基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的競技體育仿真應(yīng)用開發(fā)研究

郝慶威，郝婉全

(1.沈陽體育學(xué)院 體育教育學(xué)院，遼寧 沈陽 110102；2.南加州大學(xué) 安娜伯格傳媒學(xué)院，美國 洛杉磯 CA90089)

1 引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality，VR)作為互聯(lián)網(wǎng)時代下高科技產(chǎn)物代表，計算機(jī)系統(tǒng)通過編程的方式對人類的感覺進(jìn)行模擬的，并將其實時呈現(xiàn)出來的虛擬世界就是虛擬環(huán)境[1]。VR是典型的計算機(jī)系統(tǒng)，借助計算機(jī)技術(shù)創(chuàng)建虛擬世界并讓人們進(jìn)行體驗。該技術(shù)集成了軟件技術(shù)和硬件技術(shù)，讓虛擬世界與體驗者能夠充分的融合在一起，大大提升虛擬世界的真實性，體驗者更是能從其中感受到真實世界當(dāng)中無法感受到的體驗，打破時間和空間的限制[2]。VR技術(shù)的不斷更新，很多行業(yè)紛紛開始涉足該領(lǐng)域，并將其作為現(xiàn)代化進(jìn)程的跳板[3]。虛擬系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的輸出形式多種多樣，且能夠?qū)芏噍斎朐O(shè)備進(jìn)行處理，實現(xiàn)碰撞檢測、實時交互的目的[4-6]。目前社會多個領(lǐng)域都開始使用VR技術(shù)，包括教育醫(yī)學(xué)、軍事網(wǎng)絡(luò)以及智能機(jī)器人等[7-9]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種綜合性學(xué)科，涉及到包括傳感器技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及圖像圖形處理技術(shù)等各種現(xiàn)代化手段[10]。近年來商業(yè)化進(jìn)程的不斷加深，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。本文基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對競技體育仿真應(yīng)用開發(fā)進(jìn)行了研究。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)及需求分析

2.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

“科技改變生活”——VR是一種現(xiàn)代化的計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)，為虛擬計算機(jī)系統(tǒng)環(huán)境的創(chuàng)建有極大幫助，體驗者也能夠感受到突破時間、空間限制的虛擬體驗，且逼真效果非常強(qiáng)烈，不論是動作、聲音還是作用力等都與真實世界一般無二。VR技術(shù)的應(yīng)用，除了可以將真實的現(xiàn)實世界再現(xiàn)出來，同時還能讓真實世界與人們所構(gòu)想出來的世界進(jìn)行交互，提高虛擬環(huán)境的逼真性。實際方針模擬VR是借助列傳感器集成設(shè)備處理傳感器數(shù)據(jù)，基于融合信息的基礎(chǔ)上構(gòu)建VR虛擬環(huán)境，最終實現(xiàn)真實世界和虛擬空間的相互交互，發(fā)揮其最大的價值。圖1為多感知的VR交互模型。

圖1 VR交互模型

2.2 需求分析

在VR技術(shù)競技體育仿真系統(tǒng)當(dāng)中，能夠?qū)Ω偧俭w育訓(xùn)練展開科學(xué)化和準(zhǔn)確性的管理，盡可能保障訓(xùn)練過程中我國運動員的健康安全，避免發(fā)生不必要的受傷損害，在這個過程中VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)揮了巨大的功效，通過仿真訓(xùn)練的方式增強(qiáng)體育運動員的競技水平，同時結(jié)合實體訓(xùn)練增強(qiáng)其綜合實力。體育仿真系統(tǒng)充分發(fā)揮了VR技術(shù)的優(yōu)勢，對體育項目進(jìn)行模仿，體育教練在這個過程中可以獲得充足的仿真數(shù)據(jù)，從而針對每一個運動員制定最佳的訓(xùn)練模式和方案，得到最好的訓(xùn)練效果。同時通過該系統(tǒng)運動員能夠更加清楚自身的錯誤動作以及有待加強(qiáng)的地方，不斷優(yōu)化他們的動作使其符合標(biāo)準(zhǔn)。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)成

