基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的全民健身系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 威

(淮南聯(lián)合大學(xué)信息與網(wǎng)絡(luò)中心，安徽淮南 232001)

傳統(tǒng)的體育教學(xué)模式主要是由鍛煉者自行參與，缺少較為科學(xué)系統(tǒng)的指導(dǎo)，全民健身難以得到有效展開(kāi)。在分析當(dāng)前大眾體育需求基礎(chǔ)上，結(jié)合信息技術(shù)構(gòu)建出全民健身網(wǎng)絡(luò)指導(dǎo)系統(tǒng)，可根據(jù)健身群體差異給予相應(yīng)指導(dǎo)，從而在全社會(huì)范圍內(nèi)提升全民健身效果。全民健身系統(tǒng)建立在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可建立全民健身資料數(shù)據(jù)庫(kù)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)大眾身體狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。當(dāng)前的健身系統(tǒng)還存在一定問(wèn)題，因此需要對(duì)全民健身系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步更新完善，并將其應(yīng)用于實(shí)踐，提升全民健身效果。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)需求分析

本研究構(gòu)建的全民健身系統(tǒng)主要為了滿足我國(guó)大眾健身需求，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)過(guò)程中應(yīng)考慮以下問(wèn)題：

(1)硬件要求較低，系統(tǒng)可以在眾多硬件設(shè)備上運(yùn)行，當(dāng)前智能移動(dòng)終端設(shè)備和家庭電腦在功能以及基本配置上性能不一，基于本系統(tǒng)服務(wù)于社會(huì)大眾，要求該系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)普遍的智能設(shè)備，可在眾多設(shè)備上安裝運(yùn)行，避免在部署以及升級(jí)過(guò)程中出現(xiàn)麻煩。

(2)系統(tǒng)操作界面設(shè)計(jì)要人性化，應(yīng)具備一定清晰度。在系統(tǒng)中設(shè)置幫助選項(xiàng)，使用者均可在短時(shí)間內(nèi)掌握其使用方法，并可快速找到功能界面模塊。在顏色選擇上要柔和，簡(jiǎn)介大方，可體現(xiàn)出個(gè)性化特點(diǎn)。

(3)系統(tǒng)需要具備良好的人機(jī)交互性，在運(yùn)行過(guò)程中可保持流暢性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮盡可能降低系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中造成的卡頓現(xiàn)象，有效測(cè)出用戶健身過(guò)程中的身體各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)定的參數(shù)主要有運(yùn)動(dòng)參數(shù)、心率、熱量消耗等，可反映出用戶的健身效果。

(4)系統(tǒng)應(yīng)具備一定的娛樂(lè)性，通過(guò)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)二維動(dòng)畫和三維動(dòng)畫的人體模型運(yùn)動(dòng)控制，兼顧實(shí)用性和娛樂(lè)性。

(5)將系統(tǒng)與云計(jì)算相結(jié)合，采用較為順暢的圖像處理技術(shù)。以云計(jì)算Web服務(wù)實(shí)現(xiàn)用戶客戶端與服務(wù)器端的有效交互，從而最大限度地提升系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低其運(yùn)行過(guò)程中可能存在的延遲現(xiàn)象[1]。

1.2 系統(tǒng)用例圖

通過(guò)用例圖(圖1)反映出系統(tǒng)角色以及系統(tǒng)功能模塊。該系統(tǒng)角色主要包括用戶和管理員，其中用戶指的是社會(huì)公眾使用者，管理員則是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理、更新、維護(hù)的人員。用戶在該系統(tǒng)中需要首先進(jìn)行身份注冊(cè)，注冊(cè)用戶后便可以固定賬號(hào)及密碼進(jìn)行系統(tǒng)登錄。用戶進(jìn)入系統(tǒng)后可通過(guò)系統(tǒng)功能進(jìn)行替身模擬和參數(shù)統(tǒng)計(jì)，獲得健身指導(dǎo)。用戶信息均被存儲(chǔ)于系統(tǒng)中，用戶可將個(gè)人信息與其他信息進(jìn)行對(duì)比，共享健身信息。管理員主要是進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)管理和用戶管理，并對(duì)系統(tǒng)中所有的功能模塊進(jìn)行管理，結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行功能維護(hù)和用戶權(quán)限設(shè)定[2]。

圖1 系統(tǒng)用例圖

2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)及技術(shù)

2.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)

