基于虛擬現(xiàn)實(shí)的籃球技術(shù)仿真應(yīng)用探究

（陜西國際商貿(mào)學(xué)院,陜西咸陽,712046）

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的籃球技術(shù)仿真應(yīng)用探究

何 偉

（陜西國際商貿(mào)學(xué)院,陜西咸陽,712046）

本課題利用計(jì)算機(jī)信息、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)構(gòu)建了一種籃球技術(shù)仿真系統(tǒng)，該仿真系統(tǒng)包括籃球運(yùn)動(dòng)員的虛擬仿真模型、籃球運(yùn)動(dòng)捕捉虛擬仿真模型以及藍(lán)球運(yùn)動(dòng)技術(shù)三維仿真和相應(yīng)的三維仿真數(shù)據(jù)庫幾部分。這種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的籃球技術(shù)仿真系統(tǒng)為運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練提供了良好的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練環(huán)境。

籃球技術(shù)；三維仿真；虛擬現(xiàn)實(shí)

1 虛擬現(xiàn)實(shí)的概要

1.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)是將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體、人機(jī)交互技術(shù)、傳感器、智能人機(jī)接口、圖形學(xué)、心理學(xué)、高性能計(jì)算技術(shù)、人類行為學(xué)、人工智能等多領(lǐng)域的技術(shù)綜合在一起的集成技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)可以在計(jì)算機(jī)上生成逼真的三維視、聽等感覺,在某種裝備的協(xié)助下使人與計(jì)算機(jī)的虛擬環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)際上是指將現(xiàn)實(shí)世界的某種事物或是環(huán)境模擬仿真到計(jì)算機(jī)上，再在某種裝置的協(xié)助下將自己置身于該虛擬環(huán)境中。計(jì)算機(jī)生成的三維仿真環(huán)境可以通過某些接口與仿真中的物理對(duì)象進(jìn)行通訊交互。

1.2籃球技術(shù)虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要性

采用科學(xué)的訓(xùn)練方法及手段可以提高運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練效率、提高運(yùn)動(dòng)成績。我國籃球運(yùn)動(dòng)的訓(xùn)練水平相對(duì)來說還比較落后，我國籃球訓(xùn)練秉持以經(jīng)驗(yàn)為主的訓(xùn)練思想、方法。教練員憑經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作，而運(yùn)動(dòng)員在教練員的指導(dǎo)下只能通過重復(fù)性練習(xí)掌握技術(shù)要領(lǐng)，這種訓(xùn)練方法嚴(yán)重影響籃球的訓(xùn)練效率?；@球技術(shù)三維虛擬仿真系統(tǒng)可以很好的輔助傳統(tǒng)教學(xué)，通過該系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)員可以很好地掌握并領(lǐng)會(huì)頂尖選手技術(shù)動(dòng)作的關(guān)鍵點(diǎn)與細(xì)節(jié)，強(qiáng)化了運(yùn)動(dòng)員的視覺訓(xùn)練。利用籃球技術(shù)三維虛擬仿真系統(tǒng)可以很好的激

2 籃球運(yùn)動(dòng)員的虛擬仿真模型

2.1運(yùn)動(dòng)員幾何建模

幾何建模時(shí)將運(yùn)動(dòng)員的機(jī)械機(jī)構(gòu)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的方法描繪在計(jì)算機(jī)。為了達(dá)到逼真的渲染效果，該系統(tǒng)建立的運(yùn)動(dòng)員模型有精確的尺寸和結(jié)構(gòu)，以便于觀察。運(yùn)動(dòng)員模型的建立采用OpenGL與Visual C++面向?qū)ο髮烧叩木幊誊浖嘟Y(jié)合，并利用MFC基本類庫和API應(yīng)用向?qū)нM(jìn)行程序開發(fā)。以上設(shè)計(jì)中的OpenGL只提供了基本幾何元素的造型函數(shù)，有一定的局限性。復(fù)雜模型的建?？梢圆捎?DMAX，它是一款強(qiáng)大的建模工具。3DMAX可以將復(fù)雜三維幾何實(shí)體的提供精確建模，但是3DMAX程序可移植和物體的渲染都存在不足。

圖1 籃球運(yùn)動(dòng)員系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

針對(duì)以上問題，運(yùn)動(dòng)員模型及其工作環(huán)境的三維建模采用3DMAX，將3DMAX建立的模型提供給OpenGL進(jìn)行圖形渲染，將兩者相結(jié)合降低建模難度的同時(shí)可以增加系統(tǒng)的通用性。

