虛擬現(xiàn)實技術(shù)在散打運動中的應(yīng)用研究

章海晨

(南通大學(xué)體育科學(xué)學(xué)院，江蘇 南通 226007)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在散打運動中的應(yīng)用研究

章海晨

(南通大學(xué)體育科學(xué)學(xué)院，江蘇 南通 226007)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是信息化時代的一項涉及眾多學(xué)科的高新應(yīng)用技術(shù)，在體育教育訓(xùn)練方面有著廣闊的應(yīng)用前景。文章將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用在散手運動中，為研究和提高運動員的技、戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練水平提供一定的理論依據(jù)和方法。

散手 虛擬現(xiàn)實 虛擬人 動作捕捉技術(shù)

引言

散手作為中華武術(shù)的一個分枝，以其“遠(yuǎn)踢、近打、貼身摔”的獨特技法名揚世界武壇。近年來，隨著散打擂臺爭霸賽和世界各國的挑戰(zhàn)賽等系列賽事，使散打運動不斷發(fā)展和創(chuàng)新，運動員的運動水平也越來越高，但運動員要在比賽中尤其是高水平比賽中取勝，已經(jīng)變得相當(dāng)困難，為了能夠保證運動員在比賽中達(dá)到最佳競技狀態(tài)，將平時的訓(xùn)練水平能夠得到淋漓盡致的發(fā)揮，因而尋求新的運動訓(xùn)練方法成為散手運動訓(xùn)練新的研究熱點。隨著日新月異的科技發(fā)展，對體育運動的發(fā)展也起到推波助瀾的作用。在眾多的媒介中，虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術(shù)取得了令人矚目的研究成果，它給用戶帶來的身臨其境的感受，也為我們研究體育運動提供了極大的便利。本文將虛擬現(xiàn)實技術(shù)在散手運動中的運用，為研究和提高運動員的技、戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練水平提供了一定的理論依據(jù)和方法。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念、構(gòu)成及特征分析

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR；又譯作靈境、幻真)。研究內(nèi)容涉及到人工智能、計算機科學(xué)、電子學(xué)、傳感器、計算機圖形學(xué)、智能控制、心理學(xué)等，它是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，從而使得在視覺上產(chǎn)生一種沉浸于這個環(huán)境的感覺，可以直接觀察、操作、觸摸、檢測周圍環(huán)境及事物的內(nèi)在變化，并能與之發(fā)生“交互”作用，使人和計算機很好地“融為一體”，給人一種“身臨其境”的感覺。

1.2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類

(1)沉浸型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，是一套比較復(fù)雜的系統(tǒng)。使用者必須戴頭盔、帶數(shù)據(jù)手套等傳感跟蹤裝置，用戶可完全沉浸到虛擬世界中，與虛擬世界進(jìn)行交互。(2)簡易型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，是由一臺普通的計算機系統(tǒng)組成。使用者通過鍵盤、鼠標(biāo)便可與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。用戶在普通的電腦上，利用鼠標(biāo)和鍵盤，就能真實地感受到所虛擬的情景。

1.3 虛擬交互設(shè)備的構(gòu)成

為了實現(xiàn)人機之間的充分交換信息，必須設(shè)計特殊輸入工具和演示設(shè)備，以識別人的各種輸入命令，且提供相應(yīng)反饋信息，實現(xiàn)真正的仿真效果。一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由虛擬環(huán)境、以高性能計算機為核心的虛擬環(huán)境處理器、以頭盔顯示器為核心的視覺系統(tǒng)、以語音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統(tǒng)，以方位跟蹤器、數(shù)據(jù)手套和數(shù)據(jù)衣為主體的身體方位姿態(tài)跟蹤設(shè)備，以及味覺、嗅覺、觸覺與力覺反饋系統(tǒng)等功能單元構(gòu)成。

1.4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征分析

(1)多感知性(Multi-Sensory)：多感知是指除了一般計算機技術(shù)所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)該具有一切人所具有的感知功能。由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運動等幾種。

