健美操訓(xùn)練中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用探討①

王晶晶

(武漢體育學(xué)院 湖北武漢 430079)

健美操訓(xùn)練中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用探討①

王晶晶

(武漢體育學(xué)院 湖北武漢 430079)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在20世紀(jì)90年代才被人提出，是一種基于互聯(lián)網(wǎng)、融合了多種信息技術(shù)的新技術(shù)，僅十幾年，就已滲透到人類的日常生活。文章從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在健美操訓(xùn)練中的應(yīng)用現(xiàn)狀入手，通過(guò)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理的分析，聯(lián)系健美操訓(xùn)練實(shí)際特點(diǎn)，闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在健美操訓(xùn)練領(lǐng)域的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上，分析實(shí)例，進(jìn)一步對(duì)健美操訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)，就此對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的未來(lái)在體育健身訓(xùn)練領(lǐng)域的發(fā)展此進(jìn)行展望。

健美操訓(xùn)練 虛擬現(xiàn)實(shí) 體育系統(tǒng)仿真平臺(tái) 實(shí)際應(yīng)用

1 概念界定

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)，即VR（Virtual Reality），這一概念是在1989年，由美國(guó)VPL Research公司的創(chuàng)始人、著名計(jì)算機(jī)科學(xué)家Jaron Lanier提出。其基本含義如下：(1)使用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)，將各種顯示及管理等接口儀器統(tǒng)一起來(lái)。(2)在電腦上產(chǎn)生，可在人機(jī)交互的仿真環(huán)境中產(chǎn)生沉浸感的技術(shù)。也就是說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)是對(duì)真實(shí)世界的描述，擁有現(xiàn)實(shí)世界的框架，又可在虛擬環(huán)境中進(jìn)行人機(jī)交互。

1.2 體育系統(tǒng)仿真平臺(tái)

體育系統(tǒng)仿真平臺(tái)，即體育仿真支撐環(huán)境，是一組軟件的集合。這一平臺(tái)由輔助建模、模型調(diào)試和運(yùn)行支撐等系統(tǒng)構(gòu)成。通過(guò)這些系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，在整個(gè)仿真周期內(nèi)可以為用戶提供一個(gè)模擬現(xiàn)實(shí)的體育環(huán)境。

2 健美操訓(xùn)練領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用原理探討

2.1 建立在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)上的健美操系統(tǒng)仿真平臺(tái)基本架構(gòu)

健美操系統(tǒng)仿真平臺(tái)，是一個(gè)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)健美操實(shí)現(xiàn)模擬訓(xùn)練而打造的計(jì)算機(jī)仿真體系，該體系的核心是數(shù)據(jù)采集、建立三維模型、構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。

健美操訓(xùn)練仿真平臺(tái)核心即其基本結(jié)構(gòu)。即數(shù)據(jù)采集依托位置方向跟蹤以期、數(shù)據(jù)手套、轉(zhuǎn)換設(shè)備、手套輸入轉(zhuǎn)換儀器等構(gòu)成的輸入系統(tǒng)。而建立三維模型依靠效果的生成和信號(hào)的轉(zhuǎn)換構(gòu)建所定義的輸出系統(tǒng)來(lái)完成。健美操虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練環(huán)境的主要構(gòu)成有以下幾類：其一，用戶的使用系統(tǒng)；其二，三維空間處置儀；其三，三維模型的數(shù)據(jù)庫(kù)；其四，仿真模擬管理器；其五，電腦和各類反饋設(shè)備。

2.2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)——體育系統(tǒng)仿真平臺(tái)工作原理

2.2.1 數(shù)據(jù)采集與分析

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本質(zhì)上是依托云計(jì)算下的大數(shù)據(jù)生成，即將大量的健美操數(shù)據(jù)輸入到虛擬環(huán)境產(chǎn)生器中，通過(guò)系統(tǒng)軟件對(duì)分析這些數(shù)據(jù)，接著用信號(hào)轉(zhuǎn)換器、光柵顯示器等進(jìn)行處理，從而達(dá)到想要的虛擬效果。數(shù)據(jù)分析主要是為了實(shí)現(xiàn)以下的功能，即在健美操訓(xùn)練中構(gòu)建訓(xùn)練虛擬現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景和器材，捕獲健美操運(yùn)動(dòng)員的數(shù)據(jù)，采集其生理，生化以及心理數(shù)據(jù)，從而分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行解構(gòu)后重組，實(shí)現(xiàn)健美操動(dòng)作重演和展現(xiàn)，從而達(dá)到分析訓(xùn)練效果，科學(xué)選材的作用。

2.2.2 健美操系統(tǒng)仿真平臺(tái)基本原理與理論上的應(yīng)用環(huán)境

虛擬現(xiàn)實(shí)媒體技術(shù)的應(yīng)用是將健美操的基本動(dòng)作轉(zhuǎn)化為視頻信息，加以標(biāo)注和解釋，在訓(xùn)練過(guò)程中，依據(jù)教學(xué)實(shí)際情況，對(duì)規(guī)定動(dòng)作重復(fù)播出、講授，再通過(guò)教練的正確示范，使學(xué)生在大腦中呈現(xiàn)出明確無(wú)誤的健美操動(dòng)作，從而能夠直觀掌握對(duì)動(dòng)作要領(lǐng)，加快學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)、訓(xùn)練的積極性和主動(dòng)性。同時(shí)也能夠有效地發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，通過(guò)對(duì)錯(cuò)誤動(dòng)作原因的討論，針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行高效的糾正。

而在理論上，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在健美操領(lǐng)域主要可以應(yīng)用于以下3個(gè)方面。

(1)建立虛擬仿真訓(xùn)練模型以及虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練環(huán)境。

