基于虛擬現實技術的體育教學仿真系統的研究

杜冬玲

（寶雞職業技術學院,寶雞,721013）

基于虛擬現實技術的體育教學仿真系統的研究

杜冬玲

（寶雞職業技術學院,寶雞,721013）

文章基于虛擬現實技術，設計出一款具有交互訓練功能的“太極拳教學仿真系統”。從而實現對太極拳的自主化學習，因此更好地提高太極拳學習者的水平。

動作捕捉；虛擬現實技術；仿真建模

0 引言

虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱為VR）是利用計算機技術，從而可創建和體驗虛擬世界的計算機系統。該技術充分利用計算機的硬件和軟件的集成技術，從而使得體驗者能夠完全融入到虛擬的世界中，從而讓人感受到虛擬世界的“逼真性”，以致讓人突破時間、空間的限制，感受到無法感受到的體驗。在實際的應用中，虛擬系統其輸出的形式有很多種，并具備處理多種輸入設備的能力，同時可進行實時的交互、碰撞檢測等。隨著VR技術的不斷向前發展，現在已經被廣泛的應用到了軍事、網絡游戲、教育、醫學、智能機器人等各種各樣的領域。虛擬現實技術體現了圖像圖形處理、計算機網絡技術、傳感器技術等為一體的綜合性學科。同時隨著近幾年商業的發展，虛擬現實技術已經開始被大量的推廣和使用。

而在國外，虛擬現實技術已經被應用到大學課堂的教學中，其代表為edx的在線虛擬現實教學課堂。而在國內，該項技術被應用與教學才剛起步發展階段，近幾年隨著國家的投入有一定的發展，但在技術上還存在一定的差距。而虛擬現實技術在教學中的應用，將掀起新的教育教學理念，從而吸引學生的注意力，并提高教育教學的效率，最終提高教學質量。

1 太極拳仿真系統

太極拳仿真系統就是通過計算機技術、虛擬現實技術再現體育老師的教學經驗、教學意圖、運動員在學習中的過程以及訓練組織方案等，從而達到對訓練者太極拳動作訓練的分析、比對等。對著近幾年的發展，主要包含面向對象的多媒體仿真、定性仿真等，而基于VR的仿真系統以其獨特的視覺、聽覺等效果，受到體育訓練者和體育部門的青睞。基于虛擬現實技術的仿真系統最典型的特點是其具有的多感知能力、沉浸感和交互性。而傳統的訓練往往通過二維設計進行分析，并只能從單一的視覺角度進行分析，因此，使得基于虛擬現實技術的的太極拳仿真系統軟件受到歡迎。

同時教學系統的目的就是構建虛擬的教學環境，在虛擬中可實現人與人、人與計算機的交互，同時借助虛擬現實技術的沉浸性多感知性，使得學生能夠更好通過該仿真軟件系統進行學習。

2 運動數據的采集

隨著科技的發展，對運動員運動數據的采集手段也越來越多。如通過光學的原理對運動員的三維動作進行捕捉。其原理是利用安裝多個不同的 光學攝像機，并在運動員身上安裝光學放射的動作服裝，動作捕捉系統將拍攝到的鏡頭用數學的方式將其繪制成三維坐標的形式，再將這些標記連接到計算機生成的人體模型所對應的解剖點上，或者是用于通過計算機算出可進行動畫的連接或旋轉的部分。這些三維坐標通過MAYA等動畫軟件的材質、貼圖等，從而使得其捕捉到的動作與實際的動作非常逼真。

圖1 太極動作捕捉采集系統

3 太極拳教學軟件3D引擎的開發

3D引擎作為游戲開發中最重要的平臺，其可以設計出非常逼真的虛擬環境，其主要是因為其具有光影效果的功能；再者，3D引擎為系統提供強大的物理環境，使得虛擬動作更加逼真和貼近自然運動的規律；最后該系統作為教學仿真軟件常用的開發平臺，可提供為人機交互功能，從而使得運動員更能好的學習。而交互功能的實現最關鍵的技術是鼠標的拾取和拖動對象。其基本的原理是通過控制2D屏幕中鼠標的移動來對3D中的場景進行控制。

