基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的羽毛球仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

摘? 要：該系統(tǒng)利用3D Max建模、Unity3D引擎、VR和計(jì)算機(jī)仿真等現(xiàn)代信息技術(shù)，建構(gòu)逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)一體化的羽毛球運(yùn)動(dòng)三維虛擬場(chǎng)景，用戶(hù)以自然交互方式實(shí)現(xiàn)羽毛球運(yùn)動(dòng)，將體育教學(xué)內(nèi)容虛擬化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，使各種技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)等融入課程設(shè)計(jì)中，通過(guò)體感互動(dòng)數(shù)據(jù)的記錄，實(shí)現(xiàn)羽毛球正手擊高遠(yuǎn)球技術(shù)的訓(xùn)練和考核。為廣東東軟學(xué)院體育實(shí)踐教學(xué)提供輔助手段，深受學(xué)生們喜愛(ài)。

關(guān)鍵詞：Unity3D;虛擬現(xiàn)實(shí);羽毛球;仿真系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）09-0094-03

Design and Research of Badminton Simulation System

Based on Virtual Reality Technology

LI Jing

（School of Computer Science，Neusoft Institute Guangdong，F(xiàn)oshan? 528225，China）

Abstract：The system uses modern information technology such as 3D Max modeling，Unity3D engine，VR and computer simulation to construct a realistic 3D virtual scene of badminton sport which integrates visual，auditory and tactile skills. The user realizes badminton sport in a natural interactive way，virtualizes，modularizes and standardizes the sports teaching content，integrates various technologies and tactics into the course design，and integrates them into the physical interaction record the data to realize the training and examination of the forehand hitting technique of badminton. It provides the auxiliary means for the physical education practice teaching of Neusoft Institute Guangdong，which is deeply loved by the students.

Keywords：Unity3D;virtual reality;badminton;simulation system

0? 引? 言

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也逐漸應(yīng)用到教育行業(yè)，其中體育運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)及技術(shù)已取得很大的發(fā)展。體育仿真系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門(mén)綜合性技術(shù)[1]。羽毛球則是我國(guó)傳統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)項(xiàng)目，深受很大眾喜愛(ài)。在現(xiàn)實(shí)生活中，由于時(shí)間、空間的限制，很多人不能去室內(nèi)或者室外去打球。采用虛擬現(xiàn)實(shí)逼真的展示手段與羽毛球運(yùn)動(dòng)結(jié)合，用戶(hù)借助設(shè)備便可以不受時(shí)間、空間的制約，體驗(yàn)羽毛球運(yùn)動(dòng)。既可以滿足運(yùn)動(dòng)的需求，又可以放松身心起到娛樂(lè)作用。

“體育Ⅱ”課程是廣東東軟學(xué)院的一門(mén)公共必修課，2學(xué)分，共32學(xué)時(shí)，主要學(xué)習(xí)羽毛球比賽規(guī)則、正手發(fā)后場(chǎng)高遠(yuǎn)球技術(shù)、單雙打的技戰(zhàn)術(shù)等，是一項(xiàng)簡(jiǎn)單易學(xué)、較為普及的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，在學(xué)生運(yùn)動(dòng)中也占據(jù)著重要地位，并深受部分學(xué)生的歡迎。大學(xué)羽毛球教學(xué)不僅能夠提升學(xué)生的羽毛球運(yùn)動(dòng)水平，而且還有助于提升學(xué)生的身體素質(zhì)、智力水平、心理素質(zhì)等。隨著社會(huì)對(duì)高校人才培養(yǎng)質(zhì)量的要求不斷提升，針對(duì)大學(xué)羽毛球課程存在的室內(nèi)羽毛球場(chǎng)地不足、室外場(chǎng)地由于天氣等因素、大多數(shù)學(xué)生上體育課積極性不高等問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為羽毛球課程設(shè)計(jì)了一種羽毛球仿真系統(tǒng)，通過(guò)學(xué)生實(shí)際體驗(yàn)的方法驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

1? 方案設(shè)計(jì)

