基于VR技術(shù)的競(jìng)技健美操編排記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡華

摘 要： 為了解決傳統(tǒng)系統(tǒng)缺少編排算法和約束條件，容易受到信號(hào)干擾，導(dǎo)致編排記錄結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題，提出基于VR技術(shù)的競(jìng)技健美操編排記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)。利用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬環(huán)境，使原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)傳感器處理，形成具有融合屬性的信息，將該信息通過(guò)接口電路傳遞到解釋器中轉(zhuǎn)化為行為信息并記錄，保證信息傳輸不被信號(hào)干擾。根據(jù)軟件設(shè)計(jì)流程，利用齊次變換矩陣法描述運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的肢體動(dòng)作，設(shè)立約束條件，保證系統(tǒng)動(dòng)作編排與記錄的合理性。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該系統(tǒng)編排記錄準(zhǔn)確度最高可達(dá)83%，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性能。

關(guān)鍵詞： VR技術(shù)； 競(jìng)技健美操； 編排記錄； 融合信息； 行為信息； 齊次變換矩陣

中圖分類(lèi)號(hào)： TN02?34； TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）11?0166?05

Design of VR technology based editing and recording system of competitive aerobics

HU Hua

（Chengdu College of Arts and Sciences， Chengdu 610000， China）

Abstract： The traditional system lacks the design of editing algorithm and constraints， and is easily affected by signal disturbance， which may result in inaccurate editing and recording results. Therefore， a design of competitive aerobics editing and recording system based on VR technology is put forward. The VR technology is used to construct the virtual environment， in which the original data is processed by means of the sensor to form the information with fusion attribute. The information is transmitted to the interpreter through the interface circuit， and transferred into the behavior information for recording， which can ensure the information transmission against signal interference. According to the software design process， the homogeneous transformation matrix method is used to describe the body movement in the movement process of athletes. The constrains are set to ensure the rationality of system action editing and recording. The experimental results show that the accuracy of the system editing and recording can reach up to 83%， and the system has high application performance.

Keywords： VR technology； competitive aerobics； editing and recording； fusion information； behavior information； homogeneous transformation matrix

0 引 言

健美操是二十世紀(jì)八九十年代從國(guó)外引進(jìn)的健身運(yùn)動(dòng)，雖然該項(xiàng)健身項(xiàng)目在我國(guó)發(fā)展的時(shí)間較短，但是受到了人們的喜愛(ài)，現(xiàn)在已經(jīng)成為百姓們一項(xiàng)重要的健身項(xiàng)目。國(guó)家體育委員會(huì)也對(duì)這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)高度重視，為了向大眾普及基礎(chǔ)知識(shí)，相關(guān)部門(mén)組織了專(zhuān)家組對(duì)該項(xiàng)運(yùn)動(dòng)編排記錄系統(tǒng)展開(kāi)了深入研究[1]。針對(duì)傳統(tǒng)編排記錄系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出基于VR技術(shù)的競(jìng)技健美操編排記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)。VR技術(shù)即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使用該技術(shù)不但能創(chuàng)建虛擬的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，還可為運(yùn)動(dòng)員帶來(lái)與實(shí)際運(yùn)動(dòng)相同感覺(jué)的虛擬體驗(yàn)，憑借虛擬現(xiàn)實(shí)具備的立體圖像、真實(shí)感聲音和動(dòng)作構(gòu)建虛擬世界[2]。利用VR技術(shù)編排競(jìng)技健美操是運(yùn)動(dòng)員參加比賽的必要條件，其編排質(zhì)量會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的比賽成績(jī)產(chǎn)生直接影響，理想編排能夠突出運(yùn)動(dòng)員的優(yōu)勢(shì)，使其達(dá)到完美的表演效果。

1 競(jìng)技健美操編排記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)

運(yùn)用VR技術(shù)，運(yùn)動(dòng)員能夠依據(jù)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)產(chǎn)生直觀的體驗(yàn)，其優(yōu)勢(shì)如圖1所示。

