基于體感交互技術的多人龍舟運動虛擬交互展示系統(tǒng)設計

郭曉民 莊學偉

（泉州經貿職業(yè)技術學院，福建 泉州 362000）

體育運動一直以來都扮演著重要的社會和文化角色，同時也是人們互動、鍛煉和娛樂的方式。其中，龍舟運動作為一項歷史悠久的傳統(tǒng)體育活動，具有豐富的內涵[1]。由于現(xiàn)代生活節(jié)奏加快，許多人無法親身參與精彩的體育賽事。虛擬現(xiàn)實（VR）和體感交互技術飛速進步，為大眾提供了親身模擬體驗龍舟運動的機會。該文設計了一種基于體感交互技術的多人龍舟運動虛擬交互展示系統(tǒng)，該系統(tǒng)將傳統(tǒng)的龍舟運動帶入數(shù)字時代，使更多人可以享受其樂趣。該系統(tǒng)使不同地區(qū)的龍舟愛好者使用虛擬現(xiàn)實頭盔和手柄模擬劃槳動作，通過虛擬龍舟賽事體驗龍舟競技精神。

1 系統(tǒng)總框架設計

基于體感交互技術的多人龍舟運動虛擬交互展示系統(tǒng)總框架如圖1所示。

圖1 基于體感交互技術的多人龍舟運動虛擬交互展示系統(tǒng)總框架圖

由圖1可知，基于體感交互技術的多人龍舟運動虛擬交互展示系統(tǒng)包括硬件設計、軟件設計2個部分。其中，硬件設計中采用Oculus Rift S系列的虛擬現(xiàn)實頭盔讓參與者進入虛擬龍舟運動環(huán)境，為其提供視覺沉浸感；采用HTC Vive Controller系列的體感控制器模擬槳的劃動動作，使參與者與虛擬環(huán)境進行互動；采用Oculus Rift內置傳感器實時跟蹤參與者的運動狀態(tài)。軟件設計包括虛擬環(huán)境建模模塊、用戶界面和交互模塊、多人在線模塊以及訓練模塊4個部分。虛擬環(huán)境建模模塊通過實時三維建模技術將真實的龍舟賽道、自然景觀、龍舟以及其他物體精確地還原到虛擬環(huán)境中；用戶界面和交互模塊根據(jù)虛擬建模模塊建設的賽道分成不同的模式供參賽者選擇，同時參賽者通過控制體感控制器進行虛擬龍舟運動；多人在線模塊通過網絡連接為不同地點的多名參與者提供互動和競技的機會；訓練模塊為新手提供教程，解釋龍舟賽事的規(guī)則和技巧。以上硬件、軟件的相互配合，可以為參與者提供全面的虛擬龍舟運動體驗。

2 虛擬環(huán)境建模模塊

在基于體感交互技術的多人龍舟運動虛擬交互展示系統(tǒng)中，虛擬環(huán)境建模模塊起到關鍵作用，其通過實時三維建模技術和物理引擎來還原龍舟運動的真實場景，增強參與者的沉浸感[2]。具體虛擬環(huán)境建模模塊流程如圖2所示。

圖2 虛擬環(huán)境建模模塊流程

由圖2可知，采集現(xiàn)實世界中龍舟賽道、自然景觀、龍舟以及其他物體的數(shù)據(jù)后，建模師將采集到的數(shù)據(jù)轉換為三維模型，并用三維建模軟件創(chuàng)建虛擬環(huán)境中的物體和場景，根據(jù)物理引擎原理使用其中的數(shù)學模型來模擬自然元素，用納維-斯托克斯（Navier-Stokes）方程模擬流體動力學，如公式（1）所示。

式中：ρ為密度；t為時間變量；u為速度向量；為壓力梯度；η為動力黏性系數(shù)；為速度的拉普拉斯算子；為速度的梯度；g為重力加速度。

通過碰撞檢測模塊檢測物體之間的交點或重疊，從而確定是否發(fā)生碰撞；根據(jù)碰撞檢測模塊檢測到的數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)反饋模塊計算物體之間的力或振動，用牛頓定律進行計算，如公式（2）所示。

式中：F為力；m為物體的質量；a為加速度。

數(shù)據(jù)反饋接收數(shù)據(jù)后進行驗證并確認數(shù)據(jù)的完整性、準確性，采用圖像處理技術對紋理進行過濾、著色以及增強濾鏡，再采用WebSocket通信對競賽實況進行實時更新，根據(jù)所發(fā)生的狀態(tài)變化來調整模型狀態(tài)。

