虛擬健身系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

盧思敏 武瑛 王唯

摘要：虛擬健身系統(tǒng)是一個通過虛擬現(xiàn)實進行健身指導的系統(tǒng)。人們可以通過鍵盤鼠標或語音手勢進行視角切換，從不同角度查看健身動作的正確動作，并且可根據(jù)自身需求選擇自己喜歡的健身動作，根據(jù)人物模型的動作對用戶的動作進行自我指導。不同于線下健身受到的健身指導較少，且成本較高的情況，虛擬健身可以在時間、空間和資源等因素的限制下進行健身指導。本系統(tǒng)有相應的健身場景、人物模型，用戶只需點擊與拖動就可以完成所有操作，使用戶能夠得到良好的健身體驗。

關(guān)鍵詞：虛擬健身;Unity3D;動作捕捉;VR

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）14-0210-03

1 引言

近年來，隨著我國人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)、傳輸技術(shù)等技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的水平也有較大提升，通過構(gòu)建一個數(shù)字化的虛擬空間，呈現(xiàn)出了另一種不同的方式來更好的生活?，F(xiàn)如今，健身作為一種健康積極的生活方式，成為了我們生活重要的一部分。

健康的身體是每個人追求的基礎(chǔ)，但目前成本普遍偏高，所以人們會選擇采取自學的方式進行體育鍛煉達到健身的效果。在進行健身的過程中，因為沒有健身指導，動作不準確，最后達到的效果會事倍功半，并且在健身過程中缺少健身指導可能會因動作不準確造成肌肉和骨骼的受傷。因此，正確的姿態(tài)與健身習慣可以讓人們在健身上事半功倍。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實已經(jīng)廣泛使用于游戲、影視等多個行業(yè)，并且虛擬現(xiàn)實具有交互性、沉浸性和創(chuàng)意性的特點[1]。虛擬現(xiàn)實結(jié)合傳統(tǒng)健身還可以與游戲、影視等場景結(jié)合起來[2]，同時具備了娛樂性和實用性。將健身和虛擬現(xiàn)實相結(jié)合的虛擬健身系統(tǒng)，通過穿戴傳感器采集相關(guān)運動數(shù)據(jù)，實時傳輸?shù)较到y(tǒng)并進行分析，可以提供正確的健身指導，解決健身指導成本偏高和受傷的問題。

2 虛擬健身系統(tǒng)的設(shè)計

虛擬健身系統(tǒng)的設(shè)計目的是為了給用戶提供一個真實的模擬健身場景，讓用戶能夠在健身的過程中能夠知曉自己肢體形態(tài)動作是否正確，按照系統(tǒng)中提供的人物模型和場景進行沉浸式體驗。

2.1 虛擬健身系統(tǒng)的功能設(shè)計

虛擬健身系統(tǒng)的設(shè)計與規(guī)劃如下：

（1） 基本功能。

用戶通過菜單選擇不同的場景、人物模型進行健身。

（2） 虛擬健身系統(tǒng)人物模型展示功能。

建立的人物模型盡可能接近真實人體，達到高仿真度，使用戶在進行查看和自我姿態(tài)調(diào)整時更容易。

（3） 場景與人物動作的高匹配度。

系統(tǒng)支持外部設(shè)備的匹配，當用戶以第一視角使用虛擬健身外設(shè)，如機械平臺時，場景會根據(jù)用戶運動的變化而變化，如用戶進行滑雪運動時，周圍的場景會進行動態(tài)變化。

（4）運動建議功能。

通過穿戴更多外部設(shè)備，系統(tǒng)可通過外設(shè)上傳的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，根據(jù)用戶數(shù)據(jù)，發(fā)出建議或警告，告知用戶在鍛煉某些部位時應該加強、減弱或不宜做的動作。

（5） 動作糾正功能。

因為系統(tǒng)支持外部設(shè)備的連接，用戶可通過穿戴傳感設(shè)備，激活系統(tǒng)查看動作糾正的功能。用戶在進行健身時通常很難發(fā)現(xiàn)自己的動作哪里做得不好，使用動作捕捉設(shè)備[3]可以實時捕捉用戶的運動數(shù)據(jù)并實時上傳，經(jīng)過系統(tǒng)計算分析，糾正用戶動作姿態(tài)[4]，從而達到健身指導的目的。

