基于VR 技術(shù)的籃球裁判員培訓(xùn)及考核模擬系統(tǒng)

劉永峰，許瀚楊，姬鵬杰

（成都體育學(xué)院，四川 成都 610041）

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality， 簡(jiǎn)稱VR），是一種計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，或可稱作是一種人工環(huán)境，它可利用計(jì)算機(jī)生成一種仿生模擬環(huán)境，利用電腦和外部模擬設(shè)備讓用戶在交互式的三維動(dòng)態(tài)視景人工環(huán)境中進(jìn)行多源信息融合和實(shí)體行為的體驗(yàn)。隨著大數(shù)據(jù)和人工智能的快速發(fā)展，VR 技術(shù)的應(yīng)用已在不同領(lǐng)域相繼綻放出其獨(dú)特的魅力，VR 發(fā)展的日趨成熟，多領(lǐng)域、多功能逐漸成為VR 的代名詞，諸多學(xué)者分別在自身的研究領(lǐng)域結(jié)合VR 技術(shù)運(yùn)用研究達(dá)到了新的高度。整理文獻(xiàn)資料中發(fā)現(xiàn)，VR 系統(tǒng)在“三大球”領(lǐng)域的運(yùn)用迄今還未涉獵，仍屬于嶄新的研究領(lǐng)域。鑒于此，如何結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）對(duì)籃球裁判的臨場(chǎng)培訓(xùn)和實(shí)踐考核體系，構(gòu)建一套籃球裁判員培訓(xùn)及考核模擬系統(tǒng)，對(duì)當(dāng)下籃球裁判員教學(xué)改革有著重要的實(shí)用價(jià)值。

1 VR 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用籃球裁判考核中的板塊和設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)構(gòu)建是由4部分組成，即計(jì)算機(jī)設(shè)備、軟件系統(tǒng)、硬件設(shè)備和數(shù)據(jù)庫，4 個(gè)系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)和構(gòu)建。計(jì)算機(jī)設(shè)備是計(jì)算機(jī)構(gòu)建與用戶交互的虛擬世界；軟件系統(tǒng)為虛擬世界合成并生成環(huán)境氛圍以及管理并通過外部設(shè)備與用戶建立聯(lián)系；硬件設(shè)備為用戶佩戴，是用戶與進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)世界的橋梁負(fù)責(zé)輸出及輸入數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)以及構(gòu)建虛擬環(huán)境的素材內(nèi)容。四大設(shè)備的協(xié)調(diào)運(yùn)用促成了整套VR 系統(tǒng)的運(yùn)作。計(jì)算機(jī)含括控制器、傳感器與生成器。外部數(shù)據(jù)庫對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)世界及儲(chǔ)存視頻的輸入，通過計(jì)算機(jī)及軟件系統(tǒng)的處理，生成虛擬仿真世界。參考人員通過穿戴硬件設(shè)備（VR 眼鏡及模擬仿真器）進(jìn)入虛擬仿真世界，對(duì)3D 畫面進(jìn)行評(píng)定與交互，且用戶在虛擬世界中的表現(xiàn)數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)輸出并儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫中，其系統(tǒng)的完整運(yùn)作離不開先進(jìn)的計(jì)算機(jī)設(shè)備。

2 籃球裁判員培訓(xùn)及考核模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 籃球裁判員考核模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)、理念及目的

該系統(tǒng)能夠緊密結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的要求的原理，滿足不同籃球裁判培訓(xùn)、考核和提升需求，構(gòu)建系統(tǒng)所需的軟、硬件環(huán)境。通過此技術(shù)可提供虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，構(gòu)建虛擬或現(xiàn)實(shí)的籃球比賽環(huán)境，對(duì)不同級(jí)別的籃球裁判員（3級(jí)、2 級(jí)、1 級(jí)和國家級(jí)）培訓(xùn)和晉級(jí)考核。該系統(tǒng)的原理和方法，可移植到其他體育項(xiàng)目裁判員的培養(yǎng)和考核。該系統(tǒng)不僅能夠節(jié)約大量的人力、物力和財(cái)力資源，提供更為便捷的空間和臨場(chǎng)環(huán)境，而且又能夠利用即時(shí)反饋系統(tǒng)和糾錯(cuò)系統(tǒng)的功能，不斷強(qiáng)化參考人員的臨場(chǎng)記憶和實(shí)踐操作技能。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于高等體育學(xué)院校（系）、軍隊(duì)、企業(yè)、政府體育部門等籃球裁判自學(xué)、培訓(xùn)、篩選和考核等工作。

