基于VR技術(shù)的體育健美操仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

王琳

（西安工業(yè)大學(xué) 體育學(xué)院，陜西 西安 710032）

基于VR技術(shù)的體育健美操仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

王琳

（西安工業(yè)大學(xué) 體育學(xué)院，陜西 西安 710032）

本篇目的在于研究基于VR技術(shù)的體育健美操仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究問題。對(duì)于當(dāng)前體育教育中，設(shè)計(jì)應(yīng)用體育健美操仿真系統(tǒng)，能夠通過信息化技術(shù)對(duì)健美操運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的采集與捕捉、健美操動(dòng)作視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，滿足教學(xué)需求，基于VR技術(shù)，設(shè)計(jì)體育健美操仿真系統(tǒng)，從需求分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)軟件及硬件部分出發(fā)，優(yōu)化設(shè)計(jì)基于VR的體育健美操仿真系統(tǒng)。結(jié)果證實(shí)，設(shè)計(jì)VR支持下的體育健美操仿真系統(tǒng)，能夠提高用戶在視覺、聽覺等方面的感知，提升系統(tǒng)可用性，提升20%，發(fā)揮積極設(shè)計(jì)應(yīng)用效益。結(jié)論證實(shí)，基于VR技術(shù)，設(shè)計(jì)體育健美操仿真系統(tǒng)，能夠提升系統(tǒng)應(yīng)用性能，發(fā)揮積極影響。

健美操仿真系統(tǒng)；體育；VR技術(shù)；設(shè)計(jì)

在當(dāng)前體育訓(xùn)練中，針對(duì)健美操運(yùn)動(dòng)員存在的問題，提出一種采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。對(duì)體育健美操仿真系統(tǒng)的整體架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的分析，以此提高健美操運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練水平，發(fā)揮積極設(shè)計(jì)意義。以下對(duì)此做具體分析。

1 VR技術(shù)分析

科技改變生活，VR（Virtual Reality）作為一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1]，不僅能夠大大創(chuàng)建虛擬的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)環(huán)境，也可以給用戶帶來與現(xiàn)實(shí)世界相同感官的虛擬體驗(yàn)，以獨(dú)具真實(shí)感的立體圖形，以及獨(dú)具真實(shí)感的聲音、動(dòng)作、作用力等，構(gòu)建仿真出虛擬的世界[2-6]。在VR技術(shù)中，不僅可以再現(xiàn)真實(shí)的現(xiàn)實(shí)世界，也可以將人們純粹構(gòu)想出的世界真實(shí)化，從視覺、聽覺以及觸覺方面，使人與仿真的環(huán)境進(jìn)行交互，讓人們產(chǎn)生身臨其境的感覺[7-12]。在實(shí)際仿真模擬VR中，主要是通過應(yīng)用一些列傳感器集成設(shè)備，將傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)進(jìn)行處理，使其變成融合信息[13]，并聯(lián)合VR虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人在物理環(huán)境中與虛擬空間的交互，發(fā)揮積極應(yīng)用價(jià)值。如圖1就是多感知的VR交互模型。

圖1 虛擬三維建模

2 需求分析

基于VR技術(shù)的體育健美操仿真系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確性和科學(xué)化管理競(jìng)技體育健美操訓(xùn)練，能夠有效減少我國(guó)體育健美操運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練過程中受傷的概率[14]，主要就是通過應(yīng)用VR的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，先對(duì)體育健美操運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行相關(guān)的仿真訓(xùn)練，然后再開展實(shí)體訓(xùn)練，這對(duì)于提升我國(guó)體育健美操訓(xùn)練水平，發(fā)揮積極影響[15]。建立基于VR技術(shù)支持的體育健美操仿真系統(tǒng)，可以利用VR技術(shù)，模擬仿真體育中的健美操項(xiàng)目，通過仿真模擬健美操開展對(duì)運(yùn)動(dòng)員的仿真訓(xùn)練，確保體育教練根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，為運(yùn)動(dòng)員制定更加優(yōu)化的健美操訓(xùn)練方案，提升健美操運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練效果。基于VR設(shè)計(jì)體育健美操仿真系統(tǒng)，應(yīng)用這個(gè)系統(tǒng)可以指導(dǎo)提升健美操運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)，使運(yùn)動(dòng)員在看到虛擬的人體動(dòng)作后，以此來改變或是糾正自己的錯(cuò)誤動(dòng)作，幫助運(yùn)動(dòng)員做的動(dòng)作都可以符合實(shí)際的健美操標(biāo)準(zhǔn)，確保系統(tǒng)設(shè)備滿足實(shí)際用戶需求。