本研究系統(tǒng)主要采用VS.NET和SQL開(kāi)發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行的編程平臺(tái)。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中克服不兼容現(xiàn)象，在系統(tǒng)構(gòu)架中采用.NET Framework位置在NET所用通訊協(xié)議上，通過(guò).NET Framework開(kāi)發(fā)人員可比較簡(jiǎn)單地建立其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，并通過(guò)Web服務(wù)器提供系統(tǒng)服務(wù)，從而為整個(gè)系統(tǒng)生成、部署、擴(kuò)展及維護(hù)等提供較為便捷的途徑。

程序部署可選擇B/S和C/S兩種方式。通過(guò)C/S可在客戶端模擬出較為流暢的動(dòng)畫效果，具備較為良好的響應(yīng)能力。B/S結(jié)構(gòu)在部署過(guò)程中將數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層等集中于服務(wù)器部分，該系統(tǒng)以瀏覽器作為搭載平臺(tái)，通過(guò)B/S結(jié)構(gòu)可有效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。其不足之處在于對(duì)瀏覽器的依賴性較強(qiáng)，響應(yīng)能力不足，在設(shè)計(jì)過(guò)程中軟件無(wú)法實(shí)現(xiàn)空間模型的有效模擬，用戶在使用該系統(tǒng)時(shí)體驗(yàn)較差。本研究采用智能客戶端，實(shí)現(xiàn)本地應(yīng)用程序與Web之間的交互，并將B/S和C/S兩種客戶端的優(yōu)勢(shì)有效結(jié)合在一起，該集成網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大離線能力，可引進(jìn)高校數(shù)據(jù)管理功能以及智能網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，有效提升系統(tǒng)的功能性。本系統(tǒng)平臺(tái)使用的智能客戶端應(yīng)具備如下功能[3]：

(1)有效調(diào)用本地資源，智能客戶端可有效利用客戶單的硬件設(shè)備，與智能終端相連接的硬件組件等均在可使用范圍內(nèi)。

(2)該系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)中斷時(shí)可有效利用Windows程序的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)Windows窗體與Microsoft.NET.Framework構(gòu)建出客戶端應(yīng)用程序平臺(tái)，通過(guò)Windows窗體強(qiáng)大的界面組件以及其窗口設(shè)計(jì)解決DLL的版本沖突問(wèn)題。

(3)該客戶端屬于一種充分利用Web服務(wù)提供的信息應(yīng)用程序平臺(tái)，可調(diào)用Web服務(wù)器提供系統(tǒng)服務(wù)，有效解決客戶端與服務(wù)器相連可能出現(xiàn)的安全問(wèn)題，為系統(tǒng)運(yùn)行提供有效保障。

(4)系統(tǒng)可支持偶爾連接，在離線或在線狀態(tài)下均可展開(kāi)工作，有效提升系統(tǒng)靈活性。

(5)客戶端可在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的支持下使用網(wǎng)絡(luò)資源。

(6)客戶端可進(jìn)行安裝和卸載，可結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行系統(tǒng)更新，與Web程序一樣實(shí)現(xiàn)部署及更新。

2.2 3D動(dòng)畫處理技術(shù)

本研究在進(jìn)行3D動(dòng)畫處理時(shí)采用TaoFramework中的Tao.Platform.Windows.Simple OpenGlControl派生進(jìn)行MD2的繪制以及處理，通過(guò)編寫類形式進(jìn)行MD2文件的處理，制作出動(dòng)畫模型。文件的構(gòu)建主要包括兩個(gè)方面：第一部分為文件頭，主要包括文件ID號(hào)、版本號(hào)以及相關(guān)模型的起始地址符等；第二部分為文件主體部分，主要包括各種數(shù)據(jù)，例如文件頂點(diǎn)數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)等。將MD2文件組成部分進(jìn)行拆分處理，主要包括文件頭、紋理坐標(biāo)集合、三維對(duì)象組成點(diǎn)集合、組成三角形的點(diǎn)的索引集合、三角形的紋理坐標(biāo)的索引集合。在進(jìn)行MD2文件編制過(guò)程中首先定義其文件頭[4]：

//md2 header

Typedef stuct

{

Int ident;

Int version;

Int skinwidth

Int skindeiight;

Int framesize;

Int num_skins;

Int num_xyz;

Int num_st;

Int num_tris;

Int num_alcmds;

Int num_frames;

Int ofs_skins;

Int ofs_st;

Int ofs_frames;

Int ofs_glcmds;

Int ofs_end;

}md2_t;

MD2是一種基于關(guān)鍵幀動(dòng)畫的文件，與其相關(guān)的關(guān)鍵幀插值數(shù)學(xué)公式可表達(dá)為：

p(t)=p(0)+t(p1-p0).

