數(shù)字化視角下短跑動(dòng)作訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：文章從數(shù)字化視角下短跑動(dòng)作訓(xùn)練系統(tǒng)的基礎(chǔ)需求入手，構(gòu)建了一種短跑動(dòng)作訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)由輸入層、功能層和可視化層等結(jié)構(gòu)組成，主要功能包括短跑動(dòng)作捕捉、訓(xùn)練方案生成、回放與評(píng)價(jià)等。對(duì)該系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以在較低的時(shí)間延遲下為運(yùn)動(dòng)員提供完善的動(dòng)作捕捉和虛擬訓(xùn)練功能，具有一定的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化視角；短跑運(yùn)動(dòng)；動(dòng)作訓(xùn)練；虛擬仿真系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9中圖分類(lèi)號(hào) 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文獻(xiàn)標(biāo)志碼

0 引言

數(shù)字化與信息化時(shí)代的到來(lái)給我國(guó)的體育事業(yè)帶來(lái)了巨大的影響。數(shù)字化視角下的體育訓(xùn)練與傳統(tǒng)體育訓(xùn)練系統(tǒng)相比發(fā)生了根本性變化，體育訓(xùn)練正在逐漸向數(shù)字化、虛擬化與實(shí)際訓(xùn)練相融合的方向發(fā)展。短跑運(yùn)動(dòng)是典型田徑競(jìng)賽中的一類(lèi)，主要包括50 m、60 m、100 m、200 m等項(xiàng)目，是一種最大程度發(fā)揮人體速度極限本能的運(yùn)動(dòng)形式［1-3］。近年來(lái)我國(guó)在短跑項(xiàng)目上取得了一定成績(jī)，優(yōu)秀短跑運(yùn)動(dòng)員越來(lái)越多，短跑這一運(yùn)動(dòng)本身為人體帶來(lái)的諸多好處也越來(lái)越深入人心。在此背景下，本文構(gòu)建了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)的短跑動(dòng)作訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)除可以幫助短跑運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行日常虛擬訓(xùn)練外，還可以對(duì)運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而幫助短跑運(yùn)動(dòng)員提升自身競(jìng)技水平。

1 系統(tǒng)功能需求分析

1.1 豐富的訓(xùn)練內(nèi)容

隨著我國(guó)專(zhuān)業(yè)短跑項(xiàng)目的整體進(jìn)步，越來(lái)越多的新型訓(xùn)練理念和內(nèi)容開(kāi)始融入現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練。對(duì)于現(xiàn)代短跑項(xiàng)目而言，傳統(tǒng)的短跑訓(xùn)練內(nèi)容已經(jīng)不能滿足短跑運(yùn)動(dòng)員的實(shí)際需求［4］。因此，本文嘗試構(gòu)建的短跑動(dòng)作訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)須要具備豐富的訓(xùn)練內(nèi)容或者可以提供較大的虛擬存儲(chǔ)空間，以便后期將更為先進(jìn)的訓(xùn)練內(nèi)容錄入系統(tǒng)。

1.2 較低的系統(tǒng)延遲

對(duì)于虛擬仿真系統(tǒng)而言，較低的系統(tǒng)延遲是反映系統(tǒng)響應(yīng)性能的關(guān)鍵因素。對(duì)于面向短跑運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作訓(xùn)練仿真系統(tǒng)而言，較低的系統(tǒng)延遲還是保證運(yùn)動(dòng)員獲取精準(zhǔn)動(dòng)作捕捉、良好訓(xùn)練效果的決定性因素。因此，本文構(gòu)建的短跑動(dòng)作訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)還須要具備較低的系統(tǒng)延遲。

