基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的競(jìng)技體育仿真應(yīng)用開發(fā)研究

郝慶威，郝婉全

(1.沈陽體育學(xué)院 體育教育學(xué)院，遼寧 沈陽 110102；2.南加州大學(xué) 安娜伯格傳媒學(xué)院，美國(guó) 洛杉磯 CA90089)

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality，VR)作為互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下高科技產(chǎn)物代表，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過編程的方式對(duì)人類的感覺進(jìn)行模擬的，并將其實(shí)時(shí)呈現(xiàn)出來的虛擬世界就是虛擬環(huán)境[1]。VR是典型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)建虛擬世界并讓人們進(jìn)行體驗(yàn)。該技術(shù)集成了軟件技術(shù)和硬件技術(shù)，讓虛擬世界與體驗(yàn)者能夠充分的融合在一起，大大提升虛擬世界的真實(shí)性，體驗(yàn)者更是能從其中感受到真實(shí)世界當(dāng)中無法感受到的體驗(yàn)，打破時(shí)間和空間的限制[2]。VR技術(shù)的不斷更新，很多行業(yè)紛紛開始涉足該領(lǐng)域，并將其作為現(xiàn)代化進(jìn)程的跳板[3]。虛擬系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的輸出形式多種多樣，且能夠?qū)芏噍斎朐O(shè)備進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)、實(shí)時(shí)交互的目的[4-6]。目前社會(huì)多個(gè)領(lǐng)域都開始使用VR技術(shù)，包括教育醫(yī)學(xué)、軍事網(wǎng)絡(luò)以及智能機(jī)器人等[7-9]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種綜合性學(xué)科，涉及到包括傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及圖像圖形處理技術(shù)等各種現(xiàn)代化手段[10]。近年來商業(yè)化進(jìn)程的不斷加深，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)競(jìng)技體育仿真應(yīng)用開發(fā)進(jìn)行了研究。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及需求分析

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

“科技改變生活”——VR是一種現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為虛擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)環(huán)境的創(chuàng)建有極大幫助，體驗(yàn)者也能夠感受到突破時(shí)間、空間限制的虛擬體驗(yàn)，且逼真效果非常強(qiáng)烈，不論是動(dòng)作、聲音還是作用力等都與真實(shí)世界一般無二。VR技術(shù)的應(yīng)用，除了可以將真實(shí)的現(xiàn)實(shí)世界再現(xiàn)出來，同時(shí)還能讓真實(shí)世界與人們所構(gòu)想出來的世界進(jìn)行交互，提高虛擬環(huán)境的逼真性。實(shí)際方針模擬VR是借助列傳感器集成設(shè)備處理傳感器數(shù)據(jù)，基于融合信息的基礎(chǔ)上構(gòu)建VR虛擬環(huán)境，最終實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界和虛擬空間的相互交互，發(fā)揮其最大的價(jià)值。圖1為多感知的VR交互模型。

圖1 VR交互模型

2.2 需求分析

在VR技術(shù)競(jìng)技體育仿真系統(tǒng)當(dāng)中，能夠?qū)Ω?jìng)技體育訓(xùn)練展開科學(xué)化和準(zhǔn)確性的管理，盡可能保障訓(xùn)練過程中我國(guó)運(yùn)動(dòng)員的健康安全，避免發(fā)生不必要的受傷損害，在這個(gè)過程中VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)揮了巨大的功效，通過仿真訓(xùn)練的方式增強(qiáng)體育運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技水平，同時(shí)結(jié)合實(shí)體訓(xùn)練增強(qiáng)其綜合實(shí)力。體育仿真系統(tǒng)充分發(fā)揮了VR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)體育項(xiàng)目進(jìn)行模仿，體育教練在這個(gè)過程中可以獲得充足的仿真數(shù)據(jù)，從而針對(duì)每一個(gè)運(yùn)動(dòng)員制定最佳的訓(xùn)練模式和方案，得到最好的訓(xùn)練效果。同時(shí)通過該系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)員能夠更加清楚自身的錯(cuò)誤動(dòng)作以及有待加強(qiáng)的地方，不斷優(yōu)化他們的動(dòng)作使其符合標(biāo)準(zhǔn)。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)成

虛擬現(xiàn)實(shí)當(dāng)中所涉及的學(xué)科包括傳感技術(shù)、圖像處理與模式識(shí)別、智能技術(shù)以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等，將其進(jìn)行綜合可以讓體驗(yàn)者感受到非常強(qiáng)烈的視覺效果，逼真性大大增強(qiáng)，營(yíng)造出與環(huán)境交互體驗(yàn)的虛擬世界。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)仿真技術(shù)的不同之處在于，前者可以讓體驗(yàn)者感知到外界環(huán)境的變化，即實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)幫助外界世界刺激體驗(yàn)者的功能。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本構(gòu)成結(jié)構(gòu)為圖2所示。從圖1我們可以看出，虛擬現(xiàn)實(shí)的構(gòu)成模塊包括建模模塊、傳感器模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊以及反饋模塊等。

