虛擬健身系統設計與實現

盧思敏 武瑛 王唯

摘要：虛擬健身系統是一個通過虛擬現實進行健身指導的系統。人們可以通過鍵盤鼠標或語音手勢進行視角切換，從不同角度查看健身動作的正確動作，并且可根據自身需求選擇自己喜歡的健身動作，根據人物模型的動作對用戶的動作進行自我指導。不同于線下健身受到的健身指導較少，且成本較高的情況，虛擬健身可以在時間、空間和資源等因素的限制下進行健身指導。本系統有相應的健身場景、人物模型，用戶只需點擊與拖動就可以完成所有操作，使用戶能夠得到良好的健身體驗。

關鍵詞：虛擬健身;Unity3D;動作捕捉;VR

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）14-0210-03

1 引言

近年來，隨著我國人工智能技術、傳感器技術、傳輸技術等技術的不斷發展，虛擬現實技術的水平也有較大提升，通過構建一個數字化的虛擬空間，呈現出了另一種不同的方式來更好的生活。現如今，健身作為一種健康積極的生活方式，成為了我們生活重要的一部分。

健康的身體是每個人追求的基礎，但目前成本普遍偏高，所以人們會選擇采取自學的方式進行體育鍛煉達到健身的效果。在進行健身的過程中，因為沒有健身指導，動作不準確，最后達到的效果會事倍功半，并且在健身過程中缺少健身指導可能會因動作不準確造成肌肉和骨骼的受傷。因此，正確的姿態與健身習慣可以讓人們在健身上事半功倍。

隨著計算機技術的發展，虛擬現實已經廣泛使用于游戲、影視等多個行業，并且虛擬現實具有交互性、沉浸性和創意性的特點[1]。虛擬現實結合傳統健身還可以與游戲、影視等場景結合起來[2]，同時具備了娛樂性和實用性。將健身和虛擬現實相結合的虛擬健身系統，通過穿戴傳感器采集相關運動數據，實時傳輸到系統并進行分析，可以提供正確的健身指導，解決健身指導成本偏高和受傷的問題。

2 虛擬健身系統的設計

虛擬健身系統的設計目的是為了給用戶提供一個真實的模擬健身場景，讓用戶能夠在健身的過程中能夠知曉自己肢體形態動作是否正確，按照系統中提供的人物模型和場景進行沉浸式體驗。

2.1 虛擬健身系統的功能設計

虛擬健身系統的設計與規劃如下：

（1） 基本功能。

用戶通過菜單選擇不同的場景、人物模型進行健身。

（2） 虛擬健身系統人物模型展示功能。

建立的人物模型盡可能接近真實人體，達到高仿真度，使用戶在進行查看和自我姿態調整時更容易。

（3） 場景與人物動作的高匹配度。

系統支持外部設備的匹配，當用戶以第一視角使用虛擬健身外設，如機械平臺時，場景會根據用戶運動的變化而變化，如用戶進行滑雪運動時，周圍的場景會進行動態變化。

（4）運動建議功能。

通過穿戴更多外部設備，系統可通過外設上傳的數據進行實時監測，根據用戶數據，發出建議或警告，告知用戶在鍛煉某些部位時應該加強、減弱或不宜做的動作。

（5） 動作糾正功能。

因為系統支持外部設備的連接，用戶可通過穿戴傳感設備，激活系統查看動作糾正的功能。用戶在進行健身時通常很難發現自己的動作哪里做得不好，使用動作捕捉設備[3]可以實時捕捉用戶的運動數據并實時上傳，經過系統計算分析，糾正用戶動作姿態[4]，從而達到健身指導的目的。

系統設計流程圖如圖1所示。

2.2 關鍵技術

2.2.1 人物模型建模技術

3D Studio Max通常被稱為3d Max，是由Discreet公司所開發，可用于建立三維模型以及制作三維動畫。使用3D Max進行人物模型建立，建立不同數據的人物模型，在用戶輸入個人數據后根據最匹配的人物模型進行動作指導，在動作上做到最匹配。

用戶也可自行選擇使用，系統允許用戶對人物模型進行360°的旋轉和查看，并提供不同的交互手段讓用戶能夠在健身過程得到盡量良好的體驗感。

2.2.2 虛擬場景建模技術

Unity3D是一個讓用戶能夠建立三維模型、三維游戲、三維動畫等類型的專業游戲引擎。Unity3D可以設計出不同的健身場景。需要有不同的場景讓用戶可進行選擇使用，使用戶在健身時保持良好的心情，所以本系統集成了多種場景的選擇供用戶自行切換。場景中的光線等參數用戶都可進行簡單調整，讓用戶在使用上能夠有最舒暢的心情。

2.2.3 動作列表技術

人體肌肉大約有639塊，鍛煉不同的部位有不同的動作，所以本系統提供一個動作列表，并對鍛煉不同的部位的動作進行分類，讓用戶進行動作預覽。當用戶進行不同的運動時，通過鼠標、觸屏或語音等操作對相應部位的對應動作進行選擇并鍛煉。

