基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運(yùn)動訓(xùn)練仿真模擬系統(tǒng)

張冰

（商洛職業(yè)技術(shù)學(xué)院體育部，陜西商洛 726000）

以標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動作為基礎(chǔ)的競技體育要求參與運(yùn)動員具有嫻熟的技術(shù)動作。為實現(xiàn)此目標(biāo)不僅需要運(yùn)動員持續(xù)刻苦地訓(xùn)練，更重要的是應(yīng)向教練員提供科學(xué)有效的訓(xùn)練方式，提升運(yùn)動訓(xùn)練水平[1]。我國競技體育運(yùn)動訓(xùn)練的科技水平一直以來均處于相對較低的狀態(tài)，大多數(shù)教練通過經(jīng)驗與主觀意識進(jìn)行運(yùn)動訓(xùn)練教導(dǎo)，僅依靠經(jīng)驗與肉眼判斷引導(dǎo)運(yùn)動員的技術(shù)動作，導(dǎo)致運(yùn)動員需數(shù)次重復(fù)練習(xí)方可掌握技術(shù)要領(lǐng)，因此造成我國競技體育運(yùn)動訓(xùn)練質(zhì)量低且技術(shù)動作水平提升緩慢。為此，國內(nèi)外研究者通過研究及實際驗證得出，將數(shù)字圖形圖像技術(shù)加入運(yùn)動訓(xùn)練當(dāng)中，能夠提升運(yùn)動員運(yùn)動訓(xùn)練時掌握技術(shù)要領(lǐng)的效率，有效降低運(yùn)動員運(yùn)動訓(xùn)練過程中受傷的幾率，提升整體運(yùn)動訓(xùn)練效果[2-3]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)也可簡稱為VR 技術(shù)，具有交互性、構(gòu)想性及沉浸性等特點，通過綜合運(yùn)用人工智能技術(shù)、多媒體技術(shù)、數(shù)字圖形圖像技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及多媒體傳感技術(shù)等對人的感官功能進(jìn)行仿真模擬，令用戶沉浸于其呈現(xiàn)的虛擬環(huán)境內(nèi)，通過可以手勢及語言等方式實現(xiàn)實時交互，構(gòu)建出一種適人化的多維信息空間，應(yīng)用前景極為廣闊[4]。如今，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已進(jìn)入建筑設(shè)計、文化娛樂、工業(yè)級教育培訓(xùn)等多個領(lǐng)域內(nèi)，其中，體育領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實技術(shù)多用于運(yùn)動訓(xùn)練與教學(xué)中，基于此技術(shù)實現(xiàn)對訓(xùn)練科學(xué)水平、訓(xùn)練過程及技術(shù)動作的優(yōu)化與完善[5]。

為此，文中研究基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運(yùn)動訓(xùn)練仿真模擬系統(tǒng)，為有效提升教練員的科學(xué)訓(xùn)練與運(yùn)動員的技術(shù)動作提供了幫助。

1 運(yùn)動訓(xùn)練仿真模擬系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體概述

通過人體實際運(yùn)動和運(yùn)動生物力學(xué)兩種數(shù)據(jù)及數(shù)字化三維人體運(yùn)動的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)以虛擬現(xiàn)實技術(shù)仿真模擬、修正設(shè)計運(yùn)動訓(xùn)練動作的目的[6]，同時采用人體運(yùn)動的動力學(xué)理論分析與檢驗所設(shè)計的技術(shù)動作，并將檢驗后的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動作編排模擬為成套的動作序列，通過同步、同屏的方式對比該仿真模擬動作序列和運(yùn)動員訓(xùn)練動作視頻，提升仿真模擬的現(xiàn)實指導(dǎo)意義與應(yīng)用價值。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運(yùn)動訓(xùn)練仿真模擬系統(tǒng)整體架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