3 用戶界面和交互模塊

用戶界面和交互模塊是確保參與者可以輕松掌握系統(tǒng)并享受虛擬龍舟運動的關鍵組成部分，同時為參與者提供直觀的選擇界面和實時響應的交互體驗。主要包括以下2個部分：1） 用戶界面設計。用戶界面是參與者與系統(tǒng)互動的窗口，因此非常重要，用戶界面為參與者提供清晰簡潔的選項，讓參與者選擇不同的龍舟運動模式。如圖3所示，用戶界面有競技、多人競賽以及訓練模式3種選項供參與者選擇。此外，還有設置選項，使參與者通過自身的喜好調整音頻、圖形以及靈敏度等設置來獲得最佳虛擬龍舟運動體驗。界面還包括參與者游戲進度和成就的顯示模塊，可以記錄參與者的游戲數(shù)據(jù)。2） 交互控制。參與者通過使用體感控制器來模擬劃槳動作，這些控制器與虛擬龍舟的運動緊密連接[3]。同時，交互控制需要實時響應，采用低延遲的通信協(xié)議和技術保證參與者的動作能夠立即反映在虛擬環(huán)境中，縮短響應延遲時間差，響應延遲時間差是參與者執(zhí)行某個動作的時間與虛擬環(huán)境中相應變化的差異，具體計算方法如公式（3）所示。

圖3 虛擬龍舟用戶界面設計

式中：Ta為延遲時間；Tc為虛擬環(huán)境響應時間；Td為參與者執(zhí)行動作時間。

此外，在控制器中嵌入振動裝置馬達，設置震動強度為2.5 m/s2，參與者也可以根據(jù)自身所處的虛擬環(huán)境設置對應的震動強度和頻率。綜上所述，用戶界面和交互控制模塊的設計需要注重面向參與者的友好性和可訪問性，保證不同地區(qū)的參與者都能輕松參與虛擬龍舟運動。

4 多人在線模塊

多人在線模塊使不同地點的參與者可以互相連接，共享虛擬龍舟運動，其設計目的是增強參與者之間的社交互動性，使參與者可以在虛擬環(huán)境中競技或協(xié)作，與其他龍舟運動愛好者共享樂趣。具體設計步驟如下：1） 選擇虛擬專用服務器（VPS）承載多人在線模式，采用負載均衡和自動擴展技術處理大量參與者連接，通過TCP通信協(xié)議實現(xiàn)多地點參與者的網絡的連接，采用內容分發(fā)網絡（CDN）提供更穩(wěn)定的內容傳輸和減少網絡延遲。2）采用TLS協(xié)議進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)加密，保障數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性，建立參與者身份驗證和授權機制，防止未經授權參與者的訪問，遵循GDPR隱私法規(guī)，確保參與者的隱私信息受到保護保護。3） 采用網絡通信庫（WebSocket）來實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸，用音視頻編解碼器支持參與者之間進行實時音頻和視頻通信。4） 采用Apache JMeter性能測試工具模擬多人在線場景，測量網絡延遲、帶寬需求和服務器負載的情況，同步對HTTP性能測試結果進行分析，解決性能瓶頸，再邀請參與者參與測試，采用Survey Monkey在線反饋工具收集參與者的意見和建議。5） 定期更新系統(tǒng)組件、操作系統(tǒng)和安全補丁，修復已知漏洞，部署防火墻、入侵檢測系統(tǒng)（intrusion detection system，IDS）和反病毒軟件來防范網絡攻擊。