(2)浸沒感(Immersion)：浸沒感又稱臨場感，指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。理想的模擬環(huán)境應(yīng)該使用戶難以分辨真假，使用戶全身心地投入到計算機創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，該環(huán)境中的一切看上去是真的，聽上去是真的，動起來是真的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現(xiàn)實世界中的感覺一樣。

(3)交互性(Interactivity)：指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度(包括實時性)。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動而移動。

(4)構(gòu)想性(Imagination)：強調(diào)虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。

2 武術(shù)散手的動作技術(shù)分類及特點分析

2.1 散打運動技術(shù)技術(shù)的分類

根據(jù)攻防矛盾可將散打技術(shù)分為進(jìn)攻技術(shù)和防守技術(shù)兩大類。根據(jù)技術(shù)表現(xiàn)特點(身體運用部位的不同)可將進(jìn)攻技術(shù)分為打法、踢法和摔法三種；防守技術(shù)分為接觸式防守和非接觸式防守。根據(jù)動作數(shù)量的不同。散打技術(shù)又可分為單一技術(shù)(基礎(chǔ)技術(shù))和組合技術(shù)。進(jìn)攻技術(shù)可分為單一進(jìn)攻技術(shù)和組合進(jìn)攻技術(shù)，單一進(jìn)攻技術(shù)可分為單一打法、單一踢法、單一摔法，組合進(jìn)攻技術(shù)，根據(jù)運用技術(shù)種類不同可分為同類組合技術(shù)和非同類組合技術(shù)；防守技術(shù)可分為單一防守技術(shù)和組合防守技術(shù)。

2.2 散手技術(shù)的動作特點分析

散手的動作技術(shù)開放性、多樣性，是散手在中國武術(shù)的實用基礎(chǔ)上不斷融合、兼并了世界各國的技擊方法整合出來的一種發(fā)展型的技擊技術(shù)。同時其動作必須簡單實用，在激烈精彩的對抗搏擊競賽過程能充分發(fā)揮運動員在速度、力量、耐力、柔韌、靈敏等方面的潛力，使比賽更具觀賞性。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在散手運動中的運用研究

3.1 散手運動訓(xùn)練的場景的生成

使用Vega生成虛擬現(xiàn)實，Vega是美國Multigen-Paradigm公司生產(chǎn)的用于虛擬現(xiàn)實、實時視景仿真、聲音仿真以及其他可視化領(lǐng)域的應(yīng)用軟件。它是一套完整地用于開發(fā)交互式、實時可視化仿真應(yīng)用的軟件平臺，其最基本的功能是驅(qū)動、控制、管理虛擬場景并支持快速復(fù)雜的視覺仿真程序，快速創(chuàng)建各種實時交互的三維環(huán)境，快速建立大型沉浸式或非沉浸式的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)制造出散手虛擬綜合訓(xùn)練或比賽的場景(觀眾的叫喊聲等環(huán)境)，給運動員真實的比賽的環(huán)境，這樣可以減少運動員在比賽中出現(xiàn)失誤，克服不必要的緊張，讓運動員能夠自我調(diào)節(jié)比賽中的興奮程度，進(jìn)行自我精神快速調(diào)整，同時也增強運動員比賽中的自信心。

3.2 運用動作捕捉技術(shù)(Motion capture)建立散手動作數(shù)據(jù)庫

散手運動員穿上數(shù)據(jù)衣或在關(guān)鍵部位設(shè)置跟蹤器，讓運動員將散手動作一一演練，由動作捕捉系統(tǒng)捕捉跟蹤器位置，再經(jīng)過計算機處理后向用戶提供可以在動畫制作中應(yīng)用的數(shù)據(jù)(動作數(shù)據(jù)庫)，加上視頻資料的采集以及現(xiàn)場拍攝的方式，收集了大量有關(guān)散手的視頻信息，利用VideoStudio將種散手的技術(shù)動作特征單元提取出來，將所有的數(shù)據(jù)分類建立多個動作數(shù)據(jù)庫，當(dāng)所有數(shù)據(jù)被計算機識別后，設(shè)計師即可以在計算機內(nèi)的虛擬環(huán)境中調(diào)整、控制虛擬人的運動。運動捕捉的實質(zhì)就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運動軌跡。典型的運動捕捉設(shè)備一般由以下幾個部分組成：傳感器、信號捕捉設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)處理設(shè)備。