構(gòu)成系統(tǒng)的兩個關(guān)鍵部分為仿真模擬動作和運(yùn)動訓(xùn)練動作對比、標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動作仿真模擬。其中，運(yùn)動訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動作指的是在裁判員或教練頭腦中被認(rèn)準(zhǔn)的理想技術(shù)動作，此類技術(shù)動作能夠提升運(yùn)動訓(xùn)練水平與運(yùn)動比賽時的得分[7-8]。為了更好的輔助運(yùn)動訓(xùn)練，可通過圖形化與量化裁判員和教練的先驗知識。基于此，需向裁判員或教練提供一種仿真模擬運(yùn)動訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動作的方式。以偏移映射方式修正、設(shè)計運(yùn)動訓(xùn)練捕獲動作數(shù)據(jù)庫中的動作，以運(yùn)動員的人體參數(shù)為出發(fā)點，依據(jù)體態(tài)參數(shù)特點對我國人體慣性參數(shù)完成預(yù)估，同時，將該參數(shù)通過人體運(yùn)動方程對仿真模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗，實現(xiàn)降低仿真模擬誤差的目的，對檢驗后的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動作進(jìn)行編輯模擬，得出成套標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)模擬動作，構(gòu)成三維標(biāo)準(zhǔn)模擬動作庫。仿真模擬運(yùn)動訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動作的過程見圖2。在現(xiàn)實運(yùn)動訓(xùn)練時，為提升運(yùn)動訓(xùn)練水平，可對比分析標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動作仿真模擬結(jié)果和運(yùn)動員現(xiàn)實運(yùn)動訓(xùn)練動作，提升運(yùn)動員對自身運(yùn)動訓(xùn)練時技術(shù)動作不足之處的認(rèn)知[9]。通過攝影機(jī)正交投影模型，由運(yùn)動訓(xùn)練視頻內(nèi)運(yùn)算得出攝影機(jī)參數(shù)，以此確準(zhǔn)運(yùn)動訓(xùn)練視頻視點相等的三維虛擬場景的控制參數(shù)，對比仿真模擬標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動作和現(xiàn)實運(yùn)動訓(xùn)練動作，為教練引導(dǎo)運(yùn)動訓(xùn)練提供有效幫助。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動作仿真模擬過程

1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的人體運(yùn)動訓(xùn)練仿真模擬

針對運(yùn)動訓(xùn)練的有關(guān)特征，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的各種圖形圖像技術(shù)進(jìn)行仿真模擬，實現(xiàn)系統(tǒng)的仿真模擬功能，由于人體具備數(shù)個自由度，且整體結(jié)構(gòu)較為繁瑣，需對運(yùn)動中的整體骨骼肌肉進(jìn)行綜合考量方可實現(xiàn)逼真的運(yùn)動仿真模擬效果，所以，文中以三維人體運(yùn)動仿真模擬技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動訓(xùn)練的仿真模擬[10]。先通過運(yùn)動捕獲方式創(chuàng)建運(yùn)動訓(xùn)練動作數(shù)據(jù)庫，再以偏移映射技術(shù)對數(shù)據(jù)庫內(nèi)的運(yùn)動訓(xùn)練動作予以修正和設(shè)計，并通過動作和動力學(xué)分析檢驗修正與設(shè)計后動作的合理性，采用運(yùn)動拼接方法編排模擬檢驗后的單個標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動作，獲取全新的標(biāo)準(zhǔn)動作序列，在此基礎(chǔ)上，通過同屏的方式對比分析獲取的仿真模擬標(biāo)準(zhǔn)動作序列和運(yùn)動員訓(xùn)練動作視頻，提升運(yùn)動訓(xùn)練質(zhì)量和運(yùn)動員技術(shù)動作水平。

1.2.1 運(yùn)動訓(xùn)練動作修正及設(shè)計

運(yùn)動捕獲為創(chuàng)建運(yùn)動訓(xùn)練動作三維數(shù)據(jù)庫的理想方式。其基本原理是完成采用傳感器追蹤設(shè)備對運(yùn)動訓(xùn)練目標(biāo)運(yùn)動數(shù)據(jù)的記錄[11]。其特點是可實現(xiàn)對人體實際運(yùn)動數(shù)據(jù)的成功捕獲，同時所采集到的運(yùn)動信息具備時間信息，能夠提升人體運(yùn)動狀態(tài)改變的模擬逼真度。通過光學(xué)原理對人體表面標(biāo)識點運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并將該記錄作為初始三維運(yùn)動數(shù)據(jù)。為了將三維人體運(yùn)動骨架從此類數(shù)據(jù)中成功提取出，需對此類數(shù)據(jù)實行過濾與降噪等處理[12]。

