基于VR技術(shù)的競技健美操編排記錄系統(tǒng)設(shè)計

胡華

摘 要： 為了解決傳統(tǒng)系統(tǒng)缺少編排算法和約束條件，容易受到信號干擾，導(dǎo)致編排記錄結(jié)果不準確的問題，提出基于VR技術(shù)的競技健美操編排記錄系統(tǒng)設(shè)計。利用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬環(huán)境，使原始數(shù)據(jù)經(jīng)過傳感器處理，形成具有融合屬性的信息，將該信息通過接口電路傳遞到解釋器中轉(zhuǎn)化為行為信息并記錄，保證信息傳輸不被信號干擾。根據(jù)軟件設(shè)計流程，利用齊次變換矩陣法描述運動員在運動過程中的肢體動作，設(shè)立約束條件，保證系統(tǒng)動作編排與記錄的合理性。由實驗結(jié)果可知，該系統(tǒng)編排記錄準確度最高可達83%，具有較強的應(yīng)用性能。

關(guān)鍵詞： VR技術(shù)； 競技健美操； 編排記錄； 融合信息； 行為信息； 齊次變換矩陣

中圖分類號： TN02?34； TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）11?0166?05

Design of VR technology based editing and recording system of competitive aerobics

HU Hua

（Chengdu College of Arts and Sciences， Chengdu 610000， China）

Abstract： The traditional system lacks the design of editing algorithm and constraints， and is easily affected by signal disturbance， which may result in inaccurate editing and recording results. Therefore， a design of competitive aerobics editing and recording system based on VR technology is put forward. The VR technology is used to construct the virtual environment， in which the original data is processed by means of the sensor to form the information with fusion attribute. The information is transmitted to the interpreter through the interface circuit， and transferred into the behavior information for recording， which can ensure the information transmission against signal interference. According to the software design process， the homogeneous transformation matrix method is used to describe the body movement in the movement process of athletes. The constrains are set to ensure the rationality of system action editing and recording. The experimental results show that the accuracy of the system editing and recording can reach up to 83%， and the system has high application performance.

Keywords： VR technology； competitive aerobics； editing and recording； fusion information； behavior information； homogeneous transformation matrix

0 引 言

健美操是二十世紀八九十年代從國外引進的健身運動，雖然該項健身項目在我國發(fā)展的時間較短，但是受到了人們的喜愛，現(xiàn)在已經(jīng)成為百姓們一項重要的健身項目。國家體育委員會也對這項運動高度重視，為了向大眾普及基礎(chǔ)知識，相關(guān)部門組織了專家組對該項運動編排記錄系統(tǒng)展開了深入研究[1]。針對傳統(tǒng)編排記錄系統(tǒng)存在的問題，提出基于VR技術(shù)的競技健美操編排記錄系統(tǒng)設(shè)計。VR技術(shù)即虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使用該技術(shù)不但能創(chuàng)建虛擬的運動環(huán)境，還可為運動員帶來與實際運動相同感覺的虛擬體驗，憑借虛擬現(xiàn)實具備的立體圖像、真實感聲音和動作構(gòu)建虛擬世界[2]。利用VR技術(shù)編排競技健美操是運動員參加比賽的必要條件，其編排質(zhì)量會對運動員的比賽成績產(chǎn)生直接影響，理想編排能夠突出運動員的優(yōu)勢，使其達到完美的表演效果。

1 競技健美操編排記錄系統(tǒng)設(shè)計

運用VR技術(shù)，運動員能夠依據(jù)視覺、聽覺和觸覺產(chǎn)生直觀的體驗，其優(yōu)勢如圖1所示。

通過圖1中的VR技術(shù)特征設(shè)計競技健美操編排記錄系統(tǒng)，其中包括健美操隊形設(shè)計和行為動作生成，根據(jù)捕捉到的相關(guān)健美操數(shù)據(jù)編排出競技健美操的高難度動作[3]。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)確定運動員具體位置，以此為基礎(chǔ)規(guī)劃具體動作，實現(xiàn)競技健美操的完美編排。根據(jù)該原理設(shè)計競技健美操編排記錄系統(tǒng)。

