基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)設(shè)計

蘇奕 張瑤

摘? 要： 為解決傳統(tǒng)體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)存在體能訓(xùn)練動作還原度較低的問題，設(shè)計一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件中的主控制器，主要對體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)中的訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸出與采集，并設(shè)計處理器，以協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各個節(jié)點等工作;然后，設(shè)計USB接口和以太網(wǎng)，滿足體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)的通信需求;最后，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬體能訓(xùn)練動作以及訓(xùn)練場景，并建立數(shù)據(jù)庫。以此，完成基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)設(shè)計。實驗結(jié)果表明，文中設(shè)計的體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)的體能訓(xùn)練動作還原度較好，具有一定的實際應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞： 體能訓(xùn)練; 動作模擬; 系統(tǒng)設(shè)計; 虛擬現(xiàn)實技術(shù); 場景模擬; 還原度對比

Abstract： A physical training motion simulation system based on virtual reality technology is designed to improve the low reduction degree of physical training action existing in the traditional physical training motion simulation system. The main controller in the system hardware is mainly used to output and collect the training data in the physical training motion simulation system， and a processor is designed to coordinate the work of each node in the system. The USB interface and Ethernet are designed to meet the communication requirements of the physical training motion simulation system. The virtual reality technology is used to simulate the physical training motion and training scene， and the database is established， so as to complete the physical training motion simulation system based on virtual reality technology. The experimental results show that the designed physical training motion simulation system has preferable physical training motion reduction degree. It has a certain practical application significance.

Keywords： physical training; motion simulation; system design; virtual reality technology; scene simulation; reduction degree comparison

0? 引? 言

隨著社會的發(fā)展，人們更加注重體能的訓(xùn)練，軍事、體育和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都相應(yīng)地建立起體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)[1]。然而當(dāng)前的體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)缺乏真實場景的體驗，模擬的動作還原度較差，學(xué)生在使用傳統(tǒng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)后學(xué)習(xí)效果較差?；谏鲜鰡栴}的存在，本文設(shè)計一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)。

在體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠為訓(xùn)練者提供與現(xiàn)實生活相關(guān)的虛擬環(huán)境，同時在訓(xùn)練過程中接收視覺和聽覺等信息反饋，以提高人們的體能訓(xùn)練效果。

此次設(shè)計的系統(tǒng)硬件部分主要包括主控制器、處理器、USB和以太網(wǎng)接口。為系統(tǒng)提供體能訓(xùn)練動作，模擬系統(tǒng)中的訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸出與采集，協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各個節(jié)點和通信功能。系統(tǒng)軟件部分利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬體能訓(xùn)練動作以及訓(xùn)練場景，并建立體能訓(xùn)練動作數(shù)據(jù)庫。實驗結(jié)果表明，此次設(shè)計的基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)的體能訓(xùn)練動作還原度好，具有一定的實際應(yīng)用意義。

1? 體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1? 主控制器設(shè)計

采用STM32控制器[2]，該控制器具有高性能、低成本、低功耗的優(yōu)勢。STM32控制器中STM32F103系列產(chǎn)品外設(shè)豐富，最高頻率可達(dá)72 MHz，片上集成32～512 KB的FLASH處理器，6～64 KB的SRAM存儲器，內(nèi)嵌2個12位的數(shù)字轉(zhuǎn)換器，每個轉(zhuǎn)換器多達(dá)16個外部通道，能夠滿足體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)中訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸出與采集需求[3]。

調(diào)試模式為串行調(diào)試和JTAG接口，高達(dá)112個快速I/O端口。所有端口都能夠映射到16個外部中斷向量。同時具有11個定時器、4個定位器，每個定時器有4個IC/IO/PWM或者脈沖計數(shù)器，兩個看門狗定時器，采用ECOPACK封裝形式。

1.2? 處理器設(shè)計

該處理器為體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)的核心模塊，主要協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各個節(jié)點的工作。采用三星公司基于ARM9內(nèi)核處理器SC2410作為系統(tǒng)的核心處理器，該處理器內(nèi)的指令是獨立的，其大小為16 KB，支持TFI的LCD控制器，包含3路UART接口、4路DMA通道、實時時鐘單元RTC，8路10位ADC通道[4]。

1.3? USB接口和以太網(wǎng)設(shè)計

SC2410片內(nèi)集成USB主機接口和USB主從復(fù)用接口，主從復(fù)用接口通過跳帽進(jìn)行選擇，其中一個接口作為主機接口，另一個用來連接U盤等存儲設(shè)備，以提高系統(tǒng)的存儲容量。USB接口電路如圖1所示。

以太網(wǎng)采用通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，由于SC2410內(nèi)部不具有以太網(wǎng)控制模塊，因此選擇控制芯片，以實現(xiàn)系統(tǒng)的通信功能。本文選擇CC2420芯片，該芯片采用IEEE 802.15.4協(xié)議，包括MAC層和物理層的相關(guān)協(xié)議，該芯片具有4線SPI接口，滿足系統(tǒng)的通信需求[5]。

2? 體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)軟件設(shè)計

在模擬系統(tǒng)硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計軟件。體能訓(xùn)練動作模擬流程如圖2所示。