虛擬現(xiàn)實當(dāng)中所涉及的學(xué)科包括傳感技術(shù)、圖像處理與模式識別、智能技術(shù)以及計算機(jī)圖形學(xué)等，將其進(jìn)行綜合可以讓體驗者感受到非常強(qiáng)烈的視覺效果，逼真性大大增強(qiáng)，營造出與環(huán)境交互體驗的虛擬世界。虛擬現(xiàn)實技術(shù)與傳統(tǒng)仿真技術(shù)的不同之處在于，前者可以讓體驗者感知到外界環(huán)境的變化，即實現(xiàn)計算機(jī)幫助外界世界刺激體驗者的功能。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本構(gòu)成結(jié)構(gòu)為圖2所示。從圖1我們可以看出，虛擬現(xiàn)實的構(gòu)成模塊包括建模模塊、傳感器模塊、控制模塊、檢測模塊以及反饋模塊等。

(1)建模模塊：對現(xiàn)實世界當(dāng)中的三維表示進(jìn)行獲取，并通過建模技術(shù)構(gòu)建與三維圖形相匹配的虛擬環(huán)境；(2)傳感器模塊：在虛擬環(huán)境中接受用戶操作命令，并對其進(jìn)行反饋傳達(dá)給用戶；(3)控制模塊：主要承擔(dān)控制傳感器的責(zé)任；(4)檢測模塊：檢測用戶發(fā)出的操作命令，并在虛擬環(huán)境中將其應(yīng)用起來；(5)反饋模塊：及時將信息反饋給用戶。

圖2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本構(gòu)成圖

4 基于VR體育仿真系統(tǒng)

VR體育仿真系統(tǒng)是通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，仿真訓(xùn)練競技體育項目。教練和運動員通過該高科技含量的訓(xùn)練模式，能夠不斷創(chuàng)新訓(xùn)練手段，得到最好的訓(xùn)練效果，并確保運動員的身體健康。此外，系統(tǒng)仿真的應(yīng)用范圍可以不斷擴(kuò)大，提高虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷加快。所以，在體育競技訓(xùn)練過程中使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的市場潛力巨大，且應(yīng)用前景非常樂觀。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點包括：輸出形式多元化、可以處理多種輸入設(shè)備、實現(xiàn)復(fù)雜行為建模、實時交互以及碰撞檢測等功能。在競技體育的訓(xùn)練當(dāng)中，教練員和遠(yuǎn)動員通過虛擬現(xiàn)實技能能夠開展有效的仿真訓(xùn)練，并展開各項交互過程。運動員在VR體育仿真系統(tǒng)的幫助下將不斷增強(qiáng)其科學(xué)訓(xùn)練水平和綜合實力。運動仿真系統(tǒng)與VR技術(shù)的充分結(jié)合，可以劃分為3個小的子系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

此次對VR競技體育仿真系統(tǒng)的設(shè)計，實際上包括各個環(huán)節(jié)當(dāng)中所有競技體育的系列動作。除了隊形設(shè)計、圖案設(shè)計以外，還涉及到行為動作生成系統(tǒng)，能夠迅速掌識別體操相關(guān)數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行收集整理，從而對競技體育的動作進(jìn)行創(chuàng)新編排。最后，就是仿真競技體育動作以及圖案變化的系統(tǒng)，該部分主要就是能夠定位運動員所處的虛擬仿真環(huán)境具體位置，并按照一定的路徑開展動作控制過程。

5 系統(tǒng)功能設(shè)計

5.1 VR感知交互模型

本次設(shè)計的競技體育仿真系統(tǒng)，可以對競技體育比賽當(dāng)中的場景進(jìn)行模擬，并對其中涉及到的競技體育動作和數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，從而判斷體育運動員的動作是否標(biāo)準(zhǔn)，并對其缺陷進(jìn)行針對性的提升和完善。所以，競技體育仿真系統(tǒng)和VR技術(shù)的相互融合，需要滿足數(shù)據(jù)的輸出和輸入功能，并要確保在VR技術(shù)的基礎(chǔ)上盡可能對體育運動員的競技體育動作進(jìn)行仿真模擬，隨時體驗最真實、最可靠的競技體育仿真環(huán)境。系統(tǒng)功能交互結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 VR感知交互模型

5.2 基于VR在競技體育系統(tǒng)仿真的功能

虛擬環(huán)境產(chǎn)生器、輸入系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)是構(gòu)成VR體育仿真系統(tǒng)的三個結(jié)構(gòu)，具體內(nèi)容如圖5所示。其中用戶系統(tǒng)、高性能計算機(jī)、仿真管理器以及三維模型數(shù)據(jù)庫等共同構(gòu)成虛擬環(huán)境產(chǎn)生器；效果產(chǎn)生器和信號轉(zhuǎn)換器共同構(gòu)成輸出系統(tǒng)；轉(zhuǎn)換器、手套輸入轉(zhuǎn)換、位置方向跟蹤器以及數(shù)據(jù)手套等則共同構(gòu)成輸入系統(tǒng)。以此為背景，用戶對環(huán)境的感受則更加逼真，實現(xiàn)自身感受與虛擬環(huán)境之間的自然交互過程，有身臨其境之感。