1.1 硬件設(shè)計

運動員在交互空間上通過傳感器設(shè)備和VR引擎構(gòu)建虛擬環(huán)境，通過傳感器的處理，競技原始數(shù)據(jù)能夠產(chǎn)生具有融合屬性的信息，通過解釋器轉(zhuǎn)化為行為信息，將此信息記錄輸入到虛擬環(huán)境中，運動員通過主機完成交互行為，硬件部分總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

1.1.1 傳感器處理模塊

傳感器處理模塊主要由在傳感器中添加的數(shù)據(jù)處理裝置構(gòu)成，具體設(shè)計如圖3所示。

由圖3可知，P1為經(jīng)過處理后獲取的融合數(shù)據(jù)信息1，2，3，4；左側(cè)部分為數(shù)據(jù)在傳感器上被處理的過程，原始數(shù)據(jù)1，2，3，4，5，6經(jīng)過處理器進行處理與轉(zhuǎn)換，形成具有融合屬性的信息。當通過指示燈時，如果指示燈亮起，說明該信息為融合信息；如果指示燈不亮，則該信息被淘汰，不具有融合屬性。

1.1.2 解釋器接口電路模塊

根據(jù)上述傳感器處理模塊可獲取融合信息，利用解釋器將融合信息轉(zhuǎn)化為行為信息[4]。該模塊的設(shè)計既包含加速度計，又包含信息解釋器，其中加速度計主要負責模擬融合信息，解釋器主要負責將融合信息轉(zhuǎn)化為行為信息。在該模塊中，通常使用力平衡式加速度計記錄競技健美操運動行為信息[5]。由于傳統(tǒng)系統(tǒng)模擬的融合信息是將信息信號轉(zhuǎn)化為行為信號，無法將信號直接傳輸?shù)街鳈C中，為此在硬件結(jié)構(gòu)中設(shè)計解釋器進行轉(zhuǎn)換。解釋器應(yīng)用的通道接口電路設(shè)計如圖4所示。

由圖4可知解釋器接口電路連接的方式，將該電路作為整個硬件結(jié)構(gòu)的中心電路，方便數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計利用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬環(huán)境，在傳感器處理模塊中添加數(shù)據(jù)處理裝置，并判斷信息是否具有融合屬性，將具有融合屬性的信息傳遞給解釋器。通過接口電路設(shè)計，將解釋器中的融合信息轉(zhuǎn)化為行為信息，并使用力平衡式加速度計進行記錄，由此完成系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

VR技術(shù)環(huán)境開發(fā)平臺使用無線開發(fā)工具包，該工具包面向的對象是具有工業(yè)強度開發(fā)和C++構(gòu)建的虛擬現(xiàn)實專業(yè)應(yīng)用程序[6]。

1.2.1 編排記錄流程設(shè)計

針對系統(tǒng)軟件部分的編排記錄流程設(shè)計如圖5所示。

競技健美操動作較為復(fù)雜，需通過VR技術(shù)實現(xiàn)高難度動作的編排。由圖5可知，根據(jù)運動參數(shù)設(shè)計健美操排列隊形，以該隊形為基礎(chǔ)對運動進行控制，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬實際環(huán)境，完成健美操動作的編排，將編排結(jié)果記錄到系統(tǒng)中，通過系統(tǒng)界面展示編排結(jié)果[7]。

1.2.2 基于VR競技健美操編排算法

根據(jù)上述編排記錄流程構(gòu)建出健美操運動員在編排過程中的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型仿真出運動員動作[8]。使用齊次變換矩陣法描述運動員在運動過程中的肢體動作，通過VR技術(shù)確定不同坐標系中運動員的位置，具體步驟如下：

1） 設(shè)空間坐標系為[（X，Y，Z）]，先構(gòu)建運動員肢體A受到關(guān)節(jié)B的支撐坐標系，構(gòu)建結(jié)果為[（XA，YA，ZA）。]