首先，建立人體運動數(shù)學(xué)模型。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對人體動作進(jìn)行設(shè)計，需要滿足運動符合相關(guān)的力學(xué)要求，采用齊次變換矩陣的方式對人體運動情況描述[6]。具體流程如下：構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的人體動作空間坐標(biāo)系，假設(shè)人體體能訓(xùn)練動作中肢體[A]在空間坐標(biāo)系[x，y，z]中的坐標(biāo)為[xA，yA，zA]，若該關(guān)節(jié)圍繞中心點[A]在空間中的旋轉(zhuǎn)角度分別為[α]，[β]，[δ]，通過旋轉(zhuǎn)矩陣變化得到人體運動的肢體動作[B]在坐標(biāo)系[A]中的齊次方陣。則關(guān)節(jié)[B]在世界坐標(biāo)系中的齊次變換矩陣為：

式中：[F]代表體能訓(xùn)練動作;[i=1sa]代表體能訓(xùn)練動作的肢體信息;[f]代表關(guān)節(jié)在世界坐標(biāo)系中的線速度。

通過上述過程，描述基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的人體運動軌跡，在此基礎(chǔ)上，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的立體顯示技術(shù)，模擬體能訓(xùn)練場景。為使體能訓(xùn)練動作更加真實，需要得到符合三維特征的虛擬立體圖像樹[7]，由于基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的體能訓(xùn)練場景中圖像相關(guān)性強，因此通過該特征完成立體片快速算法[8]。假設(shè)體能訓(xùn)練動作場景左右片對中[Kx，y，z]成像是[Px1，y1，z1]，則視差為：

式中：[D]代表實際場景與虛擬場景的視差;[x1]，[y1]分別代表場景相對的坐標(biāo)點;[N]，[F]分別代表場景變換向量;[Z]代表左右焦點間距。

在上述動作模擬與虛擬訓(xùn)練場景建立的基礎(chǔ)上，建立體能訓(xùn)練動作數(shù)據(jù)庫[9]，將體能訓(xùn)練動作數(shù)據(jù)與場景數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。由于使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計的體能訓(xùn)練動作，場景與系統(tǒng)格式存在一定的差異性，在使用該系統(tǒng)時，影響系統(tǒng)響應(yīng)速度。因此在不破壞數(shù)據(jù)的情況下，對數(shù)據(jù)壓縮處理[10?11]，計算公式如下：

式中：[J]代表體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)的響應(yīng)時間;[Ax]代表系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)格式;[gt]為數(shù)據(jù)壓縮因子;[a]為體能訓(xùn)練動作數(shù)據(jù)。

通過上述過程完成數(shù)據(jù)的壓縮。在實際使用時，根據(jù)不同的使用需求，對體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)進(jìn)行操作，以此完成基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)的設(shè)計。

3? 實驗對比

此次實驗的目的是驗證上述設(shè)計的基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)的有效性。為使實驗結(jié)果更具說明性，將傳統(tǒng)的體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)與此次設(shè)計的系統(tǒng)做對比，對比兩種體能訓(xùn)練動作模擬的還原度。

3.1? 實驗準(zhǔn)備

以某高校為實驗對象，將傳統(tǒng)系統(tǒng)與此次設(shè)計系統(tǒng)分別應(yīng)用于某班體育學(xué)生的基本體能訓(xùn)練動作中，主要的模擬體能訓(xùn)練動作如表1所示。

分別使用兩種系統(tǒng)模擬上述體能訓(xùn)練動作，由于體能訓(xùn)練動作較多，需要搭建測試平臺，以準(zhǔn)確記錄實驗數(shù)據(jù)。為降低節(jié)點能耗和節(jié)約成本，同時滿足實驗需求，使用少量傳感器節(jié)點充當(dāng)路由器，以完成傳感器數(shù)據(jù)采集和路由其他節(jié)點數(shù)據(jù)到實驗平臺的功能。具體實驗平臺結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

實驗中傳感器節(jié)點通過串口與測試主機相連接，目的是使上位機軟件監(jiān)視整個實驗過程。

3.2? 實驗結(jié)果分析

在上述實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與實驗平臺搭建完成的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實驗。共進(jìn)行7次實驗，對比兩個系統(tǒng)在7次體能訓(xùn)練動作模擬的還原度，結(jié)果如圖4所示。

分析實驗對比結(jié)果可知，傳統(tǒng)的體能訓(xùn)練動作模擬結(jié)果與期望的動作還原度相差較大，在7次實驗中，體能訓(xùn)練動作的還原度均低于本文系統(tǒng)的動作還原度。而本文系統(tǒng)的體能訓(xùn)練動作還原度與期望還原度相差小，證明本文系統(tǒng)能夠有效處理人體動作信息，模擬體能訓(xùn)練動作準(zhǔn)確度更高。

4? 結(jié)? 語

針對傳統(tǒng)體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)動作還原度較差的問題，設(shè)計一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，此次設(shè)計的基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的體能訓(xùn)練動作模擬系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)動作模擬的還原度好，具有一定的實際應(yīng)用意義。希望此次設(shè)計的系統(tǒng)能夠為體能訓(xùn)練動作模擬上提供一定的幫助，以提高體能訓(xùn)練效果。

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