(1)

其中，t表示當(dāng)前時(shí)間，0表示開(kāi)始，1表示結(jié)束；p(t)表示t時(shí)刻方程值；p0表示起始位置；p1表示結(jié)束位置。通過(guò)以上程序算法以及關(guān)鍵幀便可編制相應(yīng)算法。在編制算法過(guò)程中將所有物體轉(zhuǎn)化為三角形形式，三角形的三個(gè)點(diǎn)在其點(diǎn)坐標(biāo)集合中均存在對(duì)應(yīng)索引值。通過(guò)索引可獲得對(duì)應(yīng)紋理坐標(biāo)值。繪制三角形時(shí)首先要根據(jù)索引指向集合及其紋理坐標(biāo)集合中的相應(yīng)值進(jìn)行量化處理，之后再進(jìn)行繪制工作。因此該過(guò)程設(shè)計(jì)緩存過(guò)程，需要系統(tǒng)具備緩存硬件和軟件基礎(chǔ)。

2.3 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用智能客戶端平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)邏輯分析，促使程序高效運(yùn)行，在運(yùn)行過(guò)程中不需要與系統(tǒng)服務(wù)器之間進(jìn)行頻繁溝通通信。根據(jù)功能模塊，結(jié)構(gòu)框架的構(gòu)建可分為客戶端和服務(wù)器端兩部分，系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)均由系統(tǒng)自身自動(dòng)完成，用戶易于上手。系統(tǒng)運(yùn)行及功能擴(kuò)展均由管理員負(fù)責(zé)，用戶只要在該系統(tǒng)中選擇相應(yīng)操作實(shí)現(xiàn)自己需求即可。結(jié)合用戶實(shí)際需求，構(gòu)建系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)、Web服務(wù)器、視頻采集、動(dòng)畫處理、運(yùn)動(dòng)曲線繪制、熱量消耗統(tǒng)計(jì)等多個(gè)模塊，其中統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)、Web服務(wù)器位于系統(tǒng)服務(wù)器部分，其他模塊則位于客戶端。系統(tǒng)整體框架見(jiàn)圖2[5]。

圖2 系統(tǒng)整體框架

圖3 客戶端功能模塊圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

由圖2可知，該系統(tǒng)主要包括服務(wù)器端和客戶端兩個(gè)部分，客戶端Windows程序通過(guò)ClickOnce發(fā)布，服務(wù)器則通過(guò)Windows程序進(jìn)行系統(tǒng)編程，并采用同樣方式進(jìn)行系統(tǒng)管理及維護(hù)，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)分開(kāi)設(shè)計(jì)。

3.1 服務(wù)器端設(shè)計(jì)

服務(wù)器端的主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)。其后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括用戶信息表userTable和用戶運(yùn)動(dòng)記錄表HTable，以及運(yùn)功過(guò)程中消耗熱量表CALTable。數(shù)據(jù)庫(kù)在進(jìn)行信息處理時(shí)主要通過(guò)用戶信息表進(jìn)行管理，該部分用戶信息是用戶初次進(jìn)入系統(tǒng)登記后自動(dòng)生成的，存儲(chǔ)于用戶信息表中。用戶信息表主要包括用戶名、密碼、性別、年齡、權(quán)限、頭像、salt等(表1)，用戶名和密碼是相互對(duì)應(yīng)的，存在一對(duì)一關(guān)系，其他信息不存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，若用戶名和密碼無(wú)法對(duì)應(yīng)，用戶則無(wú)法進(jìn)入系統(tǒng)。

其他部分字段名可在以上字段名的基礎(chǔ)上進(jìn)行變換，記錄用戶在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的各種信息，例如熱量消耗表(表2)。

表1 用戶信息表

表2 熱量消耗表

對(duì)于運(yùn)動(dòng)情況模塊，本著激勵(lì)用戶的原則，實(shí)時(shí)掌握用戶的運(yùn)動(dòng)情況，以此為依據(jù)制作系統(tǒng)動(dòng)畫模型，對(duì)動(dòng)畫模型參數(shù)進(jìn)行有效分析，結(jié)合GDI+在窗體中繪制出2D運(yùn)動(dòng)無(wú)線，根據(jù)收集到的參數(shù)計(jì)算得到用戶運(yùn)動(dòng)消耗的熱量。

3.2 客戶端設(shè)計(jì)