2.2.4 動作效果技術

除了豐富的骨骼動畫應用于人物模型上，本系統的動作主要通過動作捕捉設備對真人動作進行捕捉并記錄數據，建立標準模型。用戶的數據導入到系統中，系統對用戶的數據與建模的標準數據進行比對，在健身鍛煉的過程中用戶可進行特定的動作矯正和動作優化。從而達到虛擬健身系統對用戶進行健身指導的最終目的。

3 虛擬健身系統的實現

本系統中我們主要用到的技術主要有場景模型的建立、人物動作捕捉、三維動畫、骨骼綁定、Unity3D支持使用的JavaScript與C#對腳本的編寫。具體實現細節如下：

3.1 人物模型設計

本系統的用戶覆蓋面廣，用戶擁有不同的高矮胖瘦，針對不同的群體我們分為不同體型的模型，比如普通模型、梨型身材模型、瘦小型身材模型等，其中又含有男女兩種性別的模型。用戶根據自己的身材體型進行模型選擇，對應模型系統提供不同的健身建議。

使用3D Max完成了模型后，進行骨骼綁定，骨骼創建完成后通過local Rotation Axes觀察骨骼的軸向[5]，如果不統一需要及時調整，檢查完后再對關節處進行鎖定，防止人物模型關節處異常移動。

3.2 人物動畫設計

人物的模型在用戶進行健身的時候需要不停做出相應運動動作讓用戶觀察并模仿做出對應動作，這就需要在模型上添加對應動作的骨骼動畫了。我們使用動作捕捉設備對健身教練的標準健身動作進行捕捉，獲取數據并綁定到對應人物模型上，保證人物模型動作在真實人體上符合科學性與準確性，在人物模型進行動作時就會有較高的靈活與真實性，也能讓用戶更好地模仿。

3.3 場景設計

健身系統中，為了能讓用戶能夠持久堅持健身這種生活習慣，良好的健身環境是必不可少的一部分。美觀并使人放松的環境能夠很大程度上提高用戶的體驗，讓用戶能夠沉浸其中，使其能夠在感官上獲得更舒適的體驗。音樂也是場景不可或缺的一項，我們設計幾種不同的場景與音樂提供給用戶不同的健身環境，除此之外，我們提供用戶對場景的環境光燈光、顏色與音樂的自定義調整，用戶可通過點擊和滑動等交互動作，對unity3D的自帶屬性進行調整。

3.4 交互設計

簡單的交互可以在Unity3D中使用JavaScript或C#腳本實現[6]，并通過讀取數據通過網絡通信將其處理結果發送發到Unity3D對應參數，實現交互。清晰明了的GUI交互界面，能夠為用戶帶來良好的體驗，對于GUI交互界面的設計需要讓用戶能夠簡單易懂的使用系統。

（1） 視角切換。

當用戶以第一視角進行健身時，用戶可身臨其境的在環境中走動，并選擇、查看運動動作。當切換到用戶第三視角時，人物模型為VR環物模型，用戶此時可對通過拖拽對模型進行旋轉等動作實現360°查看。本系統默認為第一視角。

（2） 動作匹配模式。

用戶可通過穿戴設備使系統對相應數據進行實時計算分析并與標準模型數據進行匹配，對用戶錯誤的姿勢進行實時糾正。實現沒有健身教練卻又有健身指導效果的目的。

（3） 場景切換功能。

用戶通過鼠標、觸屏或手勢[7]對GUI按鈕進行點擊，切換不同的場景和音樂。用戶可以選擇并調整至其最喜歡的環境下進行健身訓練。可緩解在局限空間中健身的心情壓抑感。

在這些功能設計好后，在系統中通過鼠標、觸屏對GUI界面中的按鈕進行點擊，無縫切換系統中的場景與動作，展示動作姿態與人物動作動畫，主要通過切換健身的人物模型與場景模型來實現。

4 結束語

將虛擬現實技術應用到生活中，采用虛擬現實與健身結合的形式，利用3D Max構建人物模型，借助Unity3D游戲引擎實現對場景的仿真設計。用戶可以選擇喜歡的動作進行第一人稱或第三人稱視角進行鍛煉，并選取喜歡的環境，很好地提高了用戶的體驗感。該系統為在時間、空間與資源等有局限人們提供了一個好的健身環境，以迎合全民健身時代的到來。

參考文獻：

[1] 賴昌.虛擬現實技術與實驗教學的結合[J].今日科苑，2009（18）：210.

[2] 楊紅蘭.移動平臺的健身交互虛擬體驗系統的研究[J].合肥學院學報（綜合版），2017，34（2）：64-68，78.

[3] 王夢囡，陳康桂.基于慣性動作捕捉技術在體育訓練上的應用——以羽毛球教學為例[J].當代體育科技，2020，10（11）：37-40.

[4] 陳偉江.動作捕捉技術在舞蹈姿態分析和教學中的實踐研究[J].微型電腦應用，2020，36（3）：102-105.

[5] 李剛.三維動畫《巨人與小丑》骨骼綁定制作[J].藝術時尚（下旬刊），2014（10）：69.

[6] 徐志剛，胡常英.基于Unity3D的虛擬汽車試驗場漫游系統[J].計算機技術與發展，2019，29（5）：112-115.

[7] 楊紹清，劉伯艷.基于Unity 3D的Web 3D全景交互技術實現[J].科學技術創新，2020（31）：75-76.

【通聯編輯：唐一東】