通過(guò)圖1中的VR技術(shù)特征設(shè)計(jì)競(jìng)技健美操編排記錄系統(tǒng)，其中包括健美操隊(duì)形設(shè)計(jì)和行為動(dòng)作生成，根據(jù)捕捉到的相關(guān)健美操數(shù)據(jù)編排出競(jìng)技健美操的高難度動(dòng)作[3]。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)確定運(yùn)動(dòng)員具體位置，以此為基礎(chǔ)規(guī)劃具體動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)競(jìng)技健美操的完美編排。根據(jù)該原理設(shè)計(jì)競(jìng)技健美操編排記錄系統(tǒng)。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)員在交互空間上通過(guò)傳感器設(shè)備和VR引擎構(gòu)建虛擬環(huán)境，通過(guò)傳感器的處理，競(jìng)技原始數(shù)據(jù)能夠產(chǎn)生具有融合屬性的信息，通過(guò)解釋器轉(zhuǎn)化為行為信息，將此信息記錄輸入到虛擬環(huán)境中，運(yùn)動(dòng)員通過(guò)主機(jī)完成交互行為，硬件部分總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.1.1 傳感器處理模塊

傳感器處理模塊主要由在傳感器中添加的數(shù)據(jù)處理裝置構(gòu)成，具體設(shè)計(jì)如圖3所示。

由圖3可知，P1為經(jīng)過(guò)處理后獲取的融合數(shù)據(jù)信息1，2，3，4；左側(cè)部分為數(shù)據(jù)在傳感器上被處理的過(guò)程，原始數(shù)據(jù)1，2，3，4，5，6經(jīng)過(guò)處理器進(jìn)行處理與轉(zhuǎn)換，形成具有融合屬性的信息。當(dāng)通過(guò)指示燈時(shí)，如果指示燈亮起，說(shuō)明該信息為融合信息；如果指示燈不亮，則該信息被淘汰，不具有融合屬性。

1.1.2 解釋器接口電路模塊

根據(jù)上述傳感器處理模塊可獲取融合信息，利用解釋器將融合信息轉(zhuǎn)化為行為信息[4]。該模塊的設(shè)計(jì)既包含加速度計(jì)，又包含信息解釋器，其中加速度計(jì)主要負(fù)責(zé)模擬融合信息，解釋器主要負(fù)責(zé)將融合信息轉(zhuǎn)化為行為信息。在該模塊中，通常使用力平衡式加速度計(jì)記錄競(jìng)技健美操運(yùn)動(dòng)行為信息[5]。由于傳統(tǒng)系統(tǒng)模擬的融合信息是將信息信號(hào)轉(zhuǎn)化為行為信號(hào)，無(wú)法將信號(hào)直接傳輸?shù)街鳈C(jī)中，為此在硬件結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)解釋器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。解釋器應(yīng)用的通道接口電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

由圖4可知解釋器接口電路連接的方式，將該電路作為整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)的中心電路，方便數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)利用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬環(huán)境，在傳感器處理模塊中添加數(shù)據(jù)處理裝置，并判斷信息是否具有融合屬性，將具有融合屬性的信息傳遞給解釋器。通過(guò)接口電路設(shè)計(jì)，將解釋器中的融合信息轉(zhuǎn)化為行為信息，并使用力平衡式加速度計(jì)進(jìn)行記錄，由此完成系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

VR技術(shù)環(huán)境開(kāi)發(fā)平臺(tái)使用無(wú)線開(kāi)發(fā)工具包，該工具包面向的對(duì)象是具有工業(yè)強(qiáng)度開(kāi)發(fā)和C++構(gòu)建的虛擬現(xiàn)實(shí)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用程序[6]。

1.2.1 編排記錄流程設(shè)計(jì)

針對(duì)系統(tǒng)軟件部分的編排記錄流程設(shè)計(jì)如圖5所示。

競(jìng)技健美操動(dòng)作較為復(fù)雜，需通過(guò)VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)高難度動(dòng)作的編排。由圖5可知，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)健美操排列隊(duì)形，以該隊(duì)形為基礎(chǔ)對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬實(shí)際環(huán)境，完成健美操動(dòng)作的編排，將編排結(jié)果記錄到系統(tǒng)中，通過(guò)系統(tǒng)界面展示編排結(jié)果[7]。

1.2.2 基于VR競(jìng)技健美操編排算法

根據(jù)上述編排記錄流程構(gòu)建出健美操運(yùn)動(dòng)員在編排過(guò)程中的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型仿真出運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作[8]。使用齊次變換矩陣法描述運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的肢體動(dòng)作，通過(guò)VR技術(shù)確定不同坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)員的位置，具體步驟如下：

1） 設(shè)空間坐標(biāo)系為[（X，Y，Z）]，先構(gòu)建運(yùn)動(dòng)員肢體A受到關(guān)節(jié)B的支撐坐標(biāo)系，構(gòu)建結(jié)果為[（XA，YA，ZA）。]

