基于虛擬仿真的體育教學實訓平臺設計

張潔， 張楠

(1.陜西中醫藥大學, 體育部，陜西，咸陽 712046；2.西京學院，機械工程學院，陜西，西安 710123)

0 引言

虛擬現實技術是一種計算機系統融合計算機的軟件技術和硬件技術創建并體驗的虛擬世界，通過提高虛擬世界的逼真性，讓體驗者完全融入到其中，體驗者不受到空間和時間的限制[1]。虛擬系統在實際應用過程中存在多種輸出形式和輸入能力，可以同時進行碰撞檢測和交互等。國外的大學課堂已經引入了虛擬現實技術，但虛擬現實技術在國內教學領域中的起步較晚，在技術上與國外水平存在一些差距[2]。將虛擬現實技術應用在教學實訓平臺中可以提高教學效果和質量。

文獻[3]提出基于多媒體技術的教學實訓平臺設計方法，硬件部分由管理員界面和系統用例圖組成系統框架，軟件流程為后臺管理員工作流程以及出錯處理流程，完成教學實訓平臺的設計，該方法在平臺設計中的教學路徑較為單一，導致教學效果較差。文獻[4]提出了跨學科教學理念設計教育平臺的開發，整合了早期開發的機器人系統產品系列架構的發現作為參考，開發的機器人系統分為不同的模塊，并將這些模塊附加在設計教育平臺上，通過CAD、PDM 和 FEM 軟件提高學生的使用技能。該方法沒有在教學實訓平臺中設計多路徑教學算法，存在教學質量低的問題。

為了解決上述方法中存在的問題，提出基于虛擬仿真的體育教學實訓平臺設計方法。

1 體育教學實訓平臺設計

基于虛擬仿真的體育教學實訓平臺由4個部分構成。

1.1 平臺邏輯架構

體育教學實訓平臺的邏輯架構如圖1所示。

圖1 體育教學實訓平臺邏輯架構

硬件層包括Kinect設備和運行程序的主機，是開發體育教學實訓平臺的基礎。利用客戶端在表現層中可以實現體育教學實訓平臺的交互[5]。數據層主要為體育教學實訓平臺的運行提供模板動畫數據和動作信息數據庫。業務層中包括動作評估、動作信息查看、用戶數據獲取和模板動作動畫。體育教學實訓平臺的底層處理邏輯為應用服務層，包括2個部分，分別是日志管理和數據流交換[6]。

用戶登錄體育教學實訓平臺的流程如圖2所示。

圖2 體育教學實訓平臺流程圖

1.2 動作信息數據庫設計

將具有執行命令速度快、簡單有效和處理多條記錄等優點的MySQL關系型的數據庫應用在體育教學實訓平臺中，開源數據庫是不存在任何費用的，根據自身需求開發人員可以修改數據庫[7]。

數據規范表中的實驗數據均存儲于體育教學實訓平臺的動作信息庫中，在動作信息數據庫中設計概念模型時，分別將規范表中的副標題和主標題作為設計屬性和實體，在體育教學實訓平臺的設計過程中自動生成數據表，并在數據表中錄入采集的數據[8]。動作信息數據庫是體育教學實訓平臺查看動作詳細信息的來源。

1.3 功能模塊設計

體育教學實訓平臺主要包括學習動作評估、動作信息、用戶數據采集和模板動作動畫等4大模塊。上述模塊在體育教學實訓平臺中互相關聯且功能獨立，模塊在體育教學實訓平臺中的關聯關系結構如圖3所示。

圖3 模塊關聯圖

動作信息模塊的主要功能顯示讀取動作信息庫、MySQL與Unity3D數據庫通信、動作數字化元數據規范表中的內容。Vicon動作捕捉系統在工作過程中獲取的動作數據在體育教學實訓平臺中通過模板動作動畫模塊進行顯示，在實驗階段對采集的數據進行處理，將其轉化為.fbx格式數據可以直接被Unity使用；Mecanim動畫系統利用Unity3D技術實現角色模型匹配，在動作學習庫中實現模板動作教學，在動作信息庫中實現信息查看。用戶數據采集模塊在體育教學實訓平臺中與Kinect進行通信，采集用戶動作數據，并在Excel中寫入用戶關節點對應的空間坐標數據，并在文件夾中保存數據。學習動作評估模塊在體育教學實訓平臺設計中的主要作用是評估體育教學結果，利用MATLAB外部程序計算模板動作與用戶動作之間的相似性，在比較圖形差異的基礎上獲得用戶學習動作的不足并加以改進。

1.4 用戶界面設計

分3個部分對體育教學實訓平臺的用戶界面進行設計，包括學習結果評估、動作學習庫和動作信息庫，如圖4所示。

圖4 平臺界面設計

動作信息庫中存在標準動作動畫和數字化元數據規范表：在動作信息庫中用戶可以查看體育教學動作信息；在動作學習庫中用戶可以選擇體育教學內容進行學習。學習動作評估在體育教學實訓平臺中的主要內容是對比模板動作和用戶動作，客觀評估用戶學習效果。