通過選取原始幀創(chuàng)建可匹配運(yùn)動捕獲目標(biāo)虛擬標(biāo)識點與骨骼的系統(tǒng)，以實際標(biāo)識點和虛擬標(biāo)識點的最小間距準(zhǔn)則為依據(jù)，對運(yùn)動捕獲數(shù)據(jù)的骨骼運(yùn)動實行優(yōu)化運(yùn)算。采用平滑處理方式對優(yōu)化運(yùn)算所得的運(yùn)動數(shù)據(jù)實行降噪，并通過四元數(shù)線性時不變?yōu)V波系統(tǒng)過濾后獲取平滑的骨骼運(yùn)動。通過對數(shù)運(yùn)算將歐拉角數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的四元數(shù)，并將其向切空間內(nèi)映射，采用濾波器對切空間進(jìn)行濾波處理，向四元數(shù)空間內(nèi)以指數(shù)運(yùn)算方式映射濾波后結(jié)果，轉(zhuǎn)化為歐拉角度數(shù)據(jù)。完成運(yùn)動訓(xùn)練現(xiàn)實動作數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建后，將各個現(xiàn)實動作以虛擬人合成軟件包VHSDK5.0，并通過三維形式呈現(xiàn)，同時采用可視化方法對現(xiàn)實動作予以修正和交互設(shè)計，通過牛頓歐拉運(yùn)動模型完成對修正及設(shè)計后所獲取新動作的合理程度的檢驗，獲取具有個性化的運(yùn)動訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動作。

假設(shè)相對于人體運(yùn)動movement（t）來說，對運(yùn)動姿態(tài)attitude（ti）進(jìn)行修正獲取新的運(yùn)動姿態(tài)attitude′（ti），可通過鼠標(biāo)在X×Y大小的用戶視窗內(nèi)選擇，并拉動對應(yīng)的剛體實現(xiàn)修正過程，提升可視化交互動作設(shè)計的便利性。設(shè)Δx、Δy為鼠標(biāo)拉動時x、y方向的變化量，以歐拉定理為依據(jù)設(shè)某動作b能夠通過zyx方向的歐拉角用表示為：

式中，影響因子用c、d、a表示，通過影響因子可表示Δx、Δy在x、y、z各坐標(biāo)方向?qū)W拉角的影響狀況，對式（1）求解后可得到：

基于此，實現(xiàn)對新的運(yùn)動姿態(tài)attitude′（ti）的設(shè)定。通過偏移映射技術(shù)獲取到新的運(yùn)動movement′（t）。ti時刻偏移量的運(yùn)算式為：

式中，b表示某動作，h和g分別表示當(dāng)前幀、臨近幀內(nèi)同當(dāng)前幀相對應(yīng)的點。用同樣的方式對其余時刻的偏移量進(jìn)行運(yùn)算，獲取對應(yīng)movement（t）的運(yùn)動偏移通過向初始運(yùn)動movement(t)疊加運(yùn)動偏移b(t)，即可獲取新的運(yùn)動movement′(t)為：

以運(yùn)動員體態(tài)參數(shù)特點為依據(jù)對人體慣性參數(shù)實現(xiàn)預(yù)估，并通過確立牛頓歐拉運(yùn)動模型內(nèi)所需的轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)實現(xiàn)個性化，依據(jù)此方程對新運(yùn)動movement′(t)的合理程度予以檢驗，實現(xiàn)了以可視化交互設(shè)計、運(yùn)動檢驗及反饋的交互過程，達(dá)到修正及設(shè)計運(yùn)動訓(xùn)練動作的目的。

1.2.2 運(yùn)動訓(xùn)練動作編排模擬

通過對運(yùn)動訓(xùn)練動作的修正與設(shè)計獲取標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)個單獨(dú)技術(shù)動作，從中選出固定數(shù)量的動作并以特定次序相連，實現(xiàn)成套標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動作的編排模擬。為大幅降低運(yùn)動訓(xùn)練風(fēng)險和教練確準(zhǔn)運(yùn)動訓(xùn)練動作編排方法提供幫助，可通過三維圖形預(yù)先呈現(xiàn)出成套標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動作的編排模擬結(jié)果[13-14]。因此，設(shè)計一個能夠完成運(yùn)動訓(xùn)練動作挑選、拉動及刪除等操作的圖形界面，編排模擬成套標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動作時僅需著重考慮兩個動作間的連接。兩個運(yùn)動訓(xùn)練動作片段分別以n1(t)、n2(t) 表示，通過運(yùn)動過渡（Motion Transition）與運(yùn)動鏡像（Motion Mirroring）技術(shù)將兩個動作片段連接為一個全新的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動作序列。運(yùn)動片段n1(t)的最終一個姿態(tài)attitude1(t1)與運(yùn)動片段n2(t)的首個姿態(tài)attitude2(t2)依次表示為：

