數字化視角下短跑動作訓練虛擬仿真系統設計

摘要：文章從數字化視角下短跑動作訓練系統的基礎需求入手，構建了一種短跑動作訓練虛擬仿真系統。該系統由輸入層、功能層和可視化層等結構組成，主要功能包括短跑動作捕捉、訓練方案生成、回放與評價等。對該系統的應用情況進行測試，結果表明：該系統可以在較低的時間延遲下為運動員提供完善的動作捕捉和虛擬訓練功能，具有一定的實用性。

關鍵詞：數字化視角；短跑運動；動作訓練；虛擬仿真系統

中圖分類號：TP391.9中圖分類號 文獻標志碼：A文獻標志碼

0 引言

數字化與信息化時代的到來給我國的體育事業帶來了巨大的影響。數字化視角下的體育訓練與傳統體育訓練系統相比發生了根本性變化，體育訓練正在逐漸向數字化、虛擬化與實際訓練相融合的方向發展。短跑運動是典型田徑競賽中的一類，主要包括50 m、60 m、100 m、200 m等項目，是一種最大程度發揮人體速度極限本能的運動形式［1-3］。近年來我國在短跑項目上取得了一定成績，優秀短跑運動員越來越多，短跑這一運動本身為人體帶來的諸多好處也越來越深入人心。在此背景下，本文構建了一種基于虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術的短跑動作訓練虛擬仿真系統。該系統除可以幫助短跑運動員進行日常虛擬訓練外，還可以對運動員的訓練情況進行評價，從而幫助短跑運動員提升自身競技水平。

1 系統功能需求分析

1.1 豐富的訓練內容

隨著我國專業短跑項目的整體進步，越來越多的新型訓練理念和內容開始融入現代運動員的訓練。對于現代短跑項目而言，傳統的短跑訓練內容已經不能滿足短跑運動員的實際需求［4］。因此，本文嘗試構建的短跑動作訓練虛擬仿真系統須要具備豐富的訓練內容或者可以提供較大的虛擬存儲空間，以便后期將更為先進的訓練內容錄入系統。

1.2 較低的系統延遲

對于虛擬仿真系統而言，較低的系統延遲是反映系統響應性能的關鍵因素。對于面向短跑運動員的動作訓練仿真系統而言，較低的系統延遲還是保證運動員獲取精準動作捕捉、良好訓練效果的決定性因素。因此，本文構建的短跑動作訓練虛擬仿真系統還須要具備較低的系統延遲。

1.3 完善的動作捕捉

動作捕捉是短跑運動員使用虛擬訓練仿真系統的主要功能之一。完善的動作捕捉功能可以幫助運動員精準獲取自身進行短跑時的某些動作姿態，借助系統內的評價體系或教練員的指導，運動員可以較快地對自身的短跑動作進行糾正。因此，本文構建的短跑動作訓練虛擬仿真系統須要盡可能具備完善的動作捕捉功能。

1.4 良好的回放與評價

動作捕捉系統與專業體育訓練的融合價值不僅體現在運動員的虛擬訓練等方面。更為重要的是，教練員和運動員可以通過動作捕捉系統對運動員的訓練動作進行捕捉并將運動員的動作與標準動作進行對比，從而實現運動員訓練動作的智能化評價。因此，本文在構建短跑動作訓練仿真系統時，會盡可能融入標準動作捕捉和錄入功能，在其基礎上形成短跑運動員訓練動作的回放與智能化評價，從而更好地幫助短跑運動員開展虛擬訓練。

2 系統構建分析

2.1 系統框架

以傳統B/S架構為基礎，結合短跑動作訓練系統的功能需求，本文構建了圖1所示的數字化視角下的短跑動作訓練虛擬仿真系統框架。

該框架主要包括輸入層、功能層和可視化層3部分。其中，輸入層主要包含了大量人體動作捕捉硬件設備及其配套軟件等，比如典型的紅外人體動作捕捉設備、體感器及其他智能穿戴設備等。這些軟硬件設備主要負責錄入短跑運動員的短跑訓練動作，將運動員的短跑訓練動作以數據形式傳輸至功能層。功能層則主要包含了短跑動作訓練系統所需的各類型基本功能，包括動作捕捉功能、訓練方案生成功能、訓練資料調閱功能、回放與評價功能等。該層主要負責為運動員提供基本的動作訓練分析、評價和持續性學習功能。可視化層負責為系統和運動員提供虛擬化的動作訓練場景和科學的動作指導，還可以通過智能大屏呈現運動員的訓練情況，便于教練員進行指導［5-7］。

