基于虛擬現實的籃球技術仿真應用探究

（陜西國際商貿學院,陜西咸陽,712046）

基于虛擬現實的籃球技術仿真應用探究

何 偉

（陜西國際商貿學院,陜西咸陽,712046）

本課題利用計算機信息、虛擬現實等技術構建了一種籃球技術仿真系統，該仿真系統包括籃球運動員的虛擬仿真模型、籃球運動捕捉虛擬仿真模型以及藍球運動技術三維仿真和相應的三維仿真數據庫幾部分。這種基于虛擬現實的籃球技術仿真系統為運動員的訓練提供了良好的學習、訓練環境。

籃球技術；三維仿真；虛擬現實

1 虛擬現實的概要

1.1虛擬現實技術的定義

虛擬現實(VR)是將計算機仿真技術、多媒體、人機交互技術、傳感器、智能人機接口、圖形學、心理學、高性能計算技術、人類行為學、人工智能等多領域的技術綜合在一起的集成技術。虛擬現實可以在計算機上生成逼真的三維視、聽等感覺,在某種裝備的協助下使人與計算機的虛擬環境進行互動。虛擬現實實際上是指將現實世界的某種事物或是環境模擬仿真到計算機上，再在某種裝置的協助下將自己置身于該虛擬環境中。計算機生成的三維仿真環境可以通過某些接口與仿真中的物理對象進行通訊交互。

1.2籃球技術虛擬仿真系統設計的必要性

采用科學的訓練方法及手段可以提高運動員的訓練效率、提高運動成績。我國籃球運動的訓練水平相對來說還比較落后，我國籃球訓練秉持以經驗為主的訓練思想、方法。教練員憑經驗指導運動員的技術動作，而運動員在教練員的指導下只能通過重復性練習掌握技術要領，這種訓練方法嚴重影響籃球的訓練效率?；@球技術三維虛擬仿真系統可以很好的輔助傳統教學，通過該系統運動員可以很好地掌握并領會頂尖選手技術動作的關鍵點與細節，強化了運動員的視覺訓練。利用籃球技術三維虛擬仿真系統可以很好的激

2 籃球運動員的虛擬仿真模型

2.1運動員幾何建模

幾何建模時將運動員的機械機構用計算機圖形學的方法描繪在計算機。為了達到逼真的渲染效果，該系統建立的運動員模型有精確的尺寸和結構，以便于觀察。運動員模型的建立采用OpenGL與Visual C++面向對象將兩者的編程軟件相結合，并利用MFC基本類庫和API應用向導進行程序開發。以上設計中的OpenGL只提供了基本幾何元素的造型函數，有一定的局限性。復雜模型的建?？梢圆捎?DMAX，它是一款強大的建模工具。3DMAX可以將復雜三維幾何實體的提供精確建模，但是3DMAX程序可移植和物體的渲染都存在不足。

圖1 籃球運動員系統結構框圖

針對以上問題，運動員模型及其工作環境的三維建模采用3DMAX，將3DMAX建立的模型提供給OpenGL進行圖形渲染，將兩者相結合降低建模難度的同時可以增加系統的通用性。

籃球運動員系統結構框圖如圖1所示。

2.2運動員運動學建模

運動員的骨架模型包括53塊骨骼段和54個關節，運動員的表面模型包括53塊部位，運動員的部位體可以繞著相應的關節在不同自由度的方向上作扭動、旋轉等動作，使運動員產生產生不同運動姿態，使運動員的虛擬仿模型做出的動作具有較高的逼真效果。

2.3運動員模型的運動軌跡規劃

運動員模型的運動軌跡規劃就是根據模型要完成的動作、任務設計模型的各個關節的運動規律。它屬于模型的控制問題，設計人員輸入機械手末端的方位和目標位置。系統的軌跡規劃主要負責確定達到目標的關節軌跡的運動、形狀、速度、時間等工作。該系統說的軌跡指的是時間變化時隨之變化的位置、加速度、速度情況。根據運動員模型所完成的運動軌跡不同，

系統給定運動員的初始位置、目標位置及其之間路徑所經過的幾個關鍵點，在這種情況下設計相應適當的軌跡來完善運動員軌跡中沒有給定的部分。

3 籃球運動技術信息的運動捕捉

運動捕捉系統采用運動捕捉技術可以實時捕捉運動員模型的三維運動軌跡并對運動員的戰術配合、技術動作作出進一步分析。將運動捕捉技術應用于運動捕捉系統中，該系統就可以準確測量運動物體在三維空間運動狀況。在空間中排布數個視頻捕捉設備，通過這些設備捕捉運動物體的運動狀況，并將捕捉到的信息用圖像形式記錄下來并在計算機上作進一步處理，以此來得出不同運動員模型的空間坐標（X，Y，Z），該系統的運動捕捉基于計算機圖像學的原理。