籃球運(yùn)動(dòng)員系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.2運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

運(yùn)動(dòng)員的骨架模型包括53塊骨骼段和54個(gè)關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)員的表面模型包括53塊部位，運(yùn)動(dòng)員的部位體可以繞著相應(yīng)的關(guān)節(jié)在不同自由度的方向上作扭動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，使運(yùn)動(dòng)員產(chǎn)生產(chǎn)生不同運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，使運(yùn)動(dòng)員的虛擬仿模型做出的動(dòng)作具有較高的逼真效果。

2.3運(yùn)動(dòng)員模型的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃

運(yùn)動(dòng)員模型的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃就是根據(jù)模型要完成的動(dòng)作、任務(wù)設(shè)計(jì)模型的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。它屬于模型的控制問題，設(shè)計(jì)人員輸入機(jī)械手末端的方位和目標(biāo)位置。系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃主要負(fù)責(zé)確定達(dá)到目標(biāo)的關(guān)節(jié)軌跡的運(yùn)動(dòng)、形狀、速度、時(shí)間等工作。該系統(tǒng)說的軌跡指的是時(shí)間變化時(shí)隨之變化的位置、加速度、速度情況。根據(jù)運(yùn)動(dòng)員模型所完成的運(yùn)動(dòng)軌跡不同，

系統(tǒng)給定運(yùn)動(dòng)員的初始位置、目標(biāo)位置及其之間路徑所經(jīng)過的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，在這種情況下設(shè)計(jì)相應(yīng)適當(dāng)?shù)能壽E來完善運(yùn)動(dòng)員軌跡中沒有給定的部分。

3 籃球運(yùn)動(dòng)技術(shù)信息的運(yùn)動(dòng)捕捉

運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)采用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)可以實(shí)時(shí)捕捉運(yùn)動(dòng)員模型的三維運(yùn)動(dòng)軌跡并對(duì)運(yùn)動(dòng)員的戰(zhàn)術(shù)配合、技術(shù)動(dòng)作作出進(jìn)一步分析。將運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)中，該系統(tǒng)就可以準(zhǔn)確測量運(yùn)動(dòng)物體在三維空間運(yùn)動(dòng)狀況。在空間中排布數(shù)個(gè)視頻捕捉設(shè)備，通過這些設(shè)備捕捉運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)狀況，并將捕捉到的信息用圖像形式記錄下來并在計(jì)算機(jī)上作進(jìn)一步處理，以此來得出不同運(yùn)動(dòng)員模型的空間坐標(biāo)（X，Y，Z），該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)捕捉基于計(jì)算機(jī)圖像學(xué)的原理。

運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)是由信號(hào)捕捉設(shè)備、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、傳感器、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備這四種設(shè)備組合而成，運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。將傳感器安裝在運(yùn)動(dòng)員的仿真模型上，傳感器屬于跟蹤裝置，它可以跟蹤運(yùn)動(dòng)員確定其位置以此來控制運(yùn)動(dòng)軌跡，可以從傳感器的數(shù)目來衡量運(yùn)動(dòng)捕捉的細(xì)致程度。信號(hào)捕捉設(shè)備是該系統(tǒng)的硬件設(shè)備，它主要負(fù)責(zé)采集并識(shí)別由傳感器傳輸過來的有關(guān)運(yùn)動(dòng)軌跡的模擬信號(hào)。通過數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備可以將信號(hào)捕捉設(shè)備捕捉到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號(hào)準(zhǔn)確快速的送到計(jì)算機(jī)內(nèi)部做進(jìn)一步處理。數(shù)據(jù)處理設(shè)備包括數(shù)據(jù)處理軟件和計(jì)算機(jī)硬件兩部分組成，該設(shè)備可以修正數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備傳送過來的數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建三維模型并進(jìn)行動(dòng)畫制作。

采用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)，以此來捕捉籃球運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作。對(duì)捕捉的圖像進(jìn)行量化分析，并結(jié)合物理學(xué)原理、人體生理學(xué)，以此來探究籃球技術(shù)的改進(jìn)方法，是籃球訓(xùn)練更為科學(xué)化、數(shù)字化。運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的捕捉對(duì)象是具有針對(duì)性的，它可以將成績差的隊(duì)員的圖像捕捉下來，并與成績優(yōu)秀的隊(duì)員進(jìn)行比較并進(jìn)行科學(xué)分析，以此來進(jìn)行具有針對(duì)性的訓(xùn)練。將計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和運(yùn)動(dòng)技術(shù)捕捉技術(shù)相結(jié)合，以此來提高籃球技術(shù)訓(xùn)練的可視性。