客戶端主要對(duì)應(yīng)客戶需求，構(gòu)建出客戶端功能模塊如圖3所示。

(1)視頻識(shí)別模塊。該模塊主要通過(guò)攝像設(shè)備收集用戶的運(yùn)動(dòng)圖像，由圖像的不同幀抽取圖像進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻文件的有效識(shí)別。

(2)2D動(dòng)畫處理模塊。通過(guò)2D動(dòng)畫處理方式識(shí)別用戶運(yùn)動(dòng)參數(shù)，收集視頻，設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，結(jié)合實(shí)際需求設(shè)置各種參數(shù)。

(3)3D動(dòng)畫處理模塊。對(duì)3D視頻進(jìn)行有效識(shí)別，得出運(yùn)動(dòng)參數(shù)，對(duì)用戶運(yùn)動(dòng)的3D參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合實(shí)際需求設(shè)定視頻參數(shù)。

(4)運(yùn)動(dòng)曲線圖。結(jié)合系統(tǒng)中的動(dòng)畫模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)的控制，通過(guò)GDI+在運(yùn)動(dòng)曲線圖窗體中繪制用戶運(yùn)動(dòng)曲線，得到運(yùn)動(dòng)曲線圖。

(5)消耗熱量表。根據(jù)用戶運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在系統(tǒng)顯示界面將用戶消耗的熱量以文字和圖片形式展示出來(lái)。

(6)系統(tǒng)幫助文檔。主要包括系統(tǒng)安裝及使用說(shuō)明書，并對(duì)用戶在實(shí)際使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行解答。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以人性化為主，客戶端界面主要包括主界面、登錄界面、參數(shù)查詢界面，客戶端使用流程圖如圖4所示。

圖4 客戶端使用流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的設(shè)置

在系統(tǒng)確定后要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試，首先要設(shè)定系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。為保證系統(tǒng)具有一定實(shí)用性，設(shè)定試驗(yàn)配置為中下版本，客戶端運(yùn)行配置見(jiàn)表3，服務(wù)器端運(yùn)行配置見(jiàn)表4。

表3 客戶端運(yùn)行配置

表4 服務(wù)器端運(yùn)行配置

4.2 系統(tǒng)測(cè)試

采用ClickOnce部署方式，為SmartClient提供簡(jiǎn)潔可靠的方案，為系統(tǒng)提供自更新程序，通過(guò)ClickOnce降低網(wǎng)絡(luò)部署中系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程工作量，且可通過(guò)ClickOnce將執(zhí)行文件放置于Web頁(yè)面上，并非簡(jiǎn)單地將可執(zhí)行文件放置于硬盤驅(qū)動(dòng)器中。系統(tǒng)會(huì)定期在Web頁(yè)面對(duì)可執(zhí)行文件進(jìn)行更新檢測(cè)，用戶可在客戶端進(jìn)行軟件更新。若用戶在客戶端計(jì)算機(jī)上啟動(dòng)舊版本應(yīng)用程序，系統(tǒng)會(huì)彈出提示框，用戶可根據(jù)提示觀察Web服務(wù)器動(dòng)態(tài)并進(jìn)行選擇更新。

結(jié)合以上部署對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證其實(shí)效性。在系統(tǒng)測(cè)試中按照系統(tǒng)運(yùn)行要求，將以上配件并入網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)入系統(tǒng)登錄界面，在登錄界面點(diǎn)擊進(jìn)入注冊(cè)界面，注冊(cè)成功后便可登錄該系統(tǒng)進(jìn)入主界面。系統(tǒng)主界面包括四部分：用戶資料、視頻窗口、動(dòng)畫窗口、參數(shù)顯示欄。其中，用戶資料部分主要顯示與用戶個(gè)人的相關(guān)信息，視頻窗口、動(dòng)畫窗口、參數(shù)顯示欄則是系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中用戶可點(diǎn)選的功能模塊，運(yùn)行該模塊后進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，并可將得到的數(shù)據(jù)繪制為曲線圖。

系統(tǒng)測(cè)試運(yùn)動(dòng)曲線圖(圖5)不僅可顯示出運(yùn)動(dòng)類型及運(yùn)動(dòng)距離等參數(shù)，還可得出運(yùn)動(dòng)過(guò)程消耗的熱量，向用戶提供個(gè)性化推薦服務(wù)，用戶可通過(guò)該系統(tǒng)制定健身訓(xùn)練計(jì)劃。研究表明，本研究構(gòu)建的系統(tǒng)具有一定實(shí)用性，可滿足大眾健身需求。

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