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于VR技術(shù)的體育健美操仿真系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于VR技術(shù)，設(shè)計(jì)健美操演練仿真系統(tǒng)。運(yùn)用VR技術(shù)，具體能夠?qū)⒃撓到y(tǒng)分為3個(gè)小的子系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在本次設(shè)計(jì)的VR體育健美操仿真系統(tǒng)中，其中包含隊(duì)形或圖案設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)主要就是設(shè)計(jì)出在體育健美操設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)中，所需一系列的隊(duì)形和健美操圖案 。同時(shí)，也包含行為動(dòng)作生成系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要就是能夠根據(jù)捕捉到的體操相關(guān)數(shù)據(jù)，從而編排出體育健美操的具體動(dòng)作。最后，就是仿真健美操隊(duì)形以及圖案變化的系統(tǒng)，該部分主要就是能夠定位出在虛擬仿真環(huán)境中健美操運(yùn)動(dòng)員的具體位置，然后可以規(guī)劃出具體的路徑，最后實(shí)現(xiàn)健美操隊(duì)形圖案的變形控制。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的體育健美操仿真系統(tǒng)，主要確保能夠模擬體育健美操比賽相關(guān)的場(chǎng)景，同時(shí)也能夠清晰記錄出健美操動(dòng)作組合的畫面，還可以得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，精確研究體育運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)度。因此，基于VR技術(shù)，設(shè)計(jì)的體育健美操仿真系統(tǒng)，不僅要包含輸入功能，還需包含數(shù)據(jù)輸出功能，同時(shí)可以基于VR虛擬環(huán)境，模擬仿真體育運(yùn)動(dòng)員的健美操動(dòng)作。在本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，不僅可以通過跟蹤設(shè)備、數(shù)據(jù)手套等設(shè)備將仿真動(dòng)作信息輸入到系統(tǒng)中，也可以通過仿真模擬、三維數(shù)據(jù)分析、力學(xué)視角反饋處理，將數(shù)據(jù)輸出到系統(tǒng)的用戶界面，確保用戶能夠基于VR體育健美操仿真系統(tǒng)，隨時(shí)體驗(yàn)、感知到最真實(shí)的健美操仿真環(huán)境。系統(tǒng)功能交互結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 VR感知交互模型

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)基于VR的體育人體運(yùn)動(dòng)學(xué)算法

在本次設(shè)計(jì)的體育健美操仿真系統(tǒng)中，需要根據(jù)人體的幾何模型，從而可以優(yōu)化構(gòu)建出體育健美操運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)過程中的數(shù)學(xué)模型，這樣才可以使得仿真出的健美操運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作，可以符合現(xiàn)實(shí)中體育相關(guān)的力學(xué)要求。在人體模型中，多應(yīng)用矢量法、齊次變換以及四元素法來描述肢體在運(yùn)動(dòng)過程中的變化。而對(duì)于本文的研究中，主要是采取齊次變換矩陣的方法，描述運(yùn)動(dòng)中人體的肢態(tài)，這樣就可以靈活的確保在不同坐標(biāo)系中能夠隨時(shí)變換運(yùn)動(dòng)員肢體的運(yùn)動(dòng)。具體的步驟如下：

在空間坐標(biāo)系（x，y，z）中，可以先構(gòu)建出肢體 B夠圍繞關(guān)節(jié)A的坐標(biāo)的，如：（xB，yB，zB）。若是說，在空間坐標(biāo)當(dāng)中對(duì)于這個(gè)關(guān)節(jié)圍繞中心點(diǎn) A旋轉(zhuǎn)角度分別達(dá)到α、β、γ。 對(duì)此，能夠通過旋轉(zhuǎn)矩陣變化，從而得出在坐標(biāo)系A(chǔ)當(dāng)中肢體B變換的齊次方陣。

從而可以得到B關(guān)節(jié)在世界坐標(biāo)系中的齊次變換矩陣：

通過結(jié)合以上兩個(gè)公式，就可以得到人體關(guān)節(jié)在世界坐標(biāo)系中高的角速度與線速度，從而計(jì)算得出人體肢體的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)的方向。