(2)對(duì)重點(diǎn)的動(dòng)作進(jìn)行模擬。

(3)健美操動(dòng)作的再創(chuàng)作。

3 健美操訓(xùn)練領(lǐng)域中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 健美操訓(xùn)練特點(diǎn)

健美操結(jié)合了舞蹈藝術(shù)和體育，因而在健美操中，兩者的訓(xùn)練內(nèi)容體系兼而有之。健美操訓(xùn)練包括了三大項(xiàng)內(nèi)容，每一大項(xiàng)又可以進(jìn)行分解。三大項(xiàng)有體能綜合訓(xùn)練，包括力量、靈活性、耐力；動(dòng)作技能訓(xùn)練，包括基礎(chǔ)動(dòng)作技能、標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作和難度動(dòng)作；健美操整體素質(zhì)練習(xí)，包括健美操融合能力、音樂(lè)體驗(yàn)和表現(xiàn)能力、健美運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造能力、心理素質(zhì)訓(xùn)練。

3.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)數(shù)據(jù)采集與三維模型構(gòu)建

使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)進(jìn)行健美操的訓(xùn)練，第一步即要捕獲訓(xùn)練者的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。在構(gòu)建人體骨架上，當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域普遍采用四元數(shù)表示方式來(lái)計(jì)算關(guān)節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)量，通過(guò)獲取所有關(guān)節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)量，再定位其根關(guān)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)相對(duì)位置，采集到人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

在獲得大量相關(guān)數(shù)據(jù)之后，建立健美操訓(xùn)練的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)重組數(shù)據(jù)，建立關(guān)于健美操運(yùn)動(dòng)員的三維模型。通俗的講，該模型為虛擬現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)動(dòng)員，在表現(xiàn)健美操的動(dòng)作時(shí)，可以說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)中的模型等于真實(shí)運(yùn)動(dòng)員。通過(guò)對(duì)虛擬運(yùn)動(dòng)員的分析，將大大提高健美操運(yùn)動(dòng)員對(duì)自己狀態(tài)的認(rèn)知。

3.3 構(gòu)建健美操系統(tǒng)仿真平臺(tái)

在健美操訓(xùn)練領(lǐng)域，為切實(shí)提高訓(xùn)練效率，可以運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建健美操系統(tǒng)仿真平臺(tái)。該平臺(tái)有3個(gè)相互獨(dú)立又共同運(yùn)行的分平臺(tái)構(gòu)成，即行為動(dòng)作生成分平臺(tái)，其作用為依據(jù)傳感器捕獲的數(shù)據(jù)，在科學(xué)性的基礎(chǔ)上，重新編排健美操的動(dòng)作。動(dòng)作模式設(shè)計(jì)分平臺(tái)，就是對(duì)健美操的動(dòng)作模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。群體隊(duì)形模式變化模擬分平臺(tái)，就是依托虛擬現(xiàn)實(shí)技構(gòu)建的仿真模型，通過(guò)數(shù)據(jù)輸入，將健美操隊(duì)形由初始狀態(tài)變?yōu)樽罱K要呈現(xiàn)的狀態(tài)，虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，模型隊(duì)伍變化的方式可以為健美操隊(duì)形模式設(shè)計(jì)提供幫助。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在健美操訓(xùn)練領(lǐng)域前景分析

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛應(yīng)用依舊依托以數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，這將是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)未來(lái)著重發(fā)展的方向，即追求數(shù)據(jù)的精確化與精細(xì)化。目前，仿真系統(tǒng)可以通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)傳感器采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)四元數(shù)表示方式運(yùn)算，由跟蹤設(shè)備直接記錄運(yùn)動(dòng)實(shí)體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸出，構(gòu)建仿真動(dòng)畫。

而在健美操領(lǐng)域，未來(lái)可實(shí)現(xiàn)虛擬訓(xùn)練場(chǎng)地建設(shè)。通過(guò)收集健美操運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、改良、再創(chuàng)作，經(jīng)過(guò)教練的設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)、合理的動(dòng)作組合，確保訓(xùn)練的高效進(jìn)行，從而構(gòu)建模擬仿真度高的訓(xùn)練環(huán)境，打造健美操系統(tǒng)仿真平臺(tái)。進(jìn)一步可以進(jìn)行訓(xùn)練器具和模擬人員等建構(gòu)模型，進(jìn)行虛擬人體在模擬環(huán)境中改良、創(chuàng)設(shè)與調(diào)整健美動(dòng)作模式。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，虛擬現(xiàn)實(shí)正在以摧枯拉朽之勢(shì)創(chuàng)造著一個(gè)新的世界，借用高盛報(bào)告中的一句話，從根本上講，虛擬技術(shù)創(chuàng)造了新的，甚至是更直觀的方式與計(jì)算機(jī)互動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將為我們提供更大的視野，就健美操訓(xùn)練來(lái)說(shuō)，人們將不再受制于原來(lái)訓(xùn)練體系的束縛，意味著，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的易用屬性與廣泛的應(yīng)用潛力，加上體育仿真訓(xùn)練系統(tǒng)廣闊的開(kāi)發(fā)、推廣和發(fā)展前景，這一體系與技術(shù)在體育訓(xùn)練領(lǐng)域?qū)?huì)得到巨大的發(fā)展。

[1]王琳.基于VR技術(shù)的體育健美操仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2017(8)：155-157，162.

[2]張偉.基于VR的健美操仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015(19)：83-84，88.

[3]王繼康.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體育教學(xué)創(chuàng)新探討[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2015(5)：118-120.

G831.3

A

2095-2813(2017)08(c)-0046-02

10.16655/j.cnki.2095-2813.2017.24.046

王晶晶（1984，2—），女，河南駐馬店人，碩士，講師，研究方向：健美操、啦啦操、團(tuán)體操教學(xué)與訓(xùn)練。