2） 設(shè)在空間坐標(biāo)中關(guān)節(jié)B的旋轉(zhuǎn)角度分別為[a，b，c]。

3） 旋轉(zhuǎn)矩陣，獲取運(yùn)動(dòng)員肢體A在受到關(guān)節(jié)B支撐的齊次變換矩陣，設(shè)運(yùn)動(dòng)角速度為[V1，]線速度為[V2，]具體計(jì)算過(guò)程如下：

[BAZ=BAV1BAV201Z11Z12Z130Z21Z22Z230Z31Z32Z3300001] （1）

通過(guò)式（1）可獲得運(yùn)動(dòng)員肢體運(yùn)動(dòng)軌跡。

利用VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)編排記錄系統(tǒng)軟件部分，使用該技術(shù)可確保系統(tǒng)界面質(zhì)量，并保證運(yùn)動(dòng)員通過(guò)圖像仿真分析確定標(biāo)準(zhǔn)的健美操動(dòng)作。在系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)中，應(yīng)用VR技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)反映競(jìng)技健美操的視覺(jué)效果與動(dòng)作難度，提升系統(tǒng)展示界面的真實(shí)度[9]。

1.2.3 編排動(dòng)作關(guān)聯(lián)約束

銜接兩個(gè)高難度競(jìng)技健美操動(dòng)作需要編排者自己創(chuàng)造出各個(gè)關(guān)節(jié)組合的新舞蹈單元，確定前一個(gè)動(dòng)作單元終止動(dòng)作是否給下一個(gè)動(dòng)作單元造成影響，兩者之間良好的關(guān)聯(lián)性是決定競(jìng)技健美操動(dòng)作完美完成的重要環(huán)節(jié)[10]。

通常在競(jìng)技健美操中不可能出現(xiàn)在挺胸的同時(shí)完成跳躍的動(dòng)作，每個(gè)關(guān)節(jié)之間的動(dòng)作都具有關(guān)聯(lián)約束屬性。具體約束條件如表1所示。

如果前一個(gè)舞蹈動(dòng)作是俯身+伸手叉腰+雙腳固定，那么根據(jù)關(guān)聯(lián)約束，下一個(gè)舞蹈動(dòng)作需繼續(xù)保持俯身動(dòng)作的話，就不能出現(xiàn)抬頭+伸手叉腰+雙腳固定的動(dòng)作[11]。

系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)是根據(jù)編排記錄流程構(gòu)建出健美操運(yùn)動(dòng)員在編排過(guò)程中的數(shù)學(xué)模型，使用齊次變換矩陣法描述運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的肢體動(dòng)作，并利用VR技術(shù)確定具體位置。設(shè)立約束條件，保證系統(tǒng)動(dòng)作編排與記錄的合理性，由此完成軟件部分的設(shè)計(jì)。

2 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于VR技術(shù)的競(jìng)技健美操編排記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。在VR仿真數(shù)據(jù)庫(kù)中選取若干個(gè)競(jìng)技健美操的動(dòng)作，根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)能力和訓(xùn)練強(qiáng)度兩個(gè)方面，編排者設(shè)想競(jìng)技動(dòng)作，進(jìn)而編排出具有專(zhuān)業(yè)水平的復(fù)雜健美操動(dòng)作，通過(guò)VR技術(shù)模擬實(shí)際環(huán)境。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，結(jié)合硬件與軟件特征，判斷其設(shè)計(jì)的有效性，實(shí)現(xiàn)競(jìng)技健美操的有效編排與記錄。

2.1 系統(tǒng)硬件驗(yàn)證

系統(tǒng)硬件部分主要對(duì)傳感器和解釋器進(jìn)行設(shè)計(jì)，在傳感器處理模塊中添加數(shù)據(jù)處理裝置，判斷信息是否具有融合屬性，將具有融合屬性的信息傳遞給解釋器。將所有硬件安裝完成之后，對(duì)該部分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，檢查硬件在信號(hào)干擾條件下，編排與記錄結(jié)果的準(zhǔn)確性是否受到了影響。為了提高實(shí)驗(yàn)的可靠性，將傳統(tǒng)系統(tǒng)與基于VR技術(shù)的競(jìng)技健美操編排記錄系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有受到信號(hào)干擾影響時(shí)，編排記錄準(zhǔn)確度可達(dá)到100%，但是隨著干擾信號(hào)強(qiáng)度的增加，傳統(tǒng)系統(tǒng)編排記錄準(zhǔn)確度下降，為80%，而采用VR技術(shù)的系統(tǒng)編排記錄準(zhǔn)確度也下降到了83%；當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度為400 Hz時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)編排記錄準(zhǔn)確度達(dá)到了最低值為43%，采用VR技術(shù)的系統(tǒng)編排記錄準(zhǔn)確度雖有小幅度下降，但始終維持在80%左右。由此可知，采用VR技術(shù)的系統(tǒng)在信號(hào)干擾情況下仍然能夠進(jìn)行有效編排與記錄。