2） 設(shè)在空間坐標中關(guān)節(jié)B的旋轉(zhuǎn)角度分別為[a，b，c]。

3） 旋轉(zhuǎn)矩陣，獲取運動員肢體A在受到關(guān)節(jié)B支撐的齊次變換矩陣，設(shè)運動角速度為[V1，]線速度為[V2，]具體計算過程如下：

[BAZ=BAV1BAV201Z11Z12Z130Z21Z22Z230Z31Z32Z3300001] （1）

通過式（1）可獲得運動員肢體運動軌跡。

利用VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計編排記錄系統(tǒng)軟件部分，使用該技術(shù)可確保系統(tǒng)界面質(zhì)量，并保證運動員通過圖像仿真分析確定標準的健美操動作。在系統(tǒng)軟件部分設(shè)計中，應(yīng)用VR技術(shù)能夠?qū)崟r反映競技健美操的視覺效果與動作難度，提升系統(tǒng)展示界面的真實度[9]。

1.2.3 編排動作關(guān)聯(lián)約束

銜接兩個高難度競技健美操動作需要編排者自己創(chuàng)造出各個關(guān)節(jié)組合的新舞蹈單元，確定前一個動作單元終止動作是否給下一個動作單元造成影響，兩者之間良好的關(guān)聯(lián)性是決定競技健美操動作完美完成的重要環(huán)節(jié)[10]。

通常在競技健美操中不可能出現(xiàn)在挺胸的同時完成跳躍的動作，每個關(guān)節(jié)之間的動作都具有關(guān)聯(lián)約束屬性。具體約束條件如表1所示。

如果前一個舞蹈動作是俯身+伸手叉腰+雙腳固定，那么根據(jù)關(guān)聯(lián)約束，下一個舞蹈動作需繼續(xù)保持俯身動作的話，就不能出現(xiàn)抬頭+伸手叉腰+雙腳固定的動作[11]。

系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計是根據(jù)編排記錄流程構(gòu)建出健美操運動員在編排過程中的數(shù)學(xué)模型，使用齊次變換矩陣法描述運動員在運動過程中的肢體動作，并利用VR技術(shù)確定具體位置。設(shè)立約束條件，保證系統(tǒng)動作編排與記錄的合理性，由此完成軟件部分的設(shè)計。

2 實 驗

為了驗證基于VR技術(shù)的競技健美操編排記錄系統(tǒng)設(shè)計的合理性，進行了如下實驗。在VR仿真數(shù)據(jù)庫中選取若干個競技健美操的動作，根據(jù)運動員的運動能力和訓(xùn)練強度兩個方面，編排者設(shè)想競技動作，進而編排出具有專業(yè)水平的復(fù)雜健美操動作，通過VR技術(shù)模擬實際環(huán)境。通過實驗驗證系統(tǒng)，結(jié)合硬件與軟件特征，判斷其設(shè)計的有效性，實現(xiàn)競技健美操的有效編排與記錄。

2.1 系統(tǒng)硬件驗證

系統(tǒng)硬件部分主要對傳感器和解釋器進行設(shè)計，在傳感器處理模塊中添加數(shù)據(jù)處理裝置，判斷信息是否具有融合屬性，將具有融合屬性的信息傳遞給解釋器。將所有硬件安裝完成之后，對該部分進行實驗驗證，檢查硬件在信號干擾條件下，編排與記錄結(jié)果的準確性是否受到了影響。為了提高實驗的可靠性，將傳統(tǒng)系統(tǒng)與基于VR技術(shù)的競技健美操編排記錄系統(tǒng)進行對比，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，當兩個系統(tǒng)沒有受到信號干擾影響時，編排記錄準確度可達到100%，但是隨著干擾信號強度的增加，傳統(tǒng)系統(tǒng)編排記錄準確度下降，為80%，而采用VR技術(shù)的系統(tǒng)編排記錄準確度也下降到了83%；當信號強度為400 Hz時，傳統(tǒng)系統(tǒng)編排記錄準確度達到了最低值為43%，采用VR技術(shù)的系統(tǒng)編排記錄準確度雖有小幅度下降，但始終維持在80%左右。由此可知，采用VR技術(shù)的系統(tǒng)在信號干擾情況下仍然能夠進行有效編排與記錄。