1.3 完善的動(dòng)作捕捉

動(dòng)作捕捉是短跑運(yùn)動(dòng)員使用虛擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的主要功能之一。完善的動(dòng)作捕捉功能可以幫助運(yùn)動(dòng)員精準(zhǔn)獲取自身進(jìn)行短跑時(shí)的某些動(dòng)作姿態(tài)，借助系統(tǒng)內(nèi)的評(píng)價(jià)體系或教練員的指導(dǎo)，運(yùn)動(dòng)員可以較快地對(duì)自身的短跑動(dòng)作進(jìn)行糾正。因此，本文構(gòu)建的短跑動(dòng)作訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)須要盡可能具備完善的動(dòng)作捕捉功能。

1.4 良好的回放與評(píng)價(jià)

動(dòng)作捕捉系統(tǒng)與專(zhuān)業(yè)體育訓(xùn)練的融合價(jià)值不僅體現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)員的虛擬訓(xùn)練等方面。更為重要的是，教練員和運(yùn)動(dòng)員可以通過(guò)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練動(dòng)作進(jìn)行捕捉并將運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作進(jìn)行對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練動(dòng)作的智能化評(píng)價(jià)。因此，本文在構(gòu)建短跑動(dòng)作訓(xùn)練仿真系統(tǒng)時(shí)，會(huì)盡可能融入標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作捕捉和錄入功能，在其基礎(chǔ)上形成短跑運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練動(dòng)作的回放與智能化評(píng)價(jià)，從而更好地幫助短跑運(yùn)動(dòng)員開(kāi)展虛擬訓(xùn)練。

2 系統(tǒng)構(gòu)建分析

2.1 系統(tǒng)框架

以傳統(tǒng)B/S架構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合短跑動(dòng)作訓(xùn)練系統(tǒng)的功能需求，本文構(gòu)建了圖1所示的數(shù)字化視角下的短跑動(dòng)作訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)框架。

該框架主要包括輸入層、功能層和可視化層3部分。其中，輸入層主要包含了大量人體動(dòng)作捕捉硬件設(shè)備及其配套軟件等，比如典型的紅外人體動(dòng)作捕捉設(shè)備、體感器及其他智能穿戴設(shè)備等。這些軟硬件設(shè)備主要負(fù)責(zé)錄入短跑運(yùn)動(dòng)員的短跑訓(xùn)練動(dòng)作，將運(yùn)動(dòng)員的短跑訓(xùn)練動(dòng)作以數(shù)據(jù)形式傳輸至功能層。功能層則主要包含了短跑動(dòng)作訓(xùn)練系統(tǒng)所需的各類(lèi)型基本功能，包括動(dòng)作捕捉功能、訓(xùn)練方案生成功能、訓(xùn)練資料調(diào)閱功能、回放與評(píng)價(jià)功能等。該層主要負(fù)責(zé)為運(yùn)動(dòng)員提供基本的動(dòng)作訓(xùn)練分析、評(píng)價(jià)和持續(xù)性學(xué)習(xí)功能?？梢暬瘜迂?fù)責(zé)為系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)員提供虛擬化的動(dòng)作訓(xùn)練場(chǎng)景和科學(xué)的動(dòng)作指導(dǎo)，還可以通過(guò)智能大屏呈現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練情況，便于教練員進(jìn)行指導(dǎo)［5-7］。

系統(tǒng)工作時(shí)，首先，輸入層對(duì)運(yùn)動(dòng)員或教練員的短跑動(dòng)作進(jìn)行捕捉，借助動(dòng)作捕捉設(shè)備、體感器及其他智能穿戴設(shè)備等獲取人體在短跑訓(xùn)練時(shí)的各項(xiàng)信息，將捕捉后的人體信息以數(shù)字化形式傳輸至功能層；其次，功能層對(duì)捕捉的人體動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將教練員等的標(biāo)準(zhǔn)短跑動(dòng)作轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，將運(yùn)動(dòng)員每次參與虛擬訓(xùn)練時(shí)的動(dòng)作與標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以便后續(xù)生成訓(xùn)練方案、回放與評(píng)價(jià)等；再次，功能層形成的各類(lèi)型數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)可視化層進(jìn)行虛擬場(chǎng)景展示和智能大屏展示等，為運(yùn)動(dòng)員、教練員提供直觀的虛擬訓(xùn)練場(chǎng)景或動(dòng)作指導(dǎo)場(chǎng)景等；最后，系統(tǒng)會(huì)按照一定的頻率將教練員、訓(xùn)練員等的短跑訓(xùn)練人體動(dòng)作捕捉信息等傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)，按照標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作、訓(xùn)練動(dòng)作、訓(xùn)練方案等的分類(lèi)情況對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，從而便于教練員、運(yùn)動(dòng)員等對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行增、刪、改、查等。