2.2 技術(shù)原理

通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，裁判穿戴VR 設(shè)備后利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓裁判通過3D 的VR 影像觀看比賽參與執(zhí)判，VR 影像可一次拍攝制作反復(fù)使用，無須每次訓(xùn)練或考核都準(zhǔn)備真實(shí)的比賽。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真使參考人員沉浸到該環(huán)境中，相比于觀看傳統(tǒng)的常規(guī)形式的錄像，VR 影像更能讓裁判身臨其境的觀看比賽，裁判更易給出準(zhǔn)確的判決，且VR 設(shè)備的空間定位功能，能通過裁判自身的朝向、移動(dòng)模擬裁判在比賽場(chǎng)內(nèi)的位置，讓裁判員考評(píng)時(shí)在虛擬的比賽環(huán)境中。裁判員可在室內(nèi)利用該系統(tǒng)直接執(zhí)判，可大大減少對(duì)比賽的干擾；也可在場(chǎng)內(nèi)執(zhí)裁遇到爭(zhēng)議性判決時(shí)，使用該系統(tǒng)輔助判決。根據(jù)比賽的激烈程度、裁判的判決難度等因素對(duì)比賽的VR 影像進(jìn)行分級(jí)，可分為三級(jí)裁判員、二級(jí)裁判員、一級(jí)裁判員、國家級(jí)裁判員?；@球裁判訓(xùn)練或考核模擬方法，包括如下步驟：（1）生成不同級(jí)別的籃球比賽VR 影像數(shù)據(jù)；（2）對(duì)不同級(jí)別的比賽中的犯規(guī)、違例等事件進(jìn)行標(biāo)注，便于正誤對(duì)比；（3）將VR 影像數(shù)據(jù)傳輸至裁判的VR 穿戴設(shè)備；（4）接收裁判觀看VR 影像過程中的判決；（5）對(duì)比裁判的判決結(jié)果與預(yù)設(shè)的正確判決，并輸出對(duì)比結(jié)果，以供裁判參考學(xué)習(xí)。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，裁判穿戴VR 設(shè)備后利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓裁判通過3D 的VR 影像觀看比賽參與執(zhí)判，VR 影像可一次拍攝制作反復(fù)使用，無須每次訓(xùn)練或考核都準(zhǔn)備真實(shí)的比賽，相比于傳統(tǒng)方式的訓(xùn)練或考核，該方法更簡(jiǎn)便，更智能化。

2.3 處理模塊設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

一種籃球裁判訓(xùn)練或考核模擬系統(tǒng)包括： VR 影像生成模塊，用于將真實(shí)比賽的3D 視頻信息轉(zhuǎn)化成VR 影像數(shù)據(jù)或?qū)⒅谱鞯?D 籃球比賽動(dòng)畫視頻信息轉(zhuǎn)化成VR 影像，其中根據(jù)真實(shí)比賽的3D 視頻信息轉(zhuǎn)化可實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化或比賽全部拍攝完成后統(tǒng)一轉(zhuǎn)化；控制器，用于處理VR 影像數(shù)據(jù)并將其發(fā)送至VR 設(shè)備； VR 設(shè)備，用于通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將VR 影像顯示給訓(xùn)練或考核的裁判；裁判判決模塊，用于接收裁判的判決；裁判判決對(duì)比模塊，用于將裁判的判決與預(yù)設(shè)的正確判決對(duì)比，生成訓(xùn)練或考核成績(jī)；訓(xùn)練或考核結(jié)果顯示模塊，用于將訓(xùn)練或考核成績(jī)顯示，以供訓(xùn)練或考核的裁判查驗(yàn)。優(yōu)選地，所述VR 影像生成模塊包括：3D 視頻拍攝子模塊，用于對(duì)真實(shí)比賽進(jìn)行直接拍攝，并生成3D 視頻信息；VR 影像生成子模塊，用于將真實(shí)比賽的3D 視頻信息轉(zhuǎn)化成VR 影像數(shù)據(jù)或?qū)⒅谱鞯?D 籃球比賽動(dòng)畫視頻信息轉(zhuǎn)化成VR 影像。優(yōu)選地，所述控制器包括存儲(chǔ)器和驅(qū)動(dòng)模塊。其中，所述存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)VR 影像數(shù)據(jù)的；所述VR 驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)VR 設(shè)備顯示VR 影像。優(yōu)選地，所述控制器還包括分級(jí)模塊，根據(jù)三級(jí)裁判員、二級(jí)裁判員、一級(jí)裁判員、國家級(jí)裁判員的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)VR影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)，并在訓(xùn)練和考核時(shí)根據(jù)選擇的級(jí)別調(diào)用對(duì)應(yīng)的VR 影像數(shù)據(jù)。