圖5 基于VR的競技體育仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5.2.1 構(gòu)建訓(xùn)練場景和器材

嚴(yán)格按照運動項目的特征性設(shè)計虛擬的訓(xùn)練場景，例如風(fēng)速、天氣、浪高等因素對帆船帆板項目的影響較大，因此需要在虛擬場景當(dāng)中進(jìn)行合理的設(shè)定。該系統(tǒng)當(dāng)中包含多個傳感器，能夠?qū)ΜF(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，并在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上形成三維視景，完成虛擬環(huán)境的構(gòu)建，從而在任何訓(xùn)練條件下均可以實現(xiàn)訓(xùn)練的目的。同時運動員還可以通過學(xué)習(xí)觀看虛擬體育競技當(dāng)中的數(shù)據(jù)和動作，對自身不標(biāo)準(zhǔn)的動作進(jìn)行調(diào)整，在滿足日常訓(xùn)練的同時，還可以作為賽前調(diào)整期，將其最高水平充分展現(xiàn)在競技項目中。

5.2.2 捕獲運動數(shù)據(jù)

運動員的實時數(shù)據(jù)可以通過傳感器跟蹤設(shè)備得到準(zhǔn)確的記錄，同時在計算機(jī)動畫當(dāng)中將其展現(xiàn)出來。能夠準(zhǔn)確抓取運動員的實時數(shù)據(jù)是該方法的最大優(yōu)勢，且運動員的動作可以被模擬環(huán)境極盡逼真的復(fù)制出來，在此基礎(chǔ)上對動作或數(shù)據(jù)進(jìn)行重新修改和設(shè)計，將理想中的動作轉(zhuǎn)化到現(xiàn)實當(dāng)中，確保訓(xùn)練過程的科學(xué)性和真實性。

5.2.3 采集生理生化和心理數(shù)據(jù)

運動員競技狀態(tài)可以通過三個指標(biāo)來表現(xiàn)：生理指標(biāo)、生化指標(biāo)以及生理指標(biāo)。不同運動項目需要設(shè)置不同的傳感器或智能化儀器，從而及時采集相應(yīng)的指標(biāo)和理化數(shù)據(jù)。生理指標(biāo)主要包括各器官和系統(tǒng)技能的指標(biāo)、以及人體新陳代謝指標(biāo)等。教練員將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，最終編排出創(chuàng)新性、科學(xué)性的動作，并將其與自身理想中的動作相結(jié)合，實現(xiàn)最優(yōu)的編排和訓(xùn)練方案。

5.2.4 重演和展現(xiàn)動作

在體育仿真系統(tǒng)當(dāng)中，動作重現(xiàn)是非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，然而傳統(tǒng)攝像手段很難將其全部落實，例如在帆船帆板項目的訓(xùn)練過程中，想要將動作完全重現(xiàn)幾乎難以實現(xiàn)，而體育仿真系統(tǒng)在該方面的優(yōu)勢性較強(qiáng)。在競技體育項目當(dāng)中，需要不斷的創(chuàng)新動作，而體育仿真系統(tǒng)則能夠?qū)⑦\動員的動員進(jìn)行完美重現(xiàn)，精確度極高，教練員和運動員在VR體育競技仿真技術(shù)的幫助下，可以不斷進(jìn)行動作的創(chuàng)新，增強(qiáng)其整體水平，直觀的感受到動作技術(shù)要領(lǐng)，并保障運動員的健康安全。

5.2.5 分析訓(xùn)練效果

基于體育仿真系統(tǒng)在同一個屏幕當(dāng)中同時呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模擬動作和運動員訓(xùn)練動作，教練員和運動員共同對其進(jìn)行差異性分析，找出運動員的不足和缺陷，不斷提升其技術(shù)水平。量化分析運動員的技術(shù)動作，并將分析結(jié)果以圖形的形式呈現(xiàn)出來。與此同時，要更深層次的對運動員的技術(shù)動作和理想動作展開分析，為其提供科學(xué)性、指導(dǎo)性的改進(jìn)意見。