4 虛擬教學系統仿真建模

4.1 人體模型構建

太極拳項目作為我國新型的體育運動項目，受到人們的喜愛和追捧。而對于人體模型，吳永棟則提出數字人骨架的模型。將人體模型的構建進行分層，即人體的主要的骨架分為關節、骨骼以及人體的重心構成。而虛擬人模型包括虛擬的骨架和表面人表面模型（肌膚、細紋等）。因此，其又將虛擬人模型分為兩層，即骨架和不同的部位；表面模型則為大大小小的53塊，并在沒對連接的部位之間形成公共區域。每個部位圍繞著各自的關節進行旋轉，從而產生出不同姿態，使得數字虛擬的人體動作變得更加的逼真和完美。中科院的唐毅甚至提出的數字運動員，以神經網絡以及遺傳算法等對運動員的人體仿真模型。并通過神經網絡等完成對運動員相關關鍵動作的仿真。

圖2 三維人體模型構建

5 基于虛擬現實技術的太極拳輔助教學軟件的建模

輔助軟件的建模，最關鍵的是利用計算機仿真技術，將復雜的運動規律的通過數學模型或者是物理模型的方式進行描述，然后通過設定數值、設定邊界條件對其進行相應的計算，從而得出系統的狀態變化。而一般的計算機仿真系統實現包括系統建模、程序的編寫、程序運行、實驗結果分析以及模型的修改和完善。而對太極拳數學建模則通過中科院的擬人合成軟件包VHSDK5.0進行，通過三維方式顯示每一個動作的實例，并通過可視化的交互設計對其進行修改和設計，再通過牛頓歐拉定力對所見的模型進行驗證，以此得到標準化的系統設計。

首先對人體的運動，對其姿態的修改可通過XY的視窗中選取剛體并進行拖動，通過拖動，查看其在XY兩軸的變化量。從而可以根據歐拉定理得出其在zyx方向的歐拉角〈α,β,γ〉旋轉角度，從而得出以下關系：

通過角度變化，在得到其新姿態之后，通過偏移映射技術獲取其新的運動方向。其構造過程如圖3所示。

圖3 偏移量的構造過程

最后則是根據人體的相關參數指標，確定個性化的方程，并對其模型進行驗證。

6 基于VR的仿真系統發展展望

隨著體育競爭的加劇，對運動員的要求也越來越高。因此，基于VR技術的仿真系統通過數據采集、3D實時的渲染、交互式功能，使得軟件具備對練習者的引導和指導教學的功能，從而使得該軟件更具有實用性。同時，隨著計算機硬件系統和軟件系統的不斷提升，基于VR技術的仿真系統的開發也越來越廣和個性化發展，使得其具有更大的商業價值。

[1] 李巖,董菲.體育(武術)教學仿真系統的設計[J].山東體育學院學報,2008,09:94-96.

[2] 穆艷玲.體育教學仿真系統的初探[A].中國體育科學學會體育儀器器材分會、中國系統仿真學會體育系統仿真專業委員會.2006年全國體育儀器器材與體育系統仿真學術報告會論文集[C].中國體育科學學會體育儀器器材分會、中國系統仿真學會體育系統仿真專業委員會:,2006:3.

[3] 詹勝利.虛擬現實技術在網絡教學中的應用[J].中國現代教育裝備,2006,(1).

[4] 付強,仲叢友.基于OSG的港口物流教學仿真系統的設計與開發[J]. 實驗室研究與探索,2013,07:245-248.

杜冬玲，女，陜西寶雞人，1965年生，講師，研究方向：體育教學與訓練

Research on sports teaching simulation system based on Virtual Reality Technology

Du Dongling
(Baoji Vocational Technology College,Baoji,721013)

In this paper,based on the virtual reality technology,design a Taijiquan teaching simulation system has the function of interactive training "".In order to realize the independent study of Taijiquan, therefore improve the learner's level of taijiquan.

motion capture;virtual reality;simulation modeling