(1)建模模塊：對(duì)現(xiàn)實(shí)世界當(dāng)中的三維表示進(jìn)行獲取，并通過建模技術(shù)構(gòu)建與三維圖形相匹配的虛擬環(huán)境；(2)傳感器模塊：在虛擬環(huán)境中接受用戶操作命令，并對(duì)其進(jìn)行反饋傳達(dá)給用戶；(3)控制模塊：主要承擔(dān)控制傳感器的責(zé)任；(4)檢測(cè)模塊：檢測(cè)用戶發(fā)出的操作命令，并在虛擬環(huán)境中將其應(yīng)用起來；(5)反饋模塊：及時(shí)將信息反饋給用戶。

圖2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本構(gòu)成圖

4 基于VR體育仿真系統(tǒng)

VR體育仿真系統(tǒng)是通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，仿真訓(xùn)練競(jìng)技體育項(xiàng)目。教練和運(yùn)動(dòng)員通過該高科技含量的訓(xùn)練模式，能夠不斷創(chuàng)新訓(xùn)練手段，得到最好的訓(xùn)練效果，并確保運(yùn)動(dòng)員的身體健康。此外，系統(tǒng)仿真的應(yīng)用范圍可以不斷擴(kuò)大，提高虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷加快。所以，在體育競(jìng)技訓(xùn)練過程中使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的市場(chǎng)潛力巨大，且應(yīng)用前景非常樂觀。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)包括：輸出形式多元化、可以處理多種輸入設(shè)備、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜行為建模、實(shí)時(shí)交互以及碰撞檢測(cè)等功能。在競(jìng)技體育的訓(xùn)練當(dāng)中，教練員和遠(yuǎn)動(dòng)員通過虛擬現(xiàn)實(shí)技能能夠開展有效的仿真訓(xùn)練，并展開各項(xiàng)交互過程。運(yùn)動(dòng)員在VR體育仿真系統(tǒng)的幫助下將不斷增強(qiáng)其科學(xué)訓(xùn)練水平和綜合實(shí)力。運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)與VR技術(shù)的充分結(jié)合，可以劃分為3個(gè)小的子系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

此次對(duì)VR競(jìng)技體育仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)際上包括各個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中所有競(jìng)技體育的系列動(dòng)作。除了隊(duì)形設(shè)計(jì)、圖案設(shè)計(jì)以外，還涉及到行為動(dòng)作生成系統(tǒng)，能夠迅速掌識(shí)別體操相關(guān)數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行收集整理，從而對(duì)競(jìng)技體育的動(dòng)作進(jìn)行創(chuàng)新編排。最后，就是仿真競(jìng)技體育動(dòng)作以及圖案變化的系統(tǒng)，該部分主要就是能夠定位運(yùn)動(dòng)員所處的虛擬仿真環(huán)境具體位置，并按照一定的路徑開展動(dòng)作控制過程。

5 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

5.1 VR感知交互模型

本次設(shè)計(jì)的競(jìng)技體育仿真系統(tǒng)，可以對(duì)競(jìng)技體育比賽當(dāng)中的場(chǎng)景進(jìn)行模擬，并對(duì)其中涉及到的競(jìng)技體育動(dòng)作和數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，從而判斷體育運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作是否標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)其缺陷進(jìn)行針對(duì)性的提升和完善。所以，競(jìng)技體育仿真系統(tǒng)和VR技術(shù)的相互融合，需要滿足數(shù)據(jù)的輸出和輸入功能，并要確保在VR技術(shù)的基礎(chǔ)上盡可能對(duì)體育運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技體育動(dòng)作進(jìn)行仿真模擬，隨時(shí)體驗(yàn)最真實(shí)、最可靠的競(jìng)技體育仿真環(huán)境。系統(tǒng)功能交互結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 VR感知交互模型

5.2 基于VR在競(jìng)技體育系統(tǒng)仿真的功能

虛擬環(huán)境產(chǎn)生器、輸入系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)是構(gòu)成VR體育仿真系統(tǒng)的三個(gè)結(jié)構(gòu)，具體內(nèi)容如圖5所示。其中用戶系統(tǒng)、高性能計(jì)算機(jī)、仿真管理器以及三維模型數(shù)據(jù)庫等共同構(gòu)成虛擬環(huán)境產(chǎn)生器；效果產(chǎn)生器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器共同構(gòu)成輸出系統(tǒng)；轉(zhuǎn)換器、手套輸入轉(zhuǎn)換、位置方向跟蹤器以及數(shù)據(jù)手套等則共同構(gòu)成輸入系統(tǒng)。以此為背景，用戶對(duì)環(huán)境的感受則更加逼真，實(shí)現(xiàn)自身感受與虛擬環(huán)境之間的自然交互過程，有身臨其境之感。