1.1? 總體研究思路

羽毛球仿真系統(tǒng)根據(jù)“羽毛球”課程教學(xué)大綱、教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，將體育教學(xué)內(nèi)容按技能點(diǎn)和模式進(jìn)行劃分，確定系統(tǒng)各個(gè)功能模塊，將虛擬仿真技術(shù)與羽毛球的各種技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)相結(jié)合，通過(guò)體感互動(dòng)數(shù)據(jù)的記錄，實(shí)現(xiàn)羽毛球正手擊高遠(yuǎn)球技術(shù)的訓(xùn)練和考核。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能主要包含訓(xùn)練和考核，羽毛球?qū)?zhàn)模式：?jiǎn)未蚰Ｊ健㈦p打模式、AI模式，訓(xùn)練的主要技能點(diǎn)：發(fā)球、引拍、揮拍、接球、高遠(yuǎn)球。系統(tǒng)的功能圖如圖1所示。

1.2? 羽毛球考核要求

學(xué)生選擇不同羽毛球技術(shù)（接發(fā)球、高遠(yuǎn)球、扣球、定點(diǎn)球等）與系統(tǒng)進(jìn)行單人訓(xùn)練考核，可選擇不同分值（11分、21分）進(jìn)行訓(xùn)練，成績(jī)分為不及格、及格、良好、優(yōu)秀四個(gè)等級(jí)，以11分為例，考核要求如表1所示。

1.3? 開(kāi)發(fā)平臺(tái)與工具

由于羽毛球運(yùn)動(dòng)技能訓(xùn)練的特殊性，項(xiàng)目重在構(gòu)建羽毛球虛擬場(chǎng)地，訓(xùn)練體驗(yàn)接近真實(shí)情況，本項(xiàng)目的實(shí)施需要多種軟件技術(shù)融合構(gòu)建。本項(xiàng)目所需的裝置和軟件主要包括以下3項(xiàng)：（1）HTC Vive設(shè)備：頭戴式設(shè)備、操控手柄、定位器及支架;（2）聯(lián)網(wǎng)的臺(tái)式計(jì)算機(jī);（3）虛擬軟件：羽毛球虛擬仿真系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用3D Max軟件進(jìn)行建模和動(dòng)畫(huà)制作并導(dǎo)出.fbx格式文件。在Unity3D軟件中將羽毛球場(chǎng)景、球拍、羽毛球等.fbx文件導(dǎo)入到Assets（資源）中，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)所需的三維虛擬仿真場(chǎng)景，通過(guò)編寫(xiě)C#腳本實(shí)現(xiàn)UI事件設(shè)計(jì)、角色移動(dòng)、球拍交互等功能，通過(guò)Steam VR插件，建構(gòu)逼真的羽毛球運(yùn)動(dòng)三維虛擬場(chǎng)景。

2? 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)

2.1? 系統(tǒng)UI

Unity3D引擎具有強(qiáng)大功能的UI系統(tǒng)，提供了許多UI組件，事件處理可由開(kāi)發(fā)者編寫(xiě)C#腳本進(jìn)行控制處理。在Hierarchy Window（游戲?qū)ο髮蛹?jí)面板）的Canvas上右鍵然后選擇UI，完成系統(tǒng)UI如圖2所示。

添加按鈕監(jiān)聽(tīng)事件代碼：

private void InitEvent（） {

btn_Standalone.onClick.AddListener（TurnGameSence）;

btn_Multiplayer.onClick.AddListener（Connecting）;

btn_Pattern.onClick.AddListener（ClickPattern）;

btn_PersonCtrl.onClick.AddListener（ChoosePersonPattern）;

btn_ComputerCtrl.onClick.AddListener（ChooseComputerPattern）;

}

2.2? 有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)

有限狀態(tài)機(jī)（Finite-state machine）簡(jiǎn)稱(chēng)FSM，表示有限個(gè)狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動(dòng)作等行為的數(shù)學(xué)模型，它反映從系統(tǒng)開(kāi)始到現(xiàn)在時(shí)刻的輸入變化的狀態(tài)，它存儲(chǔ)的是關(guān)于過(guò)去的信息，指示狀態(tài)變更的是相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，并且用滿足確定使轉(zhuǎn)移發(fā)生的條件來(lái)描述它[2]。它把復(fù)雜的控制邏輯分解成有限個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，在每個(gè)狀態(tài)上判斷事件[3]。使用有限狀態(tài)機(jī)后，切換羽毛球AI的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，就只需要考慮轉(zhuǎn)化狀態(tài)的正確與否，而不需要考慮切換后的腳本邏輯。用戶(hù)在切換狀態(tài)時(shí)操作比較靈活、交互性較好，還能有效地避免游戲程序的冗余。

