基于VR技術的體育健美操仿真系統設計

江艷平

（西安醫學院體育部，西安，710021）

基于VR技術的體育健美操仿真系統設計

江艷平

（西安醫學院體育部，西安，710021）

文章主要從VR技術原理出發，分析了VR技術中使用的軟硬件系統，討論了健美操仿真的關鍵技術,最后對其在健美操運動中應用可行性做了分析研究。

VR技術；健美操；仿真系統

0 引言

目前在國內的體育健美操訓練中開始逐漸引進新的技術，傳統的健美操教練方式逐漸被取代。VR技術是一種虛擬現實技術，基于VR技術的仿真技術是系統仿真中的一種，可以通過這一技術尋找健美操運動的內在規律和訓練方式，不管是在健美操整體隊形的建設還是對健美操人員動作標準化等方面，都具有十分重要的現實意義。

1 VR技術概述

VR，即 Virtual Reality，我們將其翻譯為虛擬現實技術，它是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統，其中虛擬世界指的是具有真實感的立體圖形, 它包含現實世界的真實再現, 也包含純粹構想的世界。通過VR技術操作者能夠根據視覺、聽覺和觸覺等與之交互, 從而能產生身臨其境場景。其特點是想象、交互和沉浸(即3I，Imagination Interaction Immersion)（如圖1），而健美操恰恰需要運動員視覺、聽覺、觸覺等多種感知的共同配合。

圖1 VR技術的3I特征

人在物理交互空間通過傳感器集成等設備與由計算機硬件和VR引擎產生的虛擬環境交互就是VR技術原理，來自多傳感器的原始數據經過傳感器處理成為融合信息，經過行為解釋器產生行為數據，輸入虛擬環境并與用戶進行交互，來自虛擬環境的配置和應用狀態再反饋給傳感器，圖2為多感知交互模型。

圖2 多感知交互模型圖

2 VR技術硬件系統

VR技術中硬件設備對其系統功能的實現具有重要意義。本研究中采用的是沉浸式的分布方式，它可以通過頭盔式顯示器、位置跟蹤器、數據手套和其他設備，讓操作者產生身臨其境的感覺。那么，主要硬件設備包含以下幾種:

①跟蹤系統：用來確定操作者頭手和身體位置。當操作者移動頭的位置時，眼睛也在隨之發生變化，那么虛擬環境中我們也要是實現這一規律，對操作者頭手和身體位置進行實時檢測,并獲取相關數據, 再將其反饋給控制系統。

②觸覺系統：提供力與壓力的反饋。是否可以通過VR技術讓操作者產生“沉浸”的效果，核心技術就是讓操作者的手等身體部分能夠操作虛擬事物，并且能夠讓他們感受到虛擬場景中回應他們的反作用力，這樣才能給參與者帶來真實感。本研究中使用的是力學反饋手套，共需要兩個，其中一個安裝20個壓敏元件，戴上手套后，操作者就會感到隨著手的用力而產生的阻力，壓敏元件將獲取的相關數據傳給主機，第二個手套有20個空氣室，分別由相應的空氣泵用計算機控制其收縮或者膨脹，使操作者感受到反作用力。

③音頻系統：提供立體聲源和判定空間位置。本研究中為了保障更真實的環境音，采用的是四聲道系統，主要包含語音合成器、三維音頻定位器、語音識別器、

④圖象生成和顯示系統：產生視覺圖象和立體顯示。CIG（計算機圖像生成）系統實現了VR技術的圖像生成和顯示功能，它能夠以24~30幅/秒的速度連續產生十分逼真的彩色畫面，以便實時生成特定的三維畫面，用于操作者的視覺系統。另外，HMD（頭盔式顯示器）也是VR系統中常用的顯示設備，它可以CIG系統生成的圖像（左右兩邊）分別送到頭盔顯示器的兩個屏幕，通過人眼生理感知特點產生一幅立體圖像。

⑤高性能計算處理系統：可以快速處理相關信息，并具有大存儲容量，通過逼真的畫面讓操作者“沉浸”在虛擬環境中。

3 VR技術軟件系統

VR技術的發展與成熟是建立在VR硬件與軟件的共同發展的基礎上的，VR技術軟件系統主要包含以下幾種：

OpenGL是通用共享的開放式三維圖形標準，它是一種通過主用圖形處理硬件的軟件接口，能夠對高質量圖像和圖形進行操作。OpenGL系統一般要求圖形硬件中不少于一個幀存，它是一個功能強大，調用方便的底層圖形庫。

三維虛擬環境開發平臺使用的是WorldToolKit(WTK)，實時視覺模擬采用的是Vega，而Open Inventor是面向對象和交互式的專業3D圖形開發工具包，其面向的對象包括工業強度的開發、交互和通過C++、.NET或Java構建的專業3D圖形化應用程序等。EON是實時視覺效果與物理機制以及真實的人體動作有機結合體；VRAX和NavMode具有較好的沉浸感等。

4 VR技術在健美操仿真系統中的應用

通過系統科學( 如系統仿真學) 的方法來研究健美操運動的內在規律是符合體育事業發展需要的，可以通過這一技術再現健美操教練員的教學經驗、教練員的訓練意圖、運動員的訓練過程,從而更好的解釋、分析、預測、評價健美操運動中的各種優勢與不足。近些年來,隨著VR技術進一步發展,基于VR的仿真必將在健美操運動中的應用越來越廣泛。

我校使用了一種虛擬體操運動員系統,該系統能夠指導真實的體操運動員提高成績，幫助他們每一個動作都符合健美操標準，具體實現中是先對具體某健美操運動員的運動進建模（建模過程如圖3）,健美操運動員通過虛擬體育館中的虛擬環境,看到虛擬人體的動作改變來糾正自己的動作。

圖3 三維建模過程

此外，VR 技術還可以應用于健美操演練仿真系統，具體可以將其分成三個子系統:其一，隊形或圖案設計系統，主要是設計健美操各個環節的隊形和圖案；其二，行為動作生成系統，它能夠依據捕捉到的相關數據編排健美操的動作；其三，健美操隊形或圖案變化仿真系統，它的主要用途就是將虛擬環境中的原始隊形連續的變換成最終結束時的目標隊形，首先定位虛擬環境中人員位置，接下來規劃路徑，最后實現變形。

5 結論

本文從VR技術的概念、硬件、軟件和應用等方面闡述了VR技術在體育健美操中應用的可行性及其重要意義，提出了通過這一技術進行健美操訓練的方式，以便提高學習效率，為我國健美操事業注入新的血液，實現健美操訓練的智能化發展。

Baek Seongmin,Lee Seungyong,Kim Gerard Jounghyun Motion evaluat ion for VR-based mot ion t raining[C] Computer Graphics Forum,2001,20(3):1~10

江艷平，女，1982年5月，河北唐山人，碩士研究生，講師，研究方向：體育教育與運動訓練

Sports aerobics simulation system based on VR technology is designed

Jiang Yanping
(Xi'an Medical College Sports，Xi'an，710021)

The main principle from VR technology,analyzes the hardware and software systems used in VR technology,discusses the key technologies aerobics simulation, and finally its application in sports aerobics done feasibility analysis.

VR technology;aerobics;Simulation System