圖5 基于VR的競(jìng)技體育仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5.2.1 構(gòu)建訓(xùn)練場(chǎng)景和器材

嚴(yán)格按照運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的特征性設(shè)計(jì)虛擬的訓(xùn)練場(chǎng)景，例如風(fēng)速、天氣、浪高等因素對(duì)帆船帆板項(xiàng)目的影響較大，因此需要在虛擬場(chǎng)景當(dāng)中進(jìn)行合理的設(shè)定。該系統(tǒng)當(dāng)中包含多個(gè)傳感器，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，并在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上形成三維視景，完成虛擬環(huán)境的構(gòu)建，從而在任何訓(xùn)練條件下均可以實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練的目的。同時(shí)運(yùn)動(dòng)員還可以通過學(xué)習(xí)觀看虛擬體育競(jìng)技當(dāng)中的數(shù)據(jù)和動(dòng)作，對(duì)自身不標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)作進(jìn)行調(diào)整，在滿足日常訓(xùn)練的同時(shí)，還可以作為賽前調(diào)整期，將其最高水平充分展現(xiàn)在競(jìng)技項(xiàng)目中。

5.2.2 捕獲運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)

運(yùn)動(dòng)員的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以通過傳感器跟蹤設(shè)備得到準(zhǔn)確的記錄，同時(shí)在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫當(dāng)中將其展現(xiàn)出來。能夠準(zhǔn)確抓取運(yùn)動(dòng)員的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是該方法的最大優(yōu)勢(shì)，且運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作可以被模擬環(huán)境極盡逼真的復(fù)制出來，在此基礎(chǔ)上對(duì)動(dòng)作或數(shù)據(jù)進(jìn)行重新修改和設(shè)計(jì)，將理想中的動(dòng)作轉(zhuǎn)化到現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，確保訓(xùn)練過程的科學(xué)性和真實(shí)性。

5.2.3 采集生理生化和心理數(shù)據(jù)

運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技狀態(tài)可以通過三個(gè)指標(biāo)來表現(xiàn)：生理指標(biāo)、生化指標(biāo)以及生理指標(biāo)。不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目需要設(shè)置不同的傳感器或智能化儀器，從而及時(shí)采集相應(yīng)的指標(biāo)和理化數(shù)據(jù)。生理指標(biāo)主要包括各器官和系統(tǒng)技能的指標(biāo)、以及人體新陳代謝指標(biāo)等。教練員將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，最終編排出創(chuàng)新性、科學(xué)性的動(dòng)作，并將其與自身理想中的動(dòng)作相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的編排和訓(xùn)練方案。

5.2.4 重演和展現(xiàn)動(dòng)作

在體育仿真系統(tǒng)當(dāng)中，動(dòng)作重現(xiàn)是非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，然而傳統(tǒng)攝像手段很難將其全部落實(shí)，例如在帆船帆板項(xiàng)目的訓(xùn)練過程中，想要將動(dòng)作完全重現(xiàn)幾乎難以實(shí)現(xiàn)，而體育仿真系統(tǒng)在該方面的優(yōu)勢(shì)性較強(qiáng)。在競(jìng)技體育項(xiàng)目當(dāng)中，需要不斷的創(chuàng)新動(dòng)作，而體育仿真系統(tǒng)則能夠?qū)⑦\(yùn)動(dòng)員的動(dòng)員進(jìn)行完美重現(xiàn)，精確度極高，教練員和運(yùn)動(dòng)員在VR體育競(jìng)技仿真技術(shù)的幫助下，可以不斷進(jìn)行動(dòng)作的創(chuàng)新，增強(qiáng)其整體水平，直觀的感受到動(dòng)作技術(shù)要領(lǐng)，并保障運(yùn)動(dòng)員的健康安全。

5.2.5 分析訓(xùn)練效果

基于體育仿真系統(tǒng)在同一個(gè)屏幕當(dāng)中同時(shí)呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模擬動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練動(dòng)作，教練員和運(yùn)動(dòng)員共同對(duì)其進(jìn)行差異性分析，找出運(yùn)動(dòng)員的不足和缺陷，不斷提升其技術(shù)水平。量化分析運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作，并將分析結(jié)果以圖形的形式呈現(xiàn)出來。與此同時(shí)，要更深層次的對(duì)運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作和理想動(dòng)作展開分析，為其提供科學(xué)性、指導(dǎo)性的改進(jìn)意見。