3.3 虛擬現(xiàn)實中的智能虛擬人的建立

需要用3Dsmax、maya等三維動畫軟件制作出三維虛擬人物模型，在計算機表示的空間中生成逼真的三維虛擬人，虛擬人是人在計算機生成空間(虛擬現(xiàn)實)的幾何特征和行為特征的體現(xiàn)。但虛擬人不是一個簡單的聽從人的命令的三維人體模型，而是一個具有心智系統(tǒng)的智能體，它可以根據(jù)外界的信息輸入(現(xiàn)實人輸入動作指令)而得到自己的輸出(虛擬人的動作回饋)，這就要求對虛擬人的智能系統(tǒng)進(jìn)行心智建模，使虛擬人有能夠處理信息的能力，通過對信息進(jìn)行加工、再生從而產(chǎn)生對事物的反作用的處理。我們將具有情感表達(dá)或目的性操作的虛擬人可稱為智能化虛擬人。

3.4 散手對練系統(tǒng)的生成

我們將動作捕捉系統(tǒng)捕捉到的數(shù)據(jù)需要修正、處理后，再以數(shù)據(jù)驅(qū)動與程序驅(qū)動相結(jié)合的方式建立虛擬人體，以此來實現(xiàn)和控制虛擬人的運動，形成虛擬交互式的散手對練系統(tǒng)。此外，我們讓運動員根據(jù)不同的對手的特點進(jìn)行動作模仿，建立多個優(yōu)秀運動員的動作數(shù)據(jù)庫，讓受訓(xùn)者能夠跟多個運動員進(jìn)行模擬訓(xùn)練，適應(yīng)不同對手的動作風(fēng)格，以此提高受訓(xùn)者的適應(yīng)能力和技戰(zhàn)水平。

4 結(jié)語

以虛現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建的虛擬環(huán)境，特別強調(diào)人參與其中的身臨其境的沉浸感，同時人與虛擬環(huán)境之間可以進(jìn)行多維信息的交互作用，參與者從定性和定量綜合集成的虛擬環(huán)境中可以獲得對客觀世界中客觀事物的感性和理性的認(rèn)識，從而深化概念和建造新的構(gòu)想和創(chuàng)意。虛擬現(xiàn)實技術(shù)為散手運動提供有效的、嶄新的訓(xùn)練手段，使得受訓(xùn)練者能夠感受到比較真實的立體視覺、立體聽覺，與虛擬環(huán)境進(jìn)行自然的交互操作，提供科學(xué)、便利的訓(xùn)練環(huán)境，同時也為我們研究散手的運動變化規(guī)律和世界各國的技擊運動提供了極大的便利。

[1]王兆其.虛擬人行為交互方法研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2001(13).

[2]惠 志.3D游戲引擎在虛擬展示中的應(yīng)用研究[D].華中科技大學(xué)，2005.

[3]喬鳳杰.試述武術(shù)散手的技術(shù)規(guī)格[J].中國體育科技，2000(7).

[4]秦念陽，李代勇.散手戰(zhàn)術(shù)的訓(xùn)練[J].成都體育學(xué)院學(xué)報，2000(3).

[5]劉鵬遠(yuǎn).虛擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)中的人機交互技術(shù)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2005(5).

On the Application of Virtual Reality Technology in Sanshou Movement

Zhang Haichen
(College of P.E.,Nantong University,Nantong Jiangsu 226007,China)

Virtual reality technology is an application technology involving multitudinous disciplines in information age,has a bright prospect in sports education and training.The study applies the virtual reality technology into Sanshou sport,for research and improving the athlete's training level of skill and tactics provide certain theoretical basis and methods.

Sanshou Virtual Reality virtual human Motion capture

G85

A

1004—5643(2012)08—0036—02

章海晨(1977～)，男，碩士，講師。研究方向：民族傳統(tǒng)體育。