圖2 運(yùn)動(dòng)技術(shù)捕捉系統(tǒng)

4 籃球運(yùn)動(dòng)技術(shù)的三維仿真

采用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)采集大量籃球運(yùn)動(dòng)動(dòng)作實(shí)例，將其存儲(chǔ)在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，通過VHSDK5.0虛擬人合成軟件包將采集的實(shí)例以三維方式顯示出來，該系統(tǒng)是可視化的，可視化的交互設(shè)計(jì)便于運(yùn)動(dòng)員模型動(dòng)作的修改工作，設(shè)計(jì)的新動(dòng)作可以通過牛頓歐拉運(yùn)動(dòng)模型驗(yàn)證其合理性。

為了便于完成可視化的交互動(dòng)作設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)設(shè)定對(duì)于人體運(yùn)動(dòng)motion（t），想要獲得新的運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)posture（ti）需要修改運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)posture（ti）。在X×Y大小的用戶視窗中，選取剛體并將其拖動(dòng)，該工作通過鼠標(biāo)完成，在拖動(dòng)過程中x的變化量為Δx、y方向的變化量為Δy，根據(jù)歐拉定理推理可得：用z y x方向的歐拉角〈α，β，γ〉來表示這一旋轉(zhuǎn)，則有如下關(guān)系

sinα＝aΔx/X＝（1－a）Δy/Y，

sinβ＝bΔx/X＝（1－b）Δy/Y，

sinγ＝cΔx/X＝（1－c）Δy/Y。

圖3 運(yùn)動(dòng)技術(shù)的三維仿真設(shè)計(jì)

在這里：a、b、c表示影響因子，a、b、c分別表示Δx、Δy對(duì)歐拉角〈α，β，γ〉在x，y，z三方向的影響程度。經(jīng)過一系列計(jì)算來獲取運(yùn)動(dòng)員模型新的姿態(tài)posture（ti），最終完成對(duì)籃球運(yùn)球技術(shù)的三維仿真設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)技術(shù)的三維仿真設(shè)計(jì)如圖3所示：

5 籃球運(yùn)動(dòng)技術(shù)三維仿真數(shù)據(jù)庫

建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，對(duì)海量的籃球技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃統(tǒng)一的管理。該數(shù)據(jù)庫可以提供目標(biāo)搜索引擎，可以對(duì)某球隊(duì)或者某運(yùn)動(dòng)員的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢。該系統(tǒng)還可以提供視頻片斷，便于對(duì)相關(guān)技術(shù)分析的?；@球技術(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)庫、硬件、軟件、數(shù)據(jù)庫管理員。該系統(tǒng)的硬件包括CPU（中央處理器）、內(nèi)外部存儲(chǔ)器、I/O（輸入輸出設(shè)備）幾部分。軟件包括OC（操作系統(tǒng)）、DBMS（數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）、開發(fā)語言（C++/、Java）、應(yīng)用開發(fā)支撐軟件等。

6 總結(jié)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的籃球技術(shù)仿真應(yīng)用研究在現(xiàn)代籃球技術(shù)教學(xué)和訓(xùn)練中的具有很好的應(yīng)用價(jià)值，它的應(yīng)用可以幫助運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練過程中盡快掌握動(dòng)作技術(shù)要領(lǐng)，大大提高了籃球運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練效率。

[1] 朱亞明.對(duì)籃球技術(shù)能力教學(xué)中對(duì)抗練習(xí)方法的實(shí)驗(yàn)研究[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2010,02:271-273.

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[3] 段意梅,馮亞梅,陸國田.大學(xué)生運(yùn)用籃球技術(shù)統(tǒng)計(jì)方法的現(xiàn)狀與對(duì)策研究——以大理學(xué)院為例[J].體育科技文獻(xiàn)通報(bào),2013,04:37-39.

何偉，男，1982年3月16日， 陜西省咸陽市人，助教，研究方向：體育教學(xué)與訓(xùn)練。

Application of basketball simulation technology based on virtual reality

He Wei
(Shaanxi Institute of international trade,Shaanxi Xianyang,712046)

A basketball technology to construct the simulation system Abstract] the use of computer information,virtual reality technology,the simulation system includes basketball simulation model, basketball players and basketball motion capture virtual model technology of 3D simulation and the corresponding 3D simulation database part.This provides a good learning environment,the training of basketball simulation system based on virtual reality for athlete's training.

basketball technology;3D simulation;virtual reality