2.2 系統(tǒng)軟件驗(yàn)證

系統(tǒng)軟件部分主要利用齊次變換矩陣法來(lái)描述運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的肢體動(dòng)作，設(shè)立約束條件，保證系統(tǒng)動(dòng)作編排與記錄的合理性。為了驗(yàn)證該部分的可靠性，分別對(duì)健美操編排算法和編排動(dòng)作關(guān)聯(lián)約束進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，具體內(nèi)容如下。

2.2.1 編排算法驗(yàn)證

基于VR技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)編排算法是為了確定不同坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)員的位置，實(shí)時(shí)反映競(jìng)技健美操的視覺(jué)效果與動(dòng)作難度，提升系統(tǒng)展示界面的真實(shí)度。而傳統(tǒng)系統(tǒng)缺少這一步驟的設(shè)計(jì)，為了驗(yàn)證編排算法設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)編排記錄結(jié)果更加準(zhǔn)確，將傳統(tǒng)系統(tǒng)與基于VR技術(shù)的系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)程序編譯時(shí)間為10 s時(shí)，傳統(tǒng)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度高于基于VR技術(shù)的系統(tǒng)準(zhǔn)確度。但是隨著編譯時(shí)間的增加，基于VR技術(shù)的系統(tǒng)呈折線形式上下波動(dòng)，顯示結(jié)果較為準(zhǔn)確，而傳統(tǒng)系統(tǒng)呈曲線形式上下波動(dòng)，顯示結(jié)果較為模糊。由此可知，有編排算法的VR系統(tǒng)編排記錄結(jié)果較好。

2.2.2 編排動(dòng)作關(guān)聯(lián)約束驗(yàn)證

編排動(dòng)作關(guān)聯(lián)約束條件的設(shè)立是為了保證前一個(gè)動(dòng)作單元終止動(dòng)作與下一個(gè)動(dòng)作單元之間的連貫性，也是決定競(jìng)技健美操動(dòng)作完美完成的重要環(huán)節(jié)。而傳統(tǒng)系統(tǒng)缺少約束條件，為了驗(yàn)證編排動(dòng)作關(guān)聯(lián)約束設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)編排記錄結(jié)果更加準(zhǔn)確，將傳統(tǒng)系統(tǒng)與基于VR技術(shù)的系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，灰色部分為基本動(dòng)作與難度系數(shù)較低動(dòng)作的集合，白色部分是除了上述動(dòng)作之外的高難度競(jìng)技動(dòng)作。采用傳統(tǒng)系統(tǒng)只能完成灰色區(qū)域的動(dòng)作，而采用VR技術(shù)的系統(tǒng)可完成高難度競(jìng)技動(dòng)作。由此可知，設(shè)立約束條件可使系統(tǒng)編排記錄結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得到如下結(jié)論：

1） 針對(duì)系統(tǒng)硬件部分的驗(yàn)證結(jié)果可知，傳統(tǒng)系統(tǒng)編排記錄準(zhǔn)確度持續(xù)下降，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度為400 Hz時(shí)，達(dá)到了最小值43%，而采用VR技術(shù)的系統(tǒng)編排記錄準(zhǔn)確度雖有小幅度下降，但始終維持在80%左右。因此，采用VR技術(shù)的系統(tǒng)在信號(hào)干擾情況下仍然能夠進(jìn)行有效編排與記錄。

2） 針對(duì)系統(tǒng)軟件部分的驗(yàn)證結(jié)果可知，有編排算法和設(shè)立約束條件的VR技術(shù)系統(tǒng)編排記錄結(jié)果更加準(zhǔn)確。

綜上所述，基于VR技術(shù)的競(jìng)技健美操編排記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有合理性。

3 結(jié) 語(yǔ)

在競(jìng)技健美操系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用VR技術(shù)具有合理性，不但為我國(guó)健美操運(yùn)動(dòng)帶來(lái)新的動(dòng)力，還為實(shí)現(xiàn)我國(guó)健美操事業(yè)的發(fā)展提供了技術(shù)支持。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該系統(tǒng)編排記錄準(zhǔn)確度比傳統(tǒng)系統(tǒng)高，有助于實(shí)現(xiàn)我國(guó)體育事業(yè)的智能化發(fā)展。

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