系統(tǒng)設(shè)計流程圖如圖1所示。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 人物模型建模技術(shù)

3D Studio Max通常被稱為3d Max，是由Discreet公司所開發(fā)，可用于建立三維模型以及制作三維動畫。使用3D Max進行人物模型建立，建立不同數(shù)據(jù)的人物模型，在用戶輸入個人數(shù)據(jù)后根據(jù)最匹配的人物模型進行動作指導，在動作上做到最匹配。

用戶也可自行選擇使用，系統(tǒng)允許用戶對人物模型進行360°的旋轉(zhuǎn)和查看，并提供不同的交互手段讓用戶能夠在健身過程得到盡量良好的體驗感。

2.2.2 虛擬場景建模技術(shù)

Unity3D是一個讓用戶能夠建立三維模型、三維游戲、三維動畫等類型的專業(yè)游戲引擎。Unity3D可以設(shè)計出不同的健身場景。需要有不同的場景讓用戶可進行選擇使用，使用戶在健身時保持良好的心情，所以本系統(tǒng)集成了多種場景的選擇供用戶自行切換。場景中的光線等參數(shù)用戶都可進行簡單調(diào)整，讓用戶在使用上能夠有最舒暢的心情。

2.2.3 動作列表技術(shù)

人體肌肉大約有639塊，鍛煉不同的部位有不同的動作，所以本系統(tǒng)提供一個動作列表，并對鍛煉不同的部位的動作進行分類，讓用戶進行動作預覽。當用戶進行不同的運動時，通過鼠標、觸屏或語音等操作對相應部位的對應動作進行選擇并鍛煉。

2.2.4 動作效果技術(shù)

除了豐富的骨骼動畫應用于人物模型上，本系統(tǒng)的動作主要通過動作捕捉設(shè)備對真人動作進行捕捉并記錄數(shù)據(jù)，建立標準模型。用戶的數(shù)據(jù)導入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)對用戶的數(shù)據(jù)與建模的標準數(shù)據(jù)進行比對，在健身鍛煉的過程中用戶可進行特定的動作矯正和動作優(yōu)化。從而達到虛擬健身系統(tǒng)對用戶進行健身指導的最終目的。

3 虛擬健身系統(tǒng)的實現(xiàn)

本系統(tǒng)中我們主要用到的技術(shù)主要有場景模型的建立、人物動作捕捉、三維動畫、骨骼綁定、Unity3D支持使用的JavaScript與C#對腳本的編寫。具體實現(xiàn)細節(jié)如下：

3.1 人物模型設(shè)計

本系統(tǒng)的用戶覆蓋面廣，用戶擁有不同的高矮胖瘦，針對不同的群體我們分為不同體型的模型，比如普通模型、梨型身材模型、瘦小型身材模型等，其中又含有男女兩種性別的模型。用戶根據(jù)自己的身材體型進行模型選擇，對應模型系統(tǒng)提供不同的健身建議。

使用3D Max完成了模型后，進行骨骼綁定，骨骼創(chuàng)建完成后通過local Rotation Axes觀察骨骼的軸向[5]，如果不統(tǒng)一需要及時調(diào)整，檢查完后再對關(guān)節(jié)處進行鎖定，防止人物模型關(guān)節(jié)處異常移動。

3.2 人物動畫設(shè)計

人物的模型在用戶進行健身的時候需要不停做出相應運動動作讓用戶觀察并模仿做出對應動作，這就需要在模型上添加對應動作的骨骼動畫了。我們使用動作捕捉設(shè)備對健身教練的標準健身動作進行捕捉，獲取數(shù)據(jù)并綁定到對應人物模型上，保證人物模型動作在真實人體上符合科學性與準確性，在人物模型進行動作時就會有較高的靈活與真實性，也能讓用戶更好地模仿。