2.2 核心功能設(shè)計(jì)

2.2.1 動(dòng)作捕捉功能

動(dòng)作捕捉功能是短跑動(dòng)作訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)的核心功能之一。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)中動(dòng)作捕捉功能的基本工作邏輯如圖2所示。

系統(tǒng)提供的動(dòng)作捕捉功能分為標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作捕捉和運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作捕捉2部分。在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作捕捉時(shí)，捕捉點(diǎn)須要粘貼在教練員或者優(yōu)秀的展示運(yùn)動(dòng)員身上，采用動(dòng)作捕捉技術(shù)對(duì)教練員和展示運(yùn)動(dòng)員的相關(guān)短跑動(dòng)作進(jìn)行捕捉，經(jīng)過(guò)動(dòng)作特征參數(shù)的提取后傳輸至計(jì)算機(jī)。這部分捕捉的動(dòng)作主要用于標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作指導(dǎo)、運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作評(píng)價(jià)等。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作捕捉時(shí)，捕捉點(diǎn)粘貼在運(yùn)動(dòng)員身上，采用相同的動(dòng)作捕捉流程對(duì)運(yùn)動(dòng)員的短跑訓(xùn)練動(dòng)作特征進(jìn)行提取，傳回計(jì)算機(jī)以后，教練員可以對(duì)運(yùn)動(dòng)員的短跑動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)，運(yùn)動(dòng)員也可以通過(guò)動(dòng)作回放及與標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作的對(duì)比對(duì)自身的短跑動(dòng)作進(jìn)行糾正等。

2.2.2 訓(xùn)練方案生成功能

短跑運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練方案的生成須要以動(dòng)作捕捉功能為基礎(chǔ)。經(jīng)由動(dòng)作捕捉模塊獲取運(yùn)動(dòng)員的短跑動(dòng)作數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)首先會(huì)對(duì)該運(yùn)動(dòng)員的短跑動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別和判斷，從而獲得該運(yùn)動(dòng)員的基本短跑水平評(píng)價(jià)結(jié)果；其次，系統(tǒng)會(huì)基于該運(yùn)動(dòng)員的實(shí)際訓(xùn)練水平生成符合該運(yùn)動(dòng)員需求的動(dòng)作模型；再次，經(jīng)過(guò)評(píng)價(jià)模塊、教練員的綜合評(píng)價(jià)和分析后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的日常訓(xùn)練量進(jìn)行估算，得到符合該運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練水平的訓(xùn)練量；最后，系統(tǒng)構(gòu)建和生成訓(xùn)練方案，短跑運(yùn)動(dòng)員按照該方案執(zhí)行日常訓(xùn)練計(jì)劃即可。

2.2.3 訓(xùn)練資料調(diào)閱功能

訓(xùn)練資料的即時(shí)調(diào)閱可以幫助短跑運(yùn)動(dòng)員在進(jìn)行某些動(dòng)作學(xué)習(xí)前對(duì)這些動(dòng)作進(jìn)行提前了解。訓(xùn)練資料調(diào)閱功能包括一個(gè)基本的數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)包含了大量的短跑相關(guān)的訓(xùn)練資料，包括視頻資料、論文資料等，運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練之余可以借助該功能模塊對(duì)其他優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員、教練員的研究成果進(jìn)行調(diào)閱等［8］。此外，訓(xùn)練資料調(diào)閱功能還可以通過(guò)智能大屏進(jìn)行展示，教練員可以借助智能大屏中顯示的訓(xùn)練資料對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行統(tǒng)一的教學(xué)或指導(dǎo)等。