運動捕捉系統是由信號捕捉設備、數據處理設備、傳感器、數據傳輸設備這四種設備組合而成，運動捕捉系統的結構如圖2所示。將傳感器安裝在運動員的仿真模型上，傳感器屬于跟蹤裝置，它可以跟蹤運動員確定其位置以此來控制運動軌跡，可以從傳感器的數目來衡量運動捕捉的細致程度。信號捕捉設備是該系統的硬件設備，它主要負責采集并識別由傳感器傳輸過來的有關運動軌跡的模擬信號。通過數據傳輸設備可以將信號捕捉設備捕捉到的模擬信號轉化成數字信號，并將轉化后的數字信號準確快速的送到計算機內部做進一步處理。數據處理設備包括數據處理軟件和計算機硬件兩部分組成，該設備可以修正數據傳輸設備傳送過來的數據，從而構建三維模型并進行動畫制作。

采用運動捕捉技術，以此來捕捉籃球運動員的動作。對捕捉的圖像進行量化分析，并結合物理學原理、人體生理學，以此來探究籃球技術的改進方法，是籃球訓練更為科學化、數字化。運動捕捉系統的捕捉對象是具有針對性的，它可以將成績差的隊員的圖像捕捉下來，并與成績優秀的隊員進行比較并進行科學分析，以此來進行具有針對性的訓練。將計算機圖像處理技術和運動技術捕捉技術相結合，以此來提高籃球技術訓練的可視性。

圖2 運動技術捕捉系統

4 籃球運動技術的三維仿真

采用運動捕捉技術采集大量籃球運動動作實例，將其存儲在相應的數據庫中，通過VHSDK5.0虛擬人合成軟件包將采集的實例以三維方式顯示出來，該系統是可視化的，可視化的交互設計便于運動員模型動作的修改工作，設計的新動作可以通過牛頓歐拉運動模型驗證其合理性。

為了便于完成可視化的交互動作設計，該系統設定對于人體運動motion（t），想要獲得新的運動員姿態posture（ti）需要修改運動員姿態posture（ti）。在X×Y大小的用戶視窗中，選取剛體并將其拖動，該工作通過鼠標完成，在拖動過程中x的變化量為Δx、y方向的變化量為Δy，根據歐拉定理推理可得：用z y x方向的歐拉角〈α，β，γ〉來表示這一旋轉，則有如下關系

sinα＝aΔx/X＝（1－a）Δy/Y，

sinβ＝bΔx/X＝（1－b）Δy/Y，

sinγ＝cΔx/X＝（1－c）Δy/Y。

圖3 運動技術的三維仿真設計

在這里：a、b、c表示影響因子，a、b、c分別表示Δx、Δy對歐拉角〈α，β，γ〉在x，y，z三方向的影響程度。經過一系列計算來獲取運動員模型新的姿態posture（ti），最終完成對籃球運球技術的三維仿真設計。運動技術的三維仿真設計如圖3所示：

5 籃球運動技術三維仿真數據庫

建立相應的數據庫，對海量的籃球技術數據進行規劃統一的管理。該數據庫可以提供目標搜索引擎，可以對某球隊或者某運動員的信息進行實時查詢。該系統還可以提供視頻片斷，便于對相關技術分析的?；@球技術數據庫系統由以下幾部分構成：數據庫、硬件、軟件、數據庫管理員。該系統的硬件包括CPU（中央處理器）、內外部存儲器、I/O（輸入輸出設備）幾部分。軟件包括OC（操作系統）、DBMS（數據庫管理系統）、開發語言（C++/、Java）、應用開發支撐軟件等。

6 總結

基于虛擬現實的籃球技術仿真應用研究在現代籃球技術教學和訓練中的具有很好的應用價值，它的應用可以幫助運動員在訓練過程中盡快掌握動作技術要領，大大提高了籃球運動員的訓練效率。

[1] 朱亞明.對籃球技術能力教學中對抗練習方法的實驗研究[J].沈陽工程學院學報(社會科學版),2010,02:271-273.

[2] 諶曦,呂鵬.籃球技術教學存在的問題及策略設計[J].六盤水師范高等?？茖W校學報,2011,03:72-75.

[3] 段意梅,馮亞梅,陸國田.大學生運用籃球技術統計方法的現狀與對策研究——以大理學院為例[J].體育科技文獻通報,2013,04:37-39.

何偉，男，1982年3月16日， 陜西省咸陽市人，助教，研究方向：體育教學與訓練。

Application of basketball simulation technology based on virtual reality

He Wei
(Shaanxi Institute of international trade,Shaanxi Xianyang,712046)

A basketball technology to construct the simulation system Abstract] the use of computer information,virtual reality technology,the simulation system includes basketball simulation model, basketball players and basketball motion capture virtual model technology of 3D simulation and the corresponding 3D simulation database part.This provides a good learning environment,the training of basketball simulation system based on virtual reality for athlete's training.

basketball technology;3D simulation;virtual reality