3.3 場景設(shè)計

健身系統(tǒng)中，為了能讓用戶能夠持久堅持健身這種生活習慣，良好的健身環(huán)境是必不可少的一部分。美觀并使人放松的環(huán)境能夠很大程度上提高用戶的體驗，讓用戶能夠沉浸其中，使其能夠在感官上獲得更舒適的體驗。音樂也是場景不可或缺的一項，我們設(shè)計幾種不同的場景與音樂提供給用戶不同的健身環(huán)境，除此之外，我們提供用戶對場景的環(huán)境光燈光、顏色與音樂的自定義調(diào)整，用戶可通過點擊和滑動等交互動作，對unity3D的自帶屬性進行調(diào)整。

3.4 交互設(shè)計

簡單的交互可以在Unity3D中使用JavaScript或C#腳本實現(xiàn)[6]，并通過讀取數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡通信將其處理結(jié)果發(fā)送發(fā)到Unity3D對應參數(shù)，實現(xiàn)交互。清晰明了的GUI交互界面，能夠為用戶帶來良好的體驗，對于GUI交互界面的設(shè)計需要讓用戶能夠簡單易懂的使用系統(tǒng)。

（1） 視角切換。

當用戶以第一視角進行健身時，用戶可身臨其境的在環(huán)境中走動，并選擇、查看運動動作。當切換到用戶第三視角時，人物模型為VR環(huán)物模型，用戶此時可對通過拖拽對模型進行旋轉(zhuǎn)等動作實現(xiàn)360°查看。本系統(tǒng)默認為第一視角。

（2） 動作匹配模式。

用戶可通過穿戴設(shè)備使系統(tǒng)對相應數(shù)據(jù)進行實時計算分析并與標準模型數(shù)據(jù)進行匹配，對用戶錯誤的姿勢進行實時糾正。實現(xiàn)沒有健身教練卻又有健身指導效果的目的。

（3） 場景切換功能。

用戶通過鼠標、觸屏或手勢[7]對GUI按鈕進行點擊，切換不同的場景和音樂。用戶可以選擇并調(diào)整至其最喜歡的環(huán)境下進行健身訓練。可緩解在局限空間中健身的心情壓抑感。

在這些功能設(shè)計好后，在系統(tǒng)中通過鼠標、觸屏對GUI界面中的按鈕進行點擊，無縫切換系統(tǒng)中的場景與動作，展示動作姿態(tài)與人物動作動畫，主要通過切換健身的人物模型與場景模型來實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用到生活中，采用虛擬現(xiàn)實與健身結(jié)合的形式，利用3D Max構(gòu)建人物模型，借助Unity3D游戲引擎實現(xiàn)對場景的仿真設(shè)計。用戶可以選擇喜歡的動作進行第一人稱或第三人稱視角進行鍛煉，并選取喜歡的環(huán)境，很好地提高了用戶的體驗感。該系統(tǒng)為在時間、空間與資源等有局限人們提供了一個好的健身環(huán)境，以迎合全民健身時代的到來。

參考文獻：

[1] 賴昌.虛擬現(xiàn)實技術(shù)與實驗教學的結(jié)合[J].今日科苑，2009（18）：210.

[2] 楊紅蘭.移動平臺的健身交互虛擬體驗系統(tǒng)的研究[J].合肥學院學報（綜合版），2017，34（2）：64-68，78.

[3] 王夢囡，陳康桂.基于慣性動作捕捉技術(shù)在體育訓練上的應用——以羽毛球教學為例[J].當代體育科技，2020，10（11）：37-40.

[4] 陳偉江.動作捕捉技術(shù)在舞蹈姿態(tài)分析和教學中的實踐研究[J].微型電腦應用，2020，36（3）：102-105.

[5] 李剛.三維動畫《巨人與小丑》骨骼綁定制作[J].藝術(shù)時尚（下旬刊），2014（10）：69.

[6] 徐志剛，胡常英.基于Unity3D的虛擬汽車試驗場漫游系統(tǒng)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2019，29（5）：112-115.

[7] 楊紹清，劉伯艷.基于Unity 3D的Web 3D全景交互技術(shù)實現(xiàn)[J].科學技術(shù)創(chuàng)新，2020（31）：75-76.

【通聯(lián)編輯：唐一東】