檢測結果如下：

表1 系統誤差分析

圖1 系統整體架構

5 系統實現的關鍵技術及未來展望

基于VR的體育仿真系統是一個非常復雜的系統，對該系統的實現包含很多的關鍵技術，如目標的檢測和識別技術、目標參數計算、碰撞檢測和過濾技術、圖形引擎渲染技術等。同時，隨著計算機技術的不斷發展，虛擬現實技術將具有更加廣闊的應用空間。

[1] 張璐.基于虛擬現實技術的用戶界面設計與研究[D].東華大學,2013.

[2] 程菊明,李梅蓮,劉連芳.虛擬場景的管理及其在OSG中的應用[J].微計算機信息,2008,06:280-281+294.

周忠岐，（1970—）講師，寶雞職業技術學院藝術體育系，研究方向：高校體育教學

Design and implementation of competitive sports simulation system based on VR

Zhou Zhongqi
(Baoji Vocational Technology College,Baoji,721013)

The virtual reality technology is a set of multi computer graphics,simulation technology and comprehensive discipline.In this paper,the international game of golf as an example,the trajectory of the golf was calculated,and the use of 3D graphics engine OpenScene Graph and Bullet physics engine and ocean scene databaseOsg Ocean technology,the golf scene is calculated,finally theintegration,resulting in golf simulation system based on VR.

virtual reality technology;simulation system;3D graphics engine