5.2.6 進(jìn)行科學(xué)選材

我國(guó)具有天賦的運(yùn)動(dòng)員有很多，但往往并不能將其全部選拔出來，這是由于經(jīng)驗(yàn)選撥機(jī)制的滯后性所決定的，因此后備人才儲(chǔ)備急需增強(qiáng)。如果將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在某些項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)員選拔測(cè)試當(dāng)中，并結(jié)合多元化數(shù)據(jù)構(gòu)建理想的運(yùn)動(dòng)員模型，并將其作為項(xiàng)目選材當(dāng)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)和選拔依據(jù)。全面從而是所有參加選拔的少年、兒童，并在計(jì)算機(jī)當(dāng)中對(duì)測(cè)試資料進(jìn)行匯總，將其與虛擬模型運(yùn)動(dòng)員的指標(biāo)展開比對(duì)分析，從而篩選出最具有可塑性和運(yùn)動(dòng)員以及最合適的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，將有潛力的運(yùn)動(dòng)員充分的挖掘出來。

6 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)代碼及測(cè)試

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

將VR技術(shù)應(yīng)用在競(jìng)技體育方針系統(tǒng)當(dāng)中對(duì)軟件部分進(jìn)行優(yōu)化。Open GL與VR技術(shù)的充分融合，所構(gòu)建出的三維圖形標(biāo)準(zhǔn)具有通用共享開放式的特征，為系統(tǒng)界面質(zhì)量的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)，并將硬件與軟件圖形數(shù)據(jù)之間的接口進(jìn)行優(yōu)化，提高系統(tǒng)圖像圖形的質(zhì)量，盡可能發(fā)揮圖像仿真體育動(dòng)作的分析功能。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件的過程中，要在VR技術(shù)EON的基礎(chǔ)上，結(jié)合真實(shí)人體動(dòng)作和競(jìng)技體育視覺效果，不斷增強(qiáng)畫面的逼真性。下面是具體的代碼流程操作：

Class CAboutDlg ： public CDialog

{

Public ：

CAboutDlg(CWnd* pParent=NULL)；

{{AFX_DATA(CAboutDlg)

enum {IDD=IDD_ABOUT_DIALOG}；

}}AFX_DATA

Protected ：

Virtual void DoDataExchange

(Cdata Exchange* pDX)；

}

} AFX_VIRTUAL

Protected ：

virtual BOOL OnInitDialog()；

DECLARE_MESSAGE_MAP()

}.

6.2 系統(tǒng)的驗(yàn)證測(cè)試

將競(jìng)技體育仿真系統(tǒng)與VR技術(shù)充分融合，構(gòu)建包含豐富競(jìng)技體育動(dòng)作的競(jìng)技體育動(dòng)作VR仿真數(shù)據(jù)庫，教練員能夠根據(jù)自身的設(shè)想結(jié)合運(yùn)動(dòng)員的實(shí)際情況，從該數(shù)據(jù)庫當(dāng)中篩選并編排復(fù)雜的競(jìng)技體育運(yùn)動(dòng)，基于VR技術(shù)展開對(duì)運(yùn)動(dòng)員的模擬仿真訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)最佳的訓(xùn)練效果。

7 應(yīng)用效益分析

現(xiàn)階段在訓(xùn)練體育健美操項(xiàng)目時(shí)，所使用的虛擬場(chǎng)景依舊是二維的，運(yùn)動(dòng)員很難感受到真實(shí)的訓(xùn)練效果，因此其訓(xùn)練積極性也將大打折扣。對(duì)基于VR技術(shù)開發(fā)的競(jìng)技體育虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和廣泛的應(yīng)用，將其價(jià)值充分展現(xiàn)在項(xiàng)目訓(xùn)練過程中，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)員的真實(shí)感受，得到最佳的訓(xùn)練效果。在人體幾何建模手段的基礎(chǔ)上，構(gòu)建運(yùn)動(dòng)員的基本骨骼框架，并在運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的主導(dǎo)下采集健美操運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，不斷深入分析，在現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)的幫助下開展仿真模擬操作，確保運(yùn)動(dòng)員在模擬場(chǎng)景中有良好的適應(yīng)性，進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)和應(yīng)用效益。

8 結(jié)語

競(jìng)技體育仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的充分融合，將大大促進(jìn)我國(guó)運(yùn)動(dòng)員的整體運(yùn)動(dòng)競(jìng)技水平，并在不斷優(yōu)化訓(xùn)練效果的同時(shí)確保運(yùn)動(dòng)員的健康安全。綜合上述分析內(nèi)容，在未來的競(jìng)技體育發(fā)展過程中，基于VR的競(jìng)技體育仿真技術(shù)具有非常大應(yīng)用市場(chǎng)和發(fā)展前景。所以，要對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行及時(shí)跟蹤，并對(duì)其展開深入的分析從而促進(jìn)我國(guó)競(jìng)技體育的現(xiàn)代化發(fā)展水平。