具體裁判考核系統(tǒng)運(yùn)作模塊如圖1 所示。（1）VR 影像生成模塊，用于將真實(shí)比賽的3D 視頻信息轉(zhuǎn)化成VR 影像數(shù)據(jù)或?qū)⒅谱鞯?D 籃球比賽動(dòng)畫視頻信息轉(zhuǎn)化成VR 影像，其中根據(jù)真實(shí)比賽的3D視頻信息轉(zhuǎn)化可實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化或比賽全部拍攝完成后統(tǒng)一轉(zhuǎn)化；（2）控制器，用于處理VR 影像數(shù)據(jù)并將其發(fā)送至VR 設(shè)備；（3）VR 設(shè)備，用于通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將VR影像顯示給訓(xùn)練或考核的裁判；（4）裁判判決模塊，用于接收裁判的判決；（5）裁判判決對(duì)比模塊，用于將裁判的判決與預(yù)設(shè)的正確判決對(duì)比，生成訓(xùn)練或考核成績(jī)；（6）訓(xùn)練或考核結(jié)果顯示模塊，用于將訓(xùn)練或考核成績(jī)顯示，以供訓(xùn)練或考核的裁判查驗(yàn)。具體地，所述VR 影像生成模塊包括： 3D 視頻拍攝子模塊，用于對(duì)真實(shí)比賽進(jìn)行直接拍攝，并生成3D 視頻信息；VR 影像生成子模塊，用于將真實(shí)比賽的3D 視頻信息轉(zhuǎn)化成VR 影像數(shù)據(jù)或?qū)⒅谱鞯?D 籃球比賽動(dòng)畫視頻信息轉(zhuǎn)化成VR 影像。具體地，所述控制器包括存儲(chǔ)器和驅(qū)動(dòng)模塊；其中，所述存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)VR 影像數(shù)據(jù)；所述VR 驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)VR 設(shè)備顯示VR 影像。具體地，所述控制器還包括分級(jí)模塊。所述分級(jí)模塊，用于根據(jù)三級(jí)裁判員、二級(jí)裁判員、一級(jí)裁判員、國家級(jí)裁判員的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)VR影像數(shù)據(jù)分級(jí)，并在訓(xùn)練和考核時(shí)根據(jù)選擇的級(jí)別調(diào)用對(duì)應(yīng)的VR 影像數(shù)據(jù) 。

圖2 裁判判決參數(shù)對(duì)比流程圖

圖3 硬件框架結(jié)構(gòu)

2.4 軟件設(shè)計(jì)

VR 技術(shù)環(huán)境開發(fā)平臺(tái)使用無線開發(fā)工具包，該工具包面向的對(duì)象是具有工業(yè)強(qiáng)度開發(fā)和具有Open GL 和3ds MAX 開發(fā)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與調(diào)試模塊以及使用VC++6.0 現(xiàn)實(shí)模塊構(gòu)建的虛擬現(xiàn)實(shí)專業(yè)應(yīng)用程序 。

籃球裁判考核過程較為煩瑣，考核過程對(duì)臨場(chǎng)執(zhí)裁要求較高，而通過VR 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬考核現(xiàn)場(chǎng)，可提高考核效率，規(guī)避作弊風(fēng)險(xiǎn)。圖2 所呈現(xiàn)出的籃球裁判判決參數(shù)流程所示。首先以籃球比賽視頻為模擬環(huán)境基礎(chǔ)參數(shù)，裁判員判罰時(shí)機(jī)、

犯規(guī)和違例參數(shù)、手勢(shì)及裁判員選位等路徑為運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行虛擬環(huán)境的模擬，并通過模擬測(cè)試得出結(jié)果參數(shù)，運(yùn)用結(jié)果參數(shù)與對(duì)比參數(shù)進(jìn)行對(duì)比得出最終結(jié)果，通過系統(tǒng)界面得出最終考核結(jié)果。

2.5 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件框架結(jié)構(gòu)體系如圖3 所示，考核人員穿戴VR 傳感設(shè)備通過交互引擎進(jìn)入VR 系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬現(xiàn)實(shí)世界之中，并通過傳感設(shè)備對(duì)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)裁判姿勢(shì)的捕捉采集，在通過轉(zhuǎn)換器輸入到系統(tǒng)外接數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲(chǔ)，以此構(gòu)建合理的考核數(shù)據(jù)對(duì)照組模型數(shù)據(jù)；參考人員通過穿戴VR 傳感器進(jìn)行到交互的虛擬空間內(nèi)進(jìn)行臨場(chǎng)執(zhí)裁，并由所穿戴的VR傳感設(shè)備對(duì)其動(dòng)作姿態(tài)進(jìn)行捕捉，并通過解釋器進(jìn)行對(duì)比分析，最終通過輸出設(shè)備輸出考核結(jié)果。

3 結(jié) 語

創(chuàng)新、科技是未來體育領(lǐng)域發(fā)展的新方向。在籃球裁判員培訓(xùn)及考核模擬中引入VR 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)計(jì)理念和方法，不僅為籃球裁判培訓(xùn)及考核開辟了新的道路，還為我國籃球裁判人才的培養(yǎng)提供了便捷的技術(shù)指導(dǎo)?；赩R 技術(shù)的籃球裁判培訓(xùn)及考核模擬系統(tǒng)，打破了傳統(tǒng)的籃球裁判員的考核評(píng)定方法，不僅有助于考試資源的合理管控和量化考評(píng)，更重要的是提升籃球裁判考核質(zhì)量，開辟了VR 技術(shù)運(yùn)用裁判員培訓(xùn)領(lǐng)域的先河。