系統工作時，首先，輸入層對運動員或教練員的短跑動作進行捕捉，借助動作捕捉設備、體感器及其他智能穿戴設備等獲取人體在短跑訓練時的各項信息，將捕捉后的人體信息以數字化形式傳輸至功能層；其次，功能層對捕捉的人體動作數據進行分析，將教練員等的標準短跑動作轉化為標準化數據，將運動員每次參與虛擬訓練時的動作與標準化數據進行比對，以便后續生成訓練方案、回放與評價等；再次，功能層形成的各類型數據會通過可視化層進行虛擬場景展示和智能大屏展示等，為運動員、教練員提供直觀的虛擬訓練場景或動作指導場景等；最后，系統會按照一定的頻率將教練員、訓練員等的短跑訓練人體動作捕捉信息等傳輸至數據庫，按照標準動作、訓練動作、訓練方案等的分類情況對數據進行分類，從而便于教練員、運動員等對相關信息進行增、刪、改、查等。

2.2 核心功能設計

2.2.1 動作捕捉功能

動作捕捉功能是短跑動作訓練虛擬仿真系統的核心功能之一。本文設計系統中動作捕捉功能的基本工作邏輯如圖2所示。

系統提供的動作捕捉功能分為標準動作捕捉和運動員動作捕捉2部分。在進行標準動作捕捉時，捕捉點須要粘貼在教練員或者優秀的展示運動員身上，采用動作捕捉技術對教練員和展示運動員的相關短跑動作進行捕捉，經過動作特征參數的提取后傳輸至計算機。這部分捕捉的動作主要用于標準動作指導、運動員動作評價等。在進行運動員動作捕捉時，捕捉點粘貼在運動員身上，采用相同的動作捕捉流程對運動員的短跑訓練動作特征進行提取，傳回計算機以后，教練員可以對運動員的短跑動作進行實時指導，運動員也可以通過動作回放及與標準動作的對比對自身的短跑動作進行糾正等。

2.2.2 訓練方案生成功能

短跑運動員訓練方案的生成須要以動作捕捉功能為基礎。經由動作捕捉模塊獲取運動員的短跑動作數據后，系統首先會對該運動員的短跑動作進行識別和判斷，從而獲得該運動員的基本短跑水平評價結果；其次，系統會基于該運動員的實際訓練水平生成符合該運動員需求的動作模型；再次，經過評價模塊、教練員的綜合評價和分析后，系統會對運動員的日常訓練量進行估算，得到符合該運動員訓練水平的訓練量；最后，系統構建和生成訓練方案，短跑運動員按照該方案執行日常訓練計劃即可。

2.2.3 訓練資料調閱功能

訓練資料的即時調閱可以幫助短跑運動員在進行某些動作學習前對這些動作進行提前了解。訓練資料調閱功能包括一個基本的數據庫。數據庫內包含了大量的短跑相關的訓練資料，包括視頻資料、論文資料等，運動員在訓練之余可以借助該功能模塊對其他優秀運動員、教練員的研究成果進行調閱等［8］。此外，訓練資料調閱功能還可以通過智能大屏進行展示，教練員可以借助智能大屏中顯示的訓練資料對運動員進行統一的教學或指導等。

2.2.4 其他功能

系統提供的其他主要功能包括回放與評價功能、網絡通信功能、系統防火墻等。其中，回放與評價功能指系統可以為運動員和教練員提供訓練時的視頻回放和評價，幫助運動員和教練員更好地掌握訓練情況，為下一步訓練提供參考和借鑒；網絡通信功能則主要負責將系統中的各類型參數以有線、無線的方式傳輸至系統數據庫，以便開展后續用戶數據的增刪改查等；系統防火墻可以為系統用戶提供較高的安全防護功能，避免運動員的人體動作捕捉參數、訓練視頻、訓練方案等外泄。