2.2.4 其他功能

系統(tǒng)提供的其他主要功能包括回放與評(píng)價(jià)功能、網(wǎng)絡(luò)通信功能、系統(tǒng)防火墻等。其中，回放與評(píng)價(jià)功能指系統(tǒng)可以為運(yùn)動(dòng)員和教練員提供訓(xùn)練時(shí)的視頻回放和評(píng)價(jià)，幫助運(yùn)動(dòng)員和教練員更好地掌握訓(xùn)練情況，為下一步訓(xùn)練提供參考和借鑒；網(wǎng)絡(luò)通信功能則主要負(fù)責(zé)將系統(tǒng)中的各類(lèi)型參數(shù)以有線、無(wú)線的方式傳輸至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，以便開(kāi)展后續(xù)用戶數(shù)據(jù)的增刪改查等；系統(tǒng)防火墻可以為系統(tǒng)用戶提供較高的安全防護(hù)功能，避免運(yùn)動(dòng)員的人體動(dòng)作捕捉參數(shù)、訓(xùn)練視頻、訓(xùn)練方案等外泄。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)與性能測(cè)試

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

數(shù)字化視角下短跑動(dòng)作訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)的核心功能包括動(dòng)作捕捉、訓(xùn)練方案生成和訓(xùn)練資料調(diào)閱等，如圖3所示。

圖3（a）為采用動(dòng)作捕捉設(shè)備捕捉運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行短跑時(shí)的某些動(dòng)作并將這些動(dòng)作進(jìn)行虛擬化轉(zhuǎn)化的基本功能。由該操作界面可知，系統(tǒng)可以非常完整、準(zhǔn)確地對(duì)運(yùn)動(dòng)員在奔跑時(shí)的骨骼和肌肉情況進(jìn)行獲取，除得到運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)外，還可以得到運(yùn)動(dòng)員頭、肩、手臂、軀干、腿、足等各個(gè)部分的旋轉(zhuǎn)角度、運(yùn)動(dòng)距離等，基本實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)員短跑動(dòng)作的捕捉和虛擬化轉(zhuǎn)化。

圖3（b）為系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的基本訓(xùn)練情況提供的訓(xùn)練方案模擬競(jìng)技基本場(chǎng)景。運(yùn)動(dòng)員在使用該系統(tǒng)開(kāi)展短跑動(dòng)作訓(xùn)練一段時(shí)間后，可以根據(jù)系統(tǒng)指導(dǎo)和教練員的安排，在虛擬場(chǎng)景下進(jìn)行競(jìng)技。圖中的競(jìng)技對(duì)象為部分國(guó)際知名短跑運(yùn)動(dòng)員的虛擬化形象。運(yùn)動(dòng)員也可以根據(jù)實(shí)際的需求選擇定制化的虛擬競(jìng)技對(duì)象。

圖3（c）為系統(tǒng)提供的虛擬訓(xùn)練資料調(diào)閱功能界面。在該界面中，系統(tǒng)為運(yùn)動(dòng)員提供了從基礎(chǔ)到高端的短跑訓(xùn)練方面知識(shí)。借助該功能，運(yùn)動(dòng)員可以掌握基礎(chǔ)的短跑動(dòng)作訓(xùn)練知識(shí)和技巧，還可以根據(jù)訓(xùn)練難度和自身的短跑水平逐漸掌握更為高端的短跑動(dòng)作和技巧等。

