藝術體操訓練中虛擬現實技術的應用探討

姜小峰

（延安大學,延安,716000）

藝術體操訓練中虛擬現實技術的應用探討

姜小峰

（延安大學,延安,716000）

本課題構建了一種基于虛擬現實技術的藝術體操仿真系統，該仿真系統包括藝術體操人體運動跟蹤模塊、模型變形模塊、虛擬現實場景仿真模塊幾部分構成。

藝術體操訓練；VR；三維仿真

1 虛擬現實的簡述

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。

1.2 藝術體操虛擬仿真系統設計的必要性

藝術體操是集體操、音樂、舞蹈于一體的運動項目，它是一項追求人體健與美的高難度的藝術性體操。該項運動講究靈活性、協調性，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。為了使藝術體操的訓練更為科學化、合理化，以此來減少運動員的受傷幾率并能有效地提高訓練效率，該課題采用虛擬現實技術設計新穎豐富的體操動作。藝術體操虛擬仿真系統為體操教學和訓練提供一個較為理想的學習與訓練環境。

2 藝術體操運動員的運動數據采集

使用虛擬場景來開展藝術體操的訓練工作，首先要捕捉訓練者的運動數據，本文對這一環節進行了詳細的論述。

2.1 構建人體骨架

人體的運動是通過骨豁上的肌肉牽引關節點旋轉配合完成的，由以上運動機理可以得出使用關節點構成的骨架系統即可表示人體運動。將大量關節點以一定的級聯方式組合在一起最終構成人體骨架，關節點之間的連接是通過子節點連接到父節點的方式連接在一起的，最終會構成一個樹狀結構，。該系統的人體骨架系統由23個關節點互相連接構成，整個骨架全身的旋轉動作和在空間位置中的移動都由髓關節點控制，它是人體的根關節點也是唯一的根節點,髓關節點沒有父節點，其余22個關節點均只有一個父節點、零到多個子節點。

關節點有旋轉量和偏移量兩個基本的屬性。旋轉量指的是當前節點在運動過程中的旋轉情況，旋轉量是不斷發生改變的。偏移量是不可變量，它指的是當前節點到其父節點的偏移量。

其中關節點的旋轉量可以用四元數、歐拉角兩種方式表達，歐拉角表示法具有容易造成“萬象鎖”的缺陷，所以該系統采用四元數表示方式來計算關節點的旋轉量。

2.2 實時運動跟蹤

運動跟蹤技術主要包括視頻跟蹤、非視頻跟蹤、機器人輔助跟蹤三種。這三種跟蹤技術中，基于視頻的無標記點運動跟蹤技術與另外兩種相比具有顯著優勢。視頻運動跟蹤技術具有使用方便、系統結構簡單、成本造價低廉等優點。該系統采用的運動跟蹤設備是微軟的kinect攝像頭，kinect攝像頭對使用的背景環境沒有特別要求而且能實時捕獲人體關節的三維空間位置。

采用kinect攝像頭獲取場景的深度圖像，然后用OpenNI開發包從kinect攝像頭采集的深度圖像中提取出人體的關節點數

據。OpenNI是由primesense公司提供的骨架跟蹤模塊NITE和開源框架OpenNI組合而成。OpenNI的整個框架被分成硬件層、中間層、應用層三層。硬件層為傳感器設備可以與OpenNI進行數據交互，中間層為各種接口，應用層則為使用OpenNI進行幵發的應用程序。

2.3 運動跟蹤的實現

運動跟蹤系統采用OpenNI開發包、C++開發語言實時的采集被跟蹤者的運動數據。該系統中的OpenNI可以同時跟蹤多個用戶卻無法識別標識這些用戶的身份。該系統為了解決身份鑒定問題要求被跟蹤者作出相應的揮手動作以此來配合系統完成身份鑒別工作。系統采集到揮手信號后，確認訓練者身份后采集該跟蹤者的骨架、顏色直方圖等信息，以此鑒定身份。該系統的運動數據采集流程圖如圖1所示。整個流程主要包括初始化,跟蹤循環,訓練者身份鑒別以及運動數據采集幾個環節。

圖1 運動數據采集的流程圖

（1）初始化

將OpenNI設備的對象進行初始化處理，并創建一個用戶產品節點,該節點用于分析場景狀況并且檢測到有用戶進入該場景后自動跟蹤此名用戶。在這個產品節點上設計相應的回調函數,此種設計便于我們取得各個階段相應的數據。

（2）跟蹤循環

初始化后系統自動進入跟蹤循環模塊，該系統采用while循環設計實現。在這個while循環中，程序監測場景中的變化當發現新用戶時，就自動標定該用戶，確認被跟蹤的用戶是訓練者后，跟蹤該用戶的運動并采集該名訓練者的運動數據。

（3）釆集運動數據

獲取所有關節點的旋轉量及其根關節點的空間位置，采集人體運動數據。

2.4 運動數據濾波

Kinect攝像頭采集圖像的環境比較復雜，可能受到環境的影響，使捕捉到的運動數據存在一定程度的噪聲。在環境的影響下，即使用戶在場景中靜止不動可能圖像捕捉到的數據也是處于變化的狀態。噪聲包括以下兩種：①根關節位置跳動，根關節的位置至關重要，整個骨架在空間中的位置都由它來控制，所以說根關節的跳動會造成整個骨架的跳動②關節點旋轉量跳動，如果捕獲到某關節點的旋轉量存在變化，該節點的下端節點也會受其影響產生跳動現象。

針對以上兩種骨架跳動噪聲，該系統對其進行了濾波處理。第一種噪聲處理采用幀比較的方法，將當前幀的根節點位置與上一幀的根節點的位置進行比較，計算兩者的差值，,假如這個差值小于設定的閾值，認為根節點的位置沒有發生變化。對于關節點的噪聲，先將關節點的旋轉量轉換為旋轉軸和旋轉角的表現形式，在比較計算與上一幀的差值，并累加所有關節點的差值，如果該差值小于設定的閾值，認為該關節點的位置沒有發生變化。如果確認當前幀的數據為噪聲數據，系統程序會自動跳過該數據不對其進行采集處理，并繼續使用上一次正確的運動數據。

3 三維模型的變形仿真

該課題采用三維場景構建了一個虛擬的訓練場地，使用運動員的運動數據驅動該虛擬系統。

將真實場景中的訓練者用虛擬的三維模型來替代，虛擬三維模型能夠仿真訓練過程中運動員的動作狀況。該三維模型的變形系統是通過運動數據實時驅動的。按照模型變形的流程進行詳細設計。將藝術體操現實場景進行虛擬設計，使訓練者在虛擬場景中的訓練學習。

4 總結

基于虛擬現實的藝術體操仿真系統的應用研究在現代藝術體操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] 白海軍,高云麗.計算機虛擬現實技術在高校體育訓練中的應用研究[J].黑龍江八一農墾大學學報,2013,03:105-107+112.

[2] 周柳,王英華,劉強,孫弘進.虛擬現實技術在運動康復中的應用[J].中國組織工程研究與臨床康復,2007,05:957-960.

姜小峰，男，1980—，陜西渭南人，講師，研究方向：體育教學與訓練、陜北體育文化研究

To explore the artistic gymnastics training in virtual reality technology

Jiang Xiaofeng
(Yan'an University,Yan'an,716000)

This paper constructs a virtual reality based simulation systems artistic gymnastics,rhythmic gymnastics,including the simulation system of human motion tracking module,model deformation module, virtual reality scene simulation modules of several parts.

artistic gymnastics training;VR;three-dimensional simulation