基于VR技術的體育健美操仿真系統設計與研究

王琳

（西安工業大學 體育學院，陜西 西安 710032）

基于VR技術的體育健美操仿真系統設計與研究

王琳

（西安工業大學 體育學院，陜西 西安 710032）

本篇目的在于研究基于VR技術的體育健美操仿真系統設計與研究問題。對于當前體育教育中，設計應用體育健美操仿真系統，能夠通過信息化技術對健美操運動員運動動作的采集與捕捉、健美操動作視頻數據的存儲，滿足教學需求，基于VR技術，設計體育健美操仿真系統，從需求分析、系統結構、系統軟件及硬件部分出發，優化設計基于VR的體育健美操仿真系統。結果證實，設計VR支持下的體育健美操仿真系統，能夠提高用戶在視覺、聽覺等方面的感知，提升系統可用性，提升20%，發揮積極設計應用效益。結論證實，基于VR技術，設計體育健美操仿真系統，能夠提升系統應用性能，發揮積極影響。

健美操仿真系統；體育；VR技術；設計

在當前體育訓練中，針對健美操運動員存在的問題，提出一種采用虛擬現實技術的仿真訓練系統。對體育健美操仿真系統的整體架構和實現的關鍵技術進行了深入的分析，以此提高健美操運動員訓練水平，發揮積極設計意義。以下對此做具體分析。

1 VR技術分析

科技改變生活，VR（Virtual Reality）作為一種虛擬現實技術[1]，不僅能夠大大創建虛擬的計算機系統環境，也可以給用戶帶來與現實世界相同感官的虛擬體驗，以獨具真實感的立體圖形，以及獨具真實感的聲音、動作、作用力等，構建仿真出虛擬的世界[2-6]。在VR技術中，不僅可以再現真實的現實世界，也可以將人們純粹構想出的世界真實化，從視覺、聽覺以及觸覺方面，使人與仿真的環境進行交互，讓人們產生身臨其境的感覺[7-12]。在實際仿真模擬VR中，主要是通過應用一些列傳感器集成設備，將傳感器的數據經進行處理，使其變成融合信息[13]，并聯合VR虛擬環境，實現人在物理環境中與虛擬空間的交互，發揮積極應用價值。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技術的體育健美操仿真系統，可以準確性和科學化管理競技體育健美操訓練，能夠有效減少我國體育健美操運動員在訓練過程中受傷的概率[14]，主要就是通過應用VR的虛擬現實技術，先對體育健美操運動員進行相關的仿真訓練，然后再開展實體訓練，這對于提升我國體育健美操訓練水平，發揮積極影響[15]。建立基于VR技術支持的體育健美操仿真系統，可以利用VR技術，模擬仿真體育中的健美操項目，通過仿真模擬健美操開展對運動員的仿真訓練，確保體育教練根據仿真數據，為運動員制定更加優化的健美操訓練方案，提升健美操運動員的訓練效果。基于VR設計體育健美操仿真系統，應用這個系統可以指導提升健美操運動員的成績，使運動員在看到虛擬的人體動作后，以此來改變或是糾正自己的錯誤動作，幫助運動員做的動作都可以符合實際的健美操標準，確保系統設備滿足實際用戶需求。

3 設計實現基于VR技術的體育健美操仿真系統

3.1 系統總體結構設計

基于VR技術，設計健美操演練仿真系統。運用VR技術，具體能夠將該系統分為3個小的子系統。系統結構如圖2所示。

圖2 系統的結構

在本次設計的VR體育健美操仿真系統中，其中包含隊形或圖案設計系統，該結構主要就是設計出在體育健美操設計各個環節中，所需一系列的隊形和健美操圖案 。同時，也包含行為動作生成系統，該系統主要就是能夠根據捕捉到的體操相關數據，從而編排出體育健美操的具體動作。最后，就是仿真健美操隊形以及圖案變化的系統，該部分主要就是能夠定位出在虛擬仿真環境中健美操運動員的具體位置，然后可以規劃出具體的路徑，最后實現健美操隊形圖案的變形控制。