2 仿真測試

將文中系統(tǒng)應(yīng)用于某地區(qū)跳水隊與排球隊的運(yùn)動訓(xùn)練中，對兩隊運(yùn)動訓(xùn)練過程中的運(yùn)動員動作進(jìn)行仿真模擬，通過仿真模擬效果文中系統(tǒng)呈現(xiàn)該體操隊的訓(xùn)練效果，檢驗文中系統(tǒng)的應(yīng)用性能。

2.1 仿真模擬效果分析

通過PC/Windows/VC5.9 軟件環(huán)境實現(xiàn)文中系統(tǒng)的開發(fā)[16]，應(yīng)用文中系統(tǒng)仿真模擬某跳水運(yùn)動員的起跳技術(shù)動作與某男子排球運(yùn)動員的發(fā)球技術(shù)動作，并用y方向的歐拉角分別表示兩個動作，對比技術(shù)動作的仿真模擬效果與y方向歐拉角表示的相似度，檢驗文中系統(tǒng)的仿真模擬效果。技術(shù)動作效果呈現(xiàn)及歐拉角表示如3 所示。通過圖3 可看出，該系統(tǒng)對兩個技術(shù)動作的仿真模擬效果與y方向歐拉角表示極為相符，說明文中系統(tǒng)仿真模擬效果好，模擬結(jié)果可用于實際運(yùn)動訓(xùn)練中，且更便于在該系統(tǒng)模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對動作的修改，以及便于將模擬結(jié)果用于之后與訓(xùn)練視頻的對比分析中。

圖3 仿真模擬效果呈現(xiàn)

2.2 實際應(yīng)用效果分析

從兩隊中各自抽取10 個運(yùn)動員，檢驗兩隊?wèi)?yīng)用文中系統(tǒng)前后的運(yùn)動訓(xùn)練效果，通過對比運(yùn)動員對技術(shù)動作的掌握程度及掌握效率，實現(xiàn)運(yùn)動訓(xùn)練效果的對比。運(yùn)動訓(xùn)練效果對比情況見圖4。由圖4可看出，應(yīng)用文中系統(tǒng)后，兩隊運(yùn)動訓(xùn)練時對技術(shù)動作的掌握人數(shù)均高于應(yīng)用文中系統(tǒng)前，且每個掌握技術(shù)動作的運(yùn)動員，對于掌握動作所用時長均較應(yīng)用文中系統(tǒng)前有所降低，由此說明，應(yīng)用文中系統(tǒng)后兩隊的運(yùn)動訓(xùn)練效果更好且效率更高。

圖4 運(yùn)動訓(xùn)練效果對比

兩隊在應(yīng)用文中系統(tǒng)前后，掌握各技術(shù)動作的平均用時可更進(jìn)一步驗證該系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果，對比結(jié)果見表1。通過表1 可得知，兩隊在運(yùn)動訓(xùn)練中應(yīng)用文中系統(tǒng)后，運(yùn)動員對技術(shù)動作的掌握程度更高，動作的平均掌握效率也明顯提升，且應(yīng)用該系統(tǒng)后兩隊技術(shù)動作的掌握人數(shù)比例分別為70%和80%，遠(yuǎn)高于應(yīng)用該系統(tǒng)前40%和50%的人數(shù)比例，足以說明，文中系統(tǒng)具備非常高的實際應(yīng)用價值，且應(yīng)用效果顯著。

表1 應(yīng)用效果分析

3 結(jié)束語

文中針對基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運(yùn)動訓(xùn)練仿真模擬系統(tǒng)展開研究，虛擬現(xiàn)實技術(shù)包括計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體、多媒體傳感及數(shù)字圖形圖像等技術(shù)，具備沉浸

性與交互性等功能特征，能夠?qū)崿F(xiàn)對人體特性的仿真模擬，并令使用者沉浸于其虛擬環(huán)境內(nèi)與其實現(xiàn)交互，文中構(gòu)建了包含對比仿真模擬動作和運(yùn)動訓(xùn)練動作及標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)動作仿真模擬兩部分的整體系統(tǒng)，并運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的各種圖形圖像技術(shù)仿真模擬運(yùn)動訓(xùn)練動作的相關(guān)特點，實現(xiàn)系統(tǒng)的仿真模擬功能，通過實際應(yīng)用驗證了文中系統(tǒng)可提升運(yùn)動訓(xùn)練效果及效率，具有較高的實際應(yīng)用價值。