2.2 系統(tǒng)軟件驗證

系統(tǒng)軟件部分主要利用齊次變換矩陣法來描述運動員在運動過程中的肢體動作，設(shè)立約束條件，保證系統(tǒng)動作編排與記錄的合理性。為了驗證該部分的可靠性，分別對健美操編排算法和編排動作關(guān)聯(lián)約束進行實驗驗證分析，具體內(nèi)容如下。

2.2.1 編排算法驗證

基于VR技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計編排算法是為了確定不同坐標系中運動員的位置，實時反映競技健美操的視覺效果與動作難度，提升系統(tǒng)展示界面的真實度。而傳統(tǒng)系統(tǒng)缺少這一步驟的設(shè)計，為了驗證編排算法設(shè)計，使系統(tǒng)編排記錄結(jié)果更加準確，將傳統(tǒng)系統(tǒng)與基于VR技術(shù)的系統(tǒng)進行對比，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，當程序編譯時間為10 s時，傳統(tǒng)系統(tǒng)的準確度高于基于VR技術(shù)的系統(tǒng)準確度。但是隨著編譯時間的增加，基于VR技術(shù)的系統(tǒng)呈折線形式上下波動，顯示結(jié)果較為準確，而傳統(tǒng)系統(tǒng)呈曲線形式上下波動，顯示結(jié)果較為模糊。由此可知，有編排算法的VR系統(tǒng)編排記錄結(jié)果較好。

2.2.2 編排動作關(guān)聯(lián)約束驗證

編排動作關(guān)聯(lián)約束條件的設(shè)立是為了保證前一個動作單元終止動作與下一個動作單元之間的連貫性，也是決定競技健美操動作完美完成的重要環(huán)節(jié)。而傳統(tǒng)系統(tǒng)缺少約束條件，為了驗證編排動作關(guān)聯(lián)約束設(shè)計，使系統(tǒng)編排記錄結(jié)果更加準確，將傳統(tǒng)系統(tǒng)與基于VR技術(shù)的系統(tǒng)進行對比，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，灰色部分為基本動作與難度系數(shù)較低動作的集合，白色部分是除了上述動作之外的高難度競技動作。采用傳統(tǒng)系統(tǒng)只能完成灰色區(qū)域的動作，而采用VR技術(shù)的系統(tǒng)可完成高難度競技動作。由此可知，設(shè)立約束條件可使系統(tǒng)編排記錄結(jié)果更加準確。

2.3 實驗結(jié)論

根據(jù)上述實驗結(jié)果，可得到如下結(jié)論：

1） 針對系統(tǒng)硬件部分的驗證結(jié)果可知，傳統(tǒng)系統(tǒng)編排記錄準確度持續(xù)下降，當信號強度為400 Hz時，達到了最小值43%，而采用VR技術(shù)的系統(tǒng)編排記錄準確度雖有小幅度下降，但始終維持在80%左右。因此，采用VR技術(shù)的系統(tǒng)在信號干擾情況下仍然能夠進行有效編排與記錄。

2） 針對系統(tǒng)軟件部分的驗證結(jié)果可知，有編排算法和設(shè)立約束條件的VR技術(shù)系統(tǒng)編排記錄結(jié)果更加準確。

綜上所述，基于VR技術(shù)的競技健美操編排記錄系統(tǒng)設(shè)計具有合理性。

3 結(jié) 語

在競技健美操系統(tǒng)設(shè)計中，利用VR技術(shù)具有合理性，不但為我國健美操運動帶來新的動力，還為實現(xiàn)我國健美操事業(yè)的發(fā)展提供了技術(shù)支持。通過實驗結(jié)果可知，該系統(tǒng)編排記錄準確度比傳統(tǒng)系統(tǒng)高，有助于實現(xiàn)我國體育事業(yè)的智能化發(fā)展。

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