2 多路徑教學方法

基于虛擬仿真的體育教學實訓平臺設計方法采用雙層隱馬爾科夫鏈實現多路徑教學。

通過五元組λ=(N,Ml,A,B,π)描述隱馬爾科夫鏈，其中：N描述的是馬爾科夫鏈中存在的狀態數量；Ml描述的是各個狀態在五元組中包含的觀測事件數量；π=P[q1=j]描述的是初始概率分布，其中P為j維狀態下的q1初始概率的分布向量；B={bj(k)}是觀測事件ot在當前狀態為j時取vk的概率構建的混淆矩陣，bj是j時刻的概率；A={aij,aij=P(qtn+1=j|qtn=i)}描述的是五元組中存在的概率轉移矩陣N×N。

基于虛擬仿真的體育教學實訓平臺設計方法構建的雙層馬爾科夫HMM如圖5所示。

圖5 雙層馬爾科夫HMM

動作序列中存在的片段動作都對應著一個動作識別模塊。設o(t)代表的是底層識別觀察序列，可通過式(1)進行描述：

o(t)={o1(t),o2(t),…,oN(t)}

(1)

式中，oi(t)表示動作在辨識結果中對應的數字編號。

在離散HMM模型中修改后向和前向變量公式：

(2)

(3)

式中，βt表示t時刻HMM模型在后向算法中觀察部分觀察序列對應的輸出概率，of表示觀察序列中存在的變量，at表示t時刻HMM模型在前向算法中的某狀態下觀察序列對應的輸出概率。

利用式(4)重新估計混淆矩陣B：

(4)

式中，correct(j)表示動作正確次數在動作識別序列中對應的期望值，correct(kf|j)表示動作序列中的動作在sj教學內容下的正確次數。

不同的教學內容構成上層馬爾科夫鏈，教學內容片段和分支節點在實際操作過程中需要教學人員設定。該內容片段可能是實時連線答疑、細節動作強化訓練或文字、語音、視頻資料等知識補充。上個教學內容片段在教學過程中的教學效果是判斷是否進行該教學內容片段的決定性因素。細節動作的正確率是評價的主要內容，在下層馬爾科夫鏈中實現評估。完成上述內容后，在原始教學路徑中繼續學習或根據評估結果選擇新的教學路徑。上一層教學路徑示意圖如圖6所示。

圖6 教學路徑示例

利用下層馬爾科夫鏈對動作1～動作5進行識別，動作1在識別過程中與教學動作相同，動作2和動作3在教學過程中出現偏差，因此在動作2～3處教學路徑跳轉到動作2分解視頻，并在動作3～4處跳轉到動作3對體育教學視頻進行分解，為學習者選擇新的學習路徑。

3 實驗與分析

為了驗證基于虛擬仿真的體育教學實訓平臺設計方法的整體有效性，需要對基于虛擬仿真的體育教學實訓平臺設計方法進行測試。本次測試的實驗環境如下。

操作系統：Windows。

CPU：Inter Core i5 3.2 GHz。

內存容量：8 GB。

測量設備：被動光相機、主動光相機、室外光/雙目相機。

為了驗證體育教學實訓平臺的有效性，在關節角度和運動軌跡2個方面對基于虛擬仿真的體育教學實訓平臺設計方法(本文方法)、基于多媒體技術的教學實訓平臺設計方法(文獻[3]方法)和跨學科教學理念設計教育平臺的開發方法(文獻[4]方法)進行評估。

采用上述測量設備能夠精準地測量出人物動作，方便室內定位，保證了測量數據的準確性。本文方法采用Excelr軟件、visio軟件、GitMind軟件。文獻[3]方法采用基于后臺管理員工作流程以及出錯處理流程開發的教學實訓平臺的設計軟件。文獻[4]方法采用CAD、PDM 和 FEM 軟件。

以hand_right關節點為例，選取測試者在不同教學實訓平臺中的運動估計，進行10次測試，分別取第1次、第5次、第10次的測試數據進行對比分析，并與模板數據進行對比，分析不同方法的練習結果誤差。測試結果如圖7所示。

分析圖7中的數據可知：測試者在本文方法構建的實訓平臺中，隨著訓練次數的增加運動軌跡逐漸接近模板數據；測試者在文獻[3]方法和文獻[4]方法構建的實訓平臺中，隨著訓練次數的增加運動軌跡也有所發生變化，但與模板數據曲線之間的差距較大。

圖7 運動軌跡對比圖

以elbow_right關節點為例，通過評估測試者的關節角度對練習結果進行分析，結果如圖8所示。

分析圖8中的數據可知，隨著訓練次數的增加，測試者在3種方法構建的實訓平臺中的關節角度逐漸接近模板數據，但對比3種方法的測試結果可知，測試者在本文方法構建的實訓平臺中練習后的關節角度與模板數據之間的差距最小，在文獻[3]構建的實訓平臺中練習后的關節角度與模板數據之間的差距最大。本文方法通過構建平臺邏輯架構，設計動作信息數據庫、功能模塊、用戶界面，實現了體育教學實訓平臺的設計，并采用多路徑教學方法。相比較另外2種方法，本文方法的教學路徑較為豐富，教學內容質量高。

圖8 關節角度對比圖

4 總結

在仿真技術和多媒體技術融合的基礎上，虛擬現實技術可以形成一種虛擬環境，在教學實訓平臺中的應用較為廣泛。目前體育教學實訓平臺設計方法存在教學效果差的問題，提出基于虛擬仿真的體育教學實訓平臺設計方法，在平臺設計過程中通過雙層隱馬爾科夫鏈實現多路徑教學，解決了目前方法中存在的問題，為教學實訓平臺的發展奠定了基礎。