整體而言，本次設(shè)計(jì)的針對(duì)短跑訓(xùn)練的虛擬仿真系統(tǒng)核心功能實(shí)現(xiàn)情況較為理想，核心功能如動(dòng)作捕捉、訓(xùn)練方案生成等已經(jīng)可以滿足運(yùn)動(dòng)員的實(shí)際使用需求。

3.2 系統(tǒng)性能測(cè)試

3.2.1 測(cè)試環(huán)境

本文以某綜合型的體育動(dòng)作訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)為對(duì)比組，以搭建的系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行系統(tǒng)性能測(cè)試［9-10］；以相同的NOKOV動(dòng)作捕捉系統(tǒng)（北京度量科技有限公司）和體感器（深圳市探奇科技有限公司）作為本次測(cè)試的硬件設(shè)備，盡可能減少測(cè)試影響因素；以同一批短跑運(yùn)動(dòng)員為研究對(duì)象，測(cè)試其應(yīng)用不同系統(tǒng)時(shí)的系統(tǒng)延遲，得到本次搭建虛擬仿真系統(tǒng)的性能測(cè)試結(jié)果。

3.2.2 測(cè)試結(jié)果

本文所述性能測(cè)試主要針對(duì)系統(tǒng)的延遲情況。隨著系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)在線用戶數(shù)量的提升，系統(tǒng)延遲的變化情況如表1所示。

從表中數(shù)據(jù)可知，一方面，實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)延遲始終遠(yuǎn)低于對(duì)比組的系統(tǒng)延遲，實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間明顯更短；另一方面，隨著系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)在線用戶數(shù)量由0個(gè)提升至250個(gè)，實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)延遲并沒(méi)有始終處于上升狀態(tài)，而是在22.0 ms至29.0 ms之間不斷波動(dòng)，在線用戶數(shù)量為200個(gè)時(shí)系統(tǒng)延遲最低為22.7 ms，在線用戶數(shù)量為50個(gè)時(shí)系統(tǒng)延遲最高為28.5 ms，而對(duì)比組的系統(tǒng)延遲明顯隨著系統(tǒng)同時(shí)在線用戶數(shù)量的提升而增大，在線用戶數(shù)量為250個(gè)時(shí)系統(tǒng)延遲最高為204.7 ms。鑒于系統(tǒng)延遲并未隨在線用戶數(shù)量提升而提升，最高延遲僅為28.5 ms，遠(yuǎn)低于目前主流的體育動(dòng)作訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)，本文認(rèn)為本次構(gòu)建的數(shù)字化視角下的短跑動(dòng)作訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)基本可以滿足實(shí)際的用戶需求。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)短跑動(dòng)作訓(xùn)練模式已經(jīng)逐漸無(wú)法滿足數(shù)字化視角下的運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練需求。本文借助VR、人體動(dòng)作捕捉設(shè)備等構(gòu)建了一種針對(duì)短跑運(yùn)動(dòng)的虛擬化動(dòng)作訓(xùn)練仿真系統(tǒng)。針對(duì)該系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)情況和運(yùn)行性能等進(jìn)行了部分測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：本文搭建的短跑動(dòng)作訓(xùn)練虛擬仿真系統(tǒng)功能較為完善、系統(tǒng)延遲較低，可以為短跑運(yùn)動(dòng)員提供完善的動(dòng)作訓(xùn)練環(huán)境。

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（編輯 王雪芬）

Design of virtual simulation system for sprinting action training from digital perspective

FU Haifang

（+xpZR4qYMEBtayHN5PcI0Q==Shaanxi Police College， Xi’an 710042， China）

Abstract： This paper starts with the basic requirements of sprinting action training system from the digital perspective， and constructs a virtual simulation system for sprinting action training. The system is composed of input layer， function layer and visualization layer， and its main functions include sprint motion capture， training program generation， playback and evaluation. The application of the system is tested， and the results show that the system can provide perfect motion capture and virtual training functions for athletes with low time delay， and has certain practicability.

Key words： digital perspective; sprinting; movement training; virtual simulation system