3.2 系統功能設計

本次設計的體育健美操仿真系統，主要確保能夠模擬體育健美操比賽相關的場景，同時也能夠清晰記錄出健美操動作組合的畫面，還可以得到準確的數據，精確研究體育運動員的動作標準度。因此，基于VR技術，設計的體育健美操仿真系統，不僅要包含輸入功能，還需包含數據輸出功能，同時可以基于VR虛擬環境，模擬仿真體育運動員的健美操動作。在本次設計的系統中，不僅可以通過跟蹤設備、數據手套等設備將仿真動作信息輸入到系統中，也可以通過仿真模擬、三維數據分析、力學視角反饋處理，將數據輸出到系統的用戶界面，確保用戶能夠基于VR體育健美操仿真系統，隨時體驗、感知到最真實的健美操仿真環境。系統功能交互結構如圖3所示。

圖3 VR感知交互模型

3.3 優化設計基于VR的體育人體運動學算法

在本次設計的體育健美操仿真系統中，需要根據人體的幾何模型，從而可以優化構建出體育健美操運動員在運動過程中的數學模型，這樣才可以使得仿真出的健美操運動員動作，可以符合現實中體育相關的力學要求。在人體模型中，多應用矢量法、齊次變換以及四元素法來描述肢體在運動過程中的變化。而對于本文的研究中，主要是采取齊次變換矩陣的方法，描述運動中人體的肢態，這樣就可以靈活的確保在不同坐標系中能夠隨時變換運動員肢體的運動。具體的步驟如下：

在空間坐標系（x，y，z）中，可以先構建出肢體 B夠圍繞關節A的坐標的，如：（xB，yB，zB）。若是說，在空間坐標當中對于這個關節圍繞中心點 A旋轉角度分別達到α、β、γ。 對此，能夠通過旋轉矩陣變化，從而得出在坐標系A當中肢體B變換的齊次方陣。

從而可以得到B關節在世界坐標系中的齊次變換矩陣：

通過結合以上兩個公式，就可以得到人體關節在世界坐標系中高的角速度與線速度，從而計算得出人體肢體的運動軌跡和運動的方向。

3.4 設計實現系統代碼

在設計體育健美操仿真系統中，應用VR技術，優化設計系統軟件部分。其中，應用VR技術中的OpenGL，其作為一種通用共享開放式的三維圖形標準，可以確保優化提升系統界面設計質量，優化處理軟件圖形數據與硬件的接口，確保系統能夠提供高質量的圖像圖形，確保用戶通過圖像仿真分析體育健美操動作。在系統軟件設計中，還應用基于VR技術的EON，能夠將實時體育健美操視覺效果與物理機制下的真實人體動作進行結合，提升系統畫面的真實感。部分代碼如下所示：

3.5 系統的驗證測試

基于VR技術，設計體育健美操仿真系統，在為系統構建動作VR仿真數據庫中，能夠選取若干關于體育健美操的動作，之后可以根據具體的體育健美操運動員情況，從其運動能力、訓練強度水平以及個人特征等方面，可以由教練員依照設想的動作，從而可以模擬編排出一些具備技術性組合的復雜健美操動作，并同時能夠通過VR技術實現對健美操人員的模擬仿真訓練，為體育健美操運動員依照出最優的健美動作。

4 應用效益分析

當前體育健美操的訓練中，還是基于二維的虛擬場景，缺乏對真實場景的體驗，從而使得運動員在訓練的積極性和訓練的效果方面都大大降低。 優化設計基于VR技術開發的體育健美操虛擬仿真系統，發揮積極應用價值。設計VR支持下的體育健美操仿真系統，能夠提高用戶在視覺、聽覺等方面的感知，提升系統可用性，提升20%。設計基于VR技術的體育健美操仿真系統，采用人體幾何建模，實現對健美操運動員的基本骨骼的構建，同時采用運動捕捉技術，實現了對健美操運動員運動數據的采集，加強了對數據的分析，可更好的借助現代計算機技術實現對健美操運動員進行仿真模擬，提高了虛擬場景的沉浸性，從而提高了用戶體驗，發揮積極設計應用效益。

5 結 論

綜上所述，在體育健美操仿真系統設計中，應用VR技術，具有可行性，能夠為我國健美操事業注入新的血液，實現我國體育健美操訓練的智能化發展，發揮積極影響。

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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：201605258

陜西省哲學社會科學規劃課題（2014N06）

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