基于虛擬現實技術的體能訓練動作模擬系統設計

蘇奕 張瑤

摘? 要： 為解決傳統體能訓練動作模擬系統存在體能訓練動作還原度較低的問題，設計一種基于虛擬現實技術的體能訓練動作模擬系統。系統硬件中的主控制器，主要對體能訓練動作模擬系統中的訓練數據輸出與采集，并設計處理器，以協調系統中各個節點等工作;然后，設計USB接口和以太網，滿足體能訓練動作模擬系統的通信需求;最后，利用虛擬現實技術模擬體能訓練動作以及訓練場景，并建立數據庫。以此，完成基于虛擬現實技術的體能訓練動作模擬系統設計。實驗結果表明，文中設計的體能訓練動作模擬系統的體能訓練動作還原度較好，具有一定的實際應用意義。

關鍵詞： 體能訓練; 動作模擬; 系統設計; 虛擬現實技術; 場景模擬; 還原度對比

Abstract： A physical training motion simulation system based on virtual reality technology is designed to improve the low reduction degree of physical training action existing in the traditional physical training motion simulation system. The main controller in the system hardware is mainly used to output and collect the training data in the physical training motion simulation system， and a processor is designed to coordinate the work of each node in the system. The USB interface and Ethernet are designed to meet the communication requirements of the physical training motion simulation system. The virtual reality technology is used to simulate the physical training motion and training scene， and the database is established， so as to complete the physical training motion simulation system based on virtual reality technology. The experimental results show that the designed physical training motion simulation system has preferable physical training motion reduction degree. It has a certain practical application significance.

Keywords： physical training; motion simulation; system design; virtual reality technology; scene simulation; reduction degree comparison

0? 引? 言

隨著社會的發展，人們更加注重體能的訓練，軍事、體育和醫學等領域都相應地建立起體能訓練動作模擬系統[1]。然而當前的體能訓練動作模擬系統缺乏真實場景的體驗，模擬的動作還原度較差，學生在使用傳統系統學習后學習效果較差。基于上述問題的存在，本文設計一種基于虛擬現實技術的體能訓練動作模擬系統。

在體能訓練動作模擬系統中應用虛擬現實技術能夠為訓練者提供與現實生活相關的虛擬環境，同時在訓練過程中接收視覺和聽覺等信息反饋，以提高人們的體能訓練效果。

此次設計的系統硬件部分主要包括主控制器、處理器、USB和以太網接口。為系統提供體能訓練動作，模擬系統中的訓練數據輸出與采集，協調系統中各個節點和通信功能。系統軟件部分利用虛擬現實技術模擬體能訓練動作以及訓練場景，并建立體能訓練動作數據庫。實驗結果表明，此次設計的基于虛擬現實技術的體能訓練動作模擬系統比傳統系統的體能訓練動作還原度好，具有一定的實際應用意義。

1? 體能訓練動作模擬系統硬件設計

1.1? 主控制器設計

采用STM32控制器[2]，該控制器具有高性能、低成本、低功耗的優勢。STM32控制器中STM32F103系列產品外設豐富，最高頻率可達72 MHz，片上集成32～512 KB的FLASH處理器，6～64 KB的SRAM存儲器，內嵌2個12位的數字轉換器，每個轉換器多達16個外部通道，能夠滿足體能訓練動作模擬系統中訓練數據輸出與采集需求[3]。

調試模式為串行調試和JTAG接口，高達112個快速I/O端口。所有端口都能夠映射到16個外部中斷向量。同時具有11個定時器、4個定位器，每個定時器有4個IC/IO/PWM或者脈沖計數器，兩個看門狗定時器，采用ECOPACK封裝形式。

1.2? 處理器設計

該處理器為體能訓練動作模擬系統的核心模塊，主要協調系統中各個節點的工作。采用三星公司基于ARM9內核處理器SC2410作為系統的核心處理器，該處理器內的指令是獨立的，其大小為16 KB，支持TFI的LCD控制器，包含3路UART接口、4路DMA通道、實時時鐘單元RTC，8路10位ADC通道[4]。

1.3? USB接口和以太網設計

SC2410片內集成USB主機接口和USB主從復用接口，主從復用接口通過跳帽進行選擇，其中一個接口作為主機接口，另一個用來連接U盤等存儲設備，以提高系統的存儲容量。USB接口電路如圖1所示。

以太網采用通信協議標準，由于SC2410內部不具有以太網控制模塊，因此選擇控制芯片，以實現系統的通信功能。本文選擇CC2420芯片，該芯片采用IEEE 802.15.4協議，包括MAC層和物理層的相關協議，該芯片具有4線SPI接口，滿足系統的通信需求[5]。

2? 體能訓練動作模擬系統軟件設計

在模擬系統硬件設計的基礎上，設計軟件。體能訓練動作模擬流程如圖2所示。

首先，建立人體運動數學模型。采用虛擬現實技術對人體動作進行設計，需要滿足運動符合相關的力學要求，采用齊次變換矩陣的方式對人體運動情況描述[6]。具體流程如下：構建基于虛擬現實技術的人體動作空間坐標系，假設人體體能訓練動作中肢體[A]在空間坐標系[x，y，z]中的坐標為[xA，yA，zA]，若該關節圍繞中心點[A]在空間中的旋轉角度分別為[α]，[β]，[δ]，通過旋轉矩陣變化得到人體運動的肢體動作[B]在坐標系[A]中的齊次方陣。則關節[B]在世界坐標系中的齊次變換矩陣為：