2.3? 角色移動(dòng)控制

系統(tǒng)中的角色的移動(dòng)由Player Movement管理，在其中Move方法管理角色位置的更新，監(jiān)聽(tīng)來(lái)自Horizontal及Vertical的事件更新角色的位置信息。為了使得系統(tǒng)的體驗(yàn)更加的完美，借助Unity狀態(tài)機(jī)中的Blend Tree功能實(shí)現(xiàn)角色在不同情況移動(dòng)下的體態(tài)。

2.4? 羽毛球規(guī)則程序?qū)崿F(xiàn)

使用者需要有枚舉值屬性，分別為發(fā)球權(quán)，擊球權(quán)，和對(duì)方的擊球權(quán)。其發(fā)球權(quán)是用于判斷玩家是否擁有發(fā)球權(quán)，擊球權(quán)用于判斷玩家是否擁有擊球權(quán)，圖3為學(xué)生擊球效果，從而判斷玩家是否需要移動(dòng)，對(duì)方的擊球權(quán)是玩家在擊打羽毛球回去后，將規(guī)則管理器的擊球權(quán)修改為對(duì)方的擊球權(quán)。

羽毛球規(guī)則程序?qū)崿F(xiàn)代碼：

[Serializable]

public struct Right {

public RightToServe ownServeRight;

public RightToAttack ownAttackRight;

public RightToAttack nextAttackRight;

}

3? 實(shí)施效果

本系統(tǒng)于2018年9月，在廣東東軟學(xué)院部分專(zhuān)業(yè)進(jìn)行體育教學(xué)改革中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，現(xiàn)已服務(wù)過(guò)的本校學(xué)生人數(shù)為162人。通過(guò)使用VR虛擬羽毛球系統(tǒng)，訓(xùn)練者將置身于虛擬羽毛球球館場(chǎng)景中，身臨其境，體會(huì)各種技能如揮拍、引拍、高遠(yuǎn)擊球等技術(shù)的訓(xùn)練;所有學(xué)生均可獨(dú)立參與實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，完成所有實(shí)驗(yàn)步驟，避免了羽毛球運(yùn)動(dòng)中必須滿足2人以上的局限性，同時(shí)有效解決了由于時(shí)間、空間和場(chǎng)地不足等問(wèn)題。學(xué)生可自主選擇時(shí)間、地點(diǎn)、場(chǎng)地進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生參與運(yùn)動(dòng)的積極性;羽毛球虛擬仿真系統(tǒng)通過(guò)體感互動(dòng)數(shù)據(jù)的記錄，完成量化的考核，將學(xué)生成績(jī)分成不及格、及格、良好、優(yōu)秀四個(gè)等級(jí)。學(xué)生實(shí)際訓(xùn)練與VR訓(xùn)練對(duì)比圖如圖4所示。

VR體育虛擬教學(xué)，是一種全新的體育教學(xué)手段，以學(xué)生為中心，重視學(xué)生的心理感受，改變傳統(tǒng)教學(xué)方式、轉(zhuǎn)變教學(xué)思路、解決現(xiàn)存問(wèn)題。有效地提高體育教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，又能使受訓(xùn)者獲得身臨其境的感受和體會(huì)。

4? 結(jié)? 論

借助羽毛球仿真系統(tǒng)進(jìn)行的體育教學(xué)改革，為體育實(shí)踐教學(xué)提供輔助手段，創(chuàng)造性地解決了運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目傳統(tǒng)教學(xué)模式問(wèn)題，開(kāi)創(chuàng)了羽毛球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的新途徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的有效延伸和拓展訓(xùn)練內(nèi)容，深受學(xué)生們的好評(píng)和喜愛(ài)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：李晶（1987—），女，漢族，陜西商洛人，講師，碩士，研究方向：軟件開(kāi)發(fā)、游戲開(kāi)發(fā)、虛擬現(xiàn)實(shí)。