3.4 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)代碼

在設(shè)計(jì)體育健美操仿真系統(tǒng)中，應(yīng)用VR技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件部分。其中，應(yīng)用VR技術(shù)中的OpenGL，其作為一種通用共享開放式的三維圖形標(biāo)準(zhǔn)，可以確保優(yōu)化提升系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)質(zhì)量，優(yōu)化處理軟件圖形數(shù)據(jù)與硬件的接口，確保系統(tǒng)能夠提供高質(zhì)量的圖像圖形，確保用戶通過圖像仿真分析體育健美操動(dòng)作。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，還應(yīng)用基于VR技術(shù)的EON，能夠?qū)?shí)時(shí)體育健美操視覺效果與物理機(jī)制下的真實(shí)人體動(dòng)作進(jìn)行結(jié)合，提升系統(tǒng)畫面的真實(shí)感。部分代碼如下所示：

3.5 系統(tǒng)的驗(yàn)證測(cè)試

基于VR技術(shù)，設(shè)計(jì)體育健美操仿真系統(tǒng)，在為系統(tǒng)構(gòu)建動(dòng)作VR仿真數(shù)據(jù)庫中，能夠選取若干關(guān)于體育健美操的動(dòng)作，之后可以根據(jù)具體的體育健美操運(yùn)動(dòng)員情況，從其運(yùn)動(dòng)能力、訓(xùn)練強(qiáng)度水平以及個(gè)人特征等方面，可以由教練員依照設(shè)想的動(dòng)作，從而可以模擬編排出一些具備技術(shù)性組合的復(fù)雜健美操動(dòng)作，并同時(shí)能夠通過VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)健美操人員的模擬仿真訓(xùn)練，為體育健美操運(yùn)動(dòng)員依照出最優(yōu)的健美動(dòng)作。

4 應(yīng)用效益分析

當(dāng)前體育健美操的訓(xùn)練中，還是基于二維的虛擬場(chǎng)景，缺乏對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的體驗(yàn)，從而使得運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練的積極性和訓(xùn)練的效果方面都大大降低。 優(yōu)化設(shè)計(jì)基于VR技術(shù)開發(fā)的體育健美操虛擬仿真系統(tǒng)，發(fā)揮積極應(yīng)用價(jià)值。設(shè)計(jì)VR支持下的體育健美操仿真系統(tǒng)，能夠提高用戶在視覺、聽覺等方面的感知，提升系統(tǒng)可用性，提升20%。設(shè)計(jì)基于VR技術(shù)的體育健美操仿真系統(tǒng)，采用人體幾何建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)健美操運(yùn)動(dòng)員的基本骨骼的構(gòu)建，同時(shí)采用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)健美操運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集，加強(qiáng)了對(duì)數(shù)據(jù)的分析，可更好的借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)健美操運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行仿真模擬，提高了虛擬場(chǎng)景的沉浸性，從而提高了用戶體驗(yàn)，發(fā)揮積極設(shè)計(jì)應(yīng)用效益。

5 結(jié) 論

綜上所述，在體育健美操仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用VR技術(shù)，具有可行性，能夠?yàn)槲覈?guó)健美操事業(yè)注入新的血液，實(shí)現(xiàn)我國(guó)體育健美操訓(xùn)練的智能化發(fā)展，發(fā)揮積極影響。

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The design and research of sports aerobics simulation system based on VR technology

WANG Lin
（College of physical education，Xi'an Technological University，Xi'an 710032，China）

The purpose of this paper is to study the design and research of the simulation system of sports aerobics based on VR technology.For the current physical education，design and application of sports bodybuilding operation simulation system，through the information technology of Aerobics athletes movement of acquisition and capture，aerobics action video data storage meet teaching demand，based on VR technology，the design of sports bodybuilding exercises simulation system，from the needs analysis，system structure，system software and hardware of and optimization design based on VR Sports Aerobics simulation system.The results confirmed that the design of the simulation system of VR support，can enhance the user's perception of visual，auditory and other aspects，enhance the system usability，enhance 20%，play an active design and application benefits.The conclusion is proved， based on the VR technology，the design of Sports Aerobics simulation system，can enhance the system application performance，play a positive impact.

aerobics simulation system；sports；VR technology；design

TN99

：A

：1674-6236（2017）08-0155-03

2016-05-26稿件編號(hào)：201605258

陜西省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃課題（2014N06）

王 琳（1977—），女，寧夏石嘴山人，碩士，講師。研究方向：體育教學(xué)訓(xùn)練與體育管理。