通過上述步驟，多人在線模塊可以實現(xiàn)多地點參與者的全球互聯(lián)，也可以為參與者提供實時互動和高度安全的龍舟在線運動體驗。

5 訓練模塊

訓練模塊可以幫助新手參與者逐步熟悉龍舟賽事規(guī)則和技巧，同時為其提供實時練習反饋，幫助參與者不斷提升技能。主要包括以下2個部分：1） 教育性功能。訓練模塊包括一系列新手教程，以引導初學者了解龍舟賽事的基本規(guī)則、龍舟的結構以及槳的使用方法等。這些教程包括文字說明、圖像示范和視頻教程。同時，為參與者提供不同類型的龍舟賽事（例如競速、協(xié)作賽事）的介紹和解釋，使參與者了解各種賽事的特點和規(guī)則，向參與者提供關于正確劃槳動作、團隊協(xié)作技巧和龍舟控制的技術指導，評估參與者劃槳的節(jié)奏、平衡性等指標，將這些指標轉化為技能得分評估參與者的技能水平。參與者劃槳節(jié)奏的得分如公式（4）所示。根據(jù)參與者操縱龍舟的水平和垂直平衡性計算其平衡性的得分，如公式（5）所示（利用公式（5）可以評估參與者在龍舟運動中的準確性）。2） 進度追蹤。訓練模塊學習管理系統(tǒng)（LMS）跟蹤參與者游戲的進度和成就，記錄其完成的教程、提高的技能水平等，以鼓勵參與者繼續(xù)學習和訓練。同時，采用游戲化元素（例如任務、獎勵以及成就系統(tǒng)）來提高參與者的參與度和積極性，可以獎勵參與者完成任務或挑戰(zhàn)成功后獲得虛擬貨幣，可購買虛擬物品或升級。采用機器學習模型分析參與者的學習和訓練數(shù)據(jù)，為其提供個性化的建議和反饋。此外，NLP技術可以更好地理解參與者提出的問題，快速為其提供精確合理的答案，通過建立參與者模型，系統(tǒng)可以根據(jù)每位參與者的需求和技能水平提供個性化的學習路徑和建議。

式中：S為節(jié)奏得分；C實際為參與者實際的節(jié)奏；S理想為系統(tǒng)設定的理想節(jié)奏值。

式中：H為參與者平衡性得分值；A實際為參與者實際操作的平衡值；I理想為系統(tǒng)設定的理想平衡值。

6 測試與試驗

6.1 試驗準備

為了保證基于體感交互技術的多人龍舟運動虛擬交互展示系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性，通過模擬試驗測試系統(tǒng)的性能。試驗測試需要準備Intel Xeon Gold 6254系列的雙插槽服務器，每個插槽支持多個核心和線程，具備1TBDDR4ECC的內存容量；采用Microsoft SQL Server系列的數(shù)據(jù)庫儲存與傳輸數(shù)據(jù)，采用Unity Test Runner系列的測試工具測試虛擬環(huán)境的性能以及遠程桌面數(shù)據(jù)管理工具VCN等設備，確保其配置足夠支持試驗順利進行。

6.2 試驗結果

結合采集的數(shù)據(jù)對基于體感交互技術的多人龍舟運動虛擬交互展示系統(tǒng)進行分析，并生成詳細的試驗報告，從而對該平臺的運行效率和穩(wěn)定性進行評估。試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗數(shù)據(jù)結果

由表1可知，系統(tǒng)最長響應時間為45 ms，最短響應時間為78 ms，平均響應時間為32 ms，平均響應時間低于50 ms，表明該系統(tǒng)在響應參與者操作方面表現(xiàn)出色；平均幀速率為90 f/s，最低幀速率為80 f/s，最高幀速率為100 f/s，最低幀速率>80 f/s，表明該系統(tǒng)在幀速率方面表現(xiàn)良好；系統(tǒng)平均延遲時間為20 ms，最長延遲時間為35 ms，最短延遲時間為15 ms，測試的延遲時間<20 ms，最長延遲時間相對較短，這表明當參與者啟動游戲時，系統(tǒng)能夠迅速響應。綜上所述，基于體感交互技術的多人龍舟運動虛擬交互展示系統(tǒng)在性能測試方面表現(xiàn)出色，該系統(tǒng)的響應時間、幀速率和延遲時間都在可接受范圍內，需要注意的是，要繼續(xù)優(yōu)化最長響應時間，保證系統(tǒng)在各種情況下的響應性能一致，從而進一步提升參與者的游戲體驗。

7 結語

基于體感交互技術的多人龍舟運動虛擬交互展示系統(tǒng)代表了虛擬現(xiàn)實技術在娛樂和體育領域的創(chuàng)新應用。通過該系統(tǒng)，參與者可以在虛擬環(huán)境中體驗真實的龍舟運動，可以與全球的龍舟運動愛好者互動，還可以提高技能并享受社交的樂趣。該文圍繞該系統(tǒng)的虛擬環(huán)境建模、用戶界面設計以及多人在線互動進行研究，確保系統(tǒng)可以提供給參與者最佳的體驗，并通過全面測試系統(tǒng)性能來進一步優(yōu)化系統(tǒng)，以期為虛擬現(xiàn)實技術在娛樂和體育領域的發(fā)展提供有力的支持和啟示。