式中：[F]代表體能訓練動作;[i=1sa]代表體能訓練動作的肢體信息;[f]代表關節在世界坐標系中的線速度。

通過上述過程，描述基于虛擬現實技術的人體運動軌跡，在此基礎上，采用虛擬現實技術中的立體顯示技術，模擬體能訓練場景。為使體能訓練動作更加真實，需要得到符合三維特征的虛擬立體圖像樹[7]，由于基于虛擬現實技術的體能訓練場景中圖像相關性強，因此通過該特征完成立體片快速算法[8]。假設體能訓練動作場景左右片對中[Kx，y，z]成像是[Px1，y1，z1]，則視差為：

式中：[D]代表實際場景與虛擬場景的視差;[x1]，[y1]分別代表場景相對的坐標點;[N]，[F]分別代表場景變換向量;[Z]代表左右焦點間距。

在上述動作模擬與虛擬訓練場景建立的基礎上，建立體能訓練動作數據庫[9]，將體能訓練動作數據與場景數據存儲到數據庫中。由于使用虛擬現實技術設計的體能訓練動作，場景與系統格式存在一定的差異性，在使用該系統時，影響系統響應速度。因此在不破壞數據的情況下，對數據壓縮處理[10?11]，計算公式如下：

式中：[J]代表體能訓練動作模擬系統的響應時間;[Ax]代表系統內的數據格式;[gt]為數據壓縮因子;[a]為體能訓練動作數據。

通過上述過程完成數據的壓縮。在實際使用時，根據不同的使用需求，對體能訓練動作模擬系統進行操作，以此完成基于虛擬現實技術的體能訓練動作模擬系統的設計。

3? 實驗對比

此次實驗的目的是驗證上述設計的基于虛擬現實技術的體能訓練動作模擬系統的有效性。為使實驗結果更具說明性，將傳統的體能訓練動作模擬系統與此次設計的系統做對比，對比兩種體能訓練動作模擬的還原度。

3.1? 實驗準備

以某高校為實驗對象，將傳統系統與此次設計系統分別應用于某班體育學生的基本體能訓練動作中，主要的模擬體能訓練動作如表1所示。

分別使用兩種系統模擬上述體能訓練動作，由于體能訓練動作較多，需要搭建測試平臺，以準確記錄實驗數據。為降低節點能耗和節約成本，同時滿足實驗需求，使用少量傳感器節點充當路由器，以完成傳感器數據采集和路由其他節點數據到實驗平臺的功能。具體實驗平臺結構圖如圖3所示。

實驗中傳感器節點通過串口與測試主機相連接，目的是使上位機軟件監視整個實驗過程。

3.2? 實驗結果分析

在上述實驗數據準備與實驗平臺搭建完成的基礎上，進行實驗。共進行7次實驗，對比兩個系統在7次體能訓練動作模擬的還原度，結果如圖4所示。

分析實驗對比結果可知，傳統的體能訓練動作模擬結果與期望的動作還原度相差較大，在7次實驗中，體能訓練動作的還原度均低于本文系統的動作還原度。而本文系統的體能訓練動作還原度與期望還原度相差小，證明本文系統能夠有效處理人體動作信息，模擬體能訓練動作準確度更高。

4? 結? 語

針對傳統體能訓練動作模擬系統動作還原度較差的問題，設計一種基于虛擬現實技術的體能訓練動作模擬系統。實驗結果表明，此次設計的基于虛擬現實技術的體能訓練動作模擬系統比傳統系統動作模擬的還原度好，具有一定的實際應用意義。希望此次設計的系統能夠為體能訓練動作模擬上提供一定的幫助，以提高體能訓練效果。

參考文獻

[1] 劉昊揚.基于人工智能的運動教練系統分析與展望[J].北京體育大學學報，2018，41（4）：55?60.

[2] 夏振平，胡伏原，程成，等.基于視覺空間定向理論的虛擬現實空間重構[J].液晶與顯示，2019，34（2）：215?219.

[3] 李龍飛，曹飛帆，張鑫，等.腦控主被動協同刺激下肢康復訓練系統研究與開發[J].西安交通大學學報（醫學版），2019，40（1）：130?133.

[4] 曾珍珍，蔡盛騰，呂明琪.基于3D運動軌跡解析與隱馬爾可夫模型的動作識別算法[J].光學技術，2018，44（6）：747?756.

[5] 錢銀中，沈一帆.姿態特征與深度特征在圖像動作識別中的混合應用[J].自動化學報，2019，45（3）：626?636.

[6] 周彤彤，劉更謙，李浩源，等.基于Kinect的雙臂機器人動作模擬與軌跡規劃[J].科學技術與工程，2017，17（7）：58?62.

[7] 肖玲，潘浩.基于WiFi信號的人體動作識別系統[J].北京郵電大學學報，2018，41（3）：119?124.

[8] 王昊鵬，馮顯英，張明亮.人體下肢應激微反應自動識別[J].光學精密工程，2017，25（11）：2947?2957.

[9] 陸付祥.基于特征提取的健美操分解動作圖像自適應識別方法[J].科學技術與工程，2019，19（7）：148?153.

[10] 任春明.傾斜指勢動作識別設計方法[J].電子測量與儀器學報，2018，32（5）：168?175.

[11] 彭修全，任鴻翔，于建偉.船用遙控式抓斗的仿真訓練系統[J].大連海事大學學報，2019，45（1）：33?39.