5.2.6 進(jìn)行科學(xué)選材

我國具有天賦的運動員有很多，但往往并不能將其全部選拔出來，這是由于經(jīng)驗選撥機(jī)制的滯后性所決定的，因此后備人才儲備急需增強(qiáng)。如果將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在某些項目的運動員選拔測試當(dāng)中，并結(jié)合多元化數(shù)據(jù)構(gòu)建理想的運動員模型，并將其作為項目選材當(dāng)中的運動學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)和選拔依據(jù)。全面從而是所有參加選拔的少年、兒童，并在計算機(jī)當(dāng)中對測試資料進(jìn)行匯總，將其與虛擬模型運動員的指標(biāo)展開比對分析，從而篩選出最具有可塑性和運動員以及最合適的運動項目，將有潛力的運動員充分的挖掘出來。

6 設(shè)計實現(xiàn)系統(tǒng)代碼及測試

6.1 設(shè)計實現(xiàn)系統(tǒng)代碼

將VR技術(shù)應(yīng)用在競技體育方針系統(tǒng)當(dāng)中對軟件部分進(jìn)行優(yōu)化。Open GL與VR技術(shù)的充分融合，所構(gòu)建出的三維圖形標(biāo)準(zhǔn)具有通用共享開放式的特征，為系統(tǒng)界面質(zhì)量的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)，并將硬件與軟件圖形數(shù)據(jù)之間的接口進(jìn)行優(yōu)化，提高系統(tǒng)圖像圖形的質(zhì)量，盡可能發(fā)揮圖像仿真體育動作的分析功能。在設(shè)計系統(tǒng)軟件的過程中，要在VR技術(shù)EON的基礎(chǔ)上，結(jié)合真實人體動作和競技體育視覺效果，不斷增強(qiáng)畫面的逼真性。下面是具體的代碼流程操作：

Class CAboutDlg ： public CDialog

{

Public ：

CAboutDlg(CWnd* pParent=NULL)；

{{AFX_DATA(CAboutDlg)

enum {IDD=IDD_ABOUT_DIALOG}；

}}AFX_DATA

Protected ：

Virtual void DoDataExchange

(Cdata Exchange* pDX)；

}

} AFX_VIRTUAL

Protected ：

virtual BOOL OnInitDialog()；

DECLARE_MESSAGE_MAP()

}.

6.2 系統(tǒng)的驗證測試

將競技體育仿真系統(tǒng)與VR技術(shù)充分融合，構(gòu)建包含豐富競技體育動作的競技體育動作VR仿真數(shù)據(jù)庫，教練員能夠根據(jù)自身的設(shè)想結(jié)合運動員的實際情況，從該數(shù)據(jù)庫當(dāng)中篩選并編排復(fù)雜的競技體育運動，基于VR技術(shù)展開對運動員的模擬仿真訓(xùn)練，實現(xiàn)最佳的訓(xùn)練效果。

7 應(yīng)用效益分析

現(xiàn)階段在訓(xùn)練體育健美操項目時，所使用的虛擬場景依舊是二維的，運動員很難感受到真實的訓(xùn)練效果，因此其訓(xùn)練積極性也將大打折扣。對基于VR技術(shù)開發(fā)的競技體育虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和廣泛的應(yīng)用，將其價值充分展現(xiàn)在項目訓(xùn)練過程中，增強(qiáng)運動員的真實感受，得到最佳的訓(xùn)練效果。在人體幾何建模手段的基礎(chǔ)上，構(gòu)建運動員的基本骨骼框架，并在運動捕捉技術(shù)的主導(dǎo)下采集健美操運動員的運動數(shù)據(jù)，不斷深入分析，在現(xiàn)在計算機(jī)技術(shù)的幫助下開展仿真模擬操作，確保運動員在模擬場景中有良好的適應(yīng)性，進(jìn)一步提升用戶體驗和應(yīng)用效益。

8 結(jié)語

競技體育仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的充分融合，將大大促進(jìn)我國運動員的整體運動競技水平，并在不斷優(yōu)化訓(xùn)練效果的同時確保運動員的健康安全。綜合上述分析內(nèi)容，在未來的競技體育發(fā)展過程中，基于VR的競技體育仿真技術(shù)具有非常大應(yīng)用市場和發(fā)展前景。所以，要對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展動態(tài)進(jìn)行及時跟蹤，并對其展開深入的分析從而促進(jìn)我國競技體育的現(xiàn)代化發(fā)展水平。