3 系統功能實現與性能測試

3.1 系統功能實現

數字化視角下短跑動作訓練虛擬仿真系統的核心功能包括動作捕捉、訓練方案生成和訓練資料調閱等，如圖3所示。

圖3（a）為采用動作捕捉設備捕捉運動員進行短跑時的某些動作并將這些動作進行虛擬化轉化的基本功能。由該操作界面可知，系統可以非常完整、準確地對運動員在奔跑時的骨骼和肌肉情況進行獲取，除得到運動員的運動姿態外，還可以得到運動員頭、肩、手臂、軀干、腿、足等各個部分的旋轉角度、運動距離等，基本實現了運動員短跑動作的捕捉和虛擬化轉化。

圖3（b）為系統根據運動員的基本訓練情況提供的訓練方案模擬競技基本場景。運動員在使用該系統開展短跑動作訓練一段時間后，可以根據系統指導和教練員的安排，在虛擬場景下進行競技。圖中的競技對象為部分國際知名短跑運動員的虛擬化形象。運動員也可以根據實際的需求選擇定制化的虛擬競技對象。

圖3（c）為系統提供的虛擬訓練資料調閱功能界面。在該界面中，系統為運動員提供了從基礎到高端的短跑訓練方面知識。借助該功能，運動員可以掌握基礎的短跑動作訓練知識和技巧，還可以根據訓練難度和自身的短跑水平逐漸掌握更為高端的短跑動作和技巧等。

整體而言，本次設計的針對短跑訓練的虛擬仿真系統核心功能實現情況較為理想，核心功能如動作捕捉、訓練方案生成等已經可以滿足運動員的實際使用需求。

3.2 系統性能測試

3.2.1 測試環境

本文以某綜合型的體育動作訓練虛擬仿真系統為對比組，以搭建的系統為實驗組進行系統性能測試［9-10］；以相同的NOKOV動作捕捉系統（北京度量科技有限公司）和體感器（深圳市探奇科技有限公司）作為本次測試的硬件設備，盡可能減少測試影響因素；以同一批短跑運動員為研究對象，測試其應用不同系統時的系統延遲，得到本次搭建虛擬仿真系統的性能測試結果。

3.2.2 測試結果

本文所述性能測試主要針對系統的延遲情況。隨著系統內同時在線用戶數量的提升，系統延遲的變化情況如表1所示。

從表中數據可知，一方面，實驗組系統延遲始終遠低于對比組的系統延遲，實驗組系統的響應時間明顯更短；另一方面，隨著系統內同時在線用戶數量由0個提升至250個，實驗組系統延遲并沒有始終處于上升狀態，而是在22.0 ms至29.0 ms之間不斷波動，在線用戶數量為200個時系統延遲最低為22.7 ms，在線用戶數量為50個時系統延遲最高為28.5 ms，而對比組的系統延遲明顯隨著系統同時在線用戶數量的提升而增大，在線用戶數量為250個時系統延遲最高為204.7 ms。鑒于系統延遲并未隨在線用戶數量提升而提升，最高延遲僅為28.5 ms，遠低于目前主流的體育動作訓練虛擬仿真系統，本文認為本次構建的數字化視角下的短跑動作訓練虛擬仿真系統基本可以滿足實際的用戶需求。

4 結語

傳統短跑動作訓練模式已經逐漸無法滿足數字化視角下的運動員訓練需求。本文借助VR、人體動作捕捉設備等構建了一種針對短跑運動的虛擬化動作訓練仿真系統。針對該系統的功能實現情況和運行性能等進行了部分測試，測試結果表明：本文搭建的短跑動作訓練虛擬仿真系統功能較為完善、系統延遲較低，可以為短跑運動員提供完善的動作訓練環境。

參考文獻

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（編輯 王雪芬）

Design of virtual simulation system for sprinting action training from digital perspective

FU Haifang

（+xpZR4qYMEBtayHN5PcI0Q==Shaanxi Police College， Xi’an 710042， China）

Abstract： This paper starts with the basic requirements of sprinting action training system from the digital perspective， and constructs a virtual simulation system for sprinting action training. The system is composed of input layer， function layer and visualization layer， and its main functions include sprint motion capture， training program generation， playback and evaluation. The application of the system is tested， and the results show that the system can provide perfect motion capture and virtual training functions for athletes with low time delay， and has certain practicability.

Key words： digital perspective; sprinting; movement training; virtual simulation system