基于虛擬現實技術的體育運動仿真的應用及發展趨勢研究

摘 要 隨著“科技奧運”“數字奧運”和“人文奧運”理念的普及和計算機技術的快速發展，現代科學技術以其強大的親和力已滲透到體育運動的各個領域當中，尤其是虛擬現實技術在競技體育訓練中發揮出了巨大的作用。本文通過論述虛擬現實技術與體育系統仿真的特點及相互關系，探討了基于虛擬現實技術的體育運動仿真的主要功能，并對虛擬現實技術在體育訓練仿真中的應用前景進行了分析，以期對相關的研究起到推進作用。

關鍵詞 虛擬現實技術 競技體育運動 系統仿真 功能

20世紀以來，人類社會進入了信息化時代，現代科學技術出現高度分化和高度集中的趨勢，也進入了多學科綜合利用的新階段。大量的現代研究方法和研究技術被移植到體育訓練與科研，現代高科技的許多成果也開始向競技體育領域滲透，并對現代競技體育訓練產生了一系列深刻的影響，尤其是虛擬現實技術的快速發展為高科技在競技體育領域的應用提供了更加廣闊的空間。總結我國在2008年北京奧運會上取得的成功經驗，發現運用虛擬現實技術進行仿真訓練，實現運動訓練方法從傳統的人眼觀察為主到高精度運動捕捉與分析的人體運動測量方法；從基于經驗的方法到人體運動模擬與仿真的人體運動分析方法的兩個轉變[1]，更快更有效地提高我國在這些項目的訓練水平和競技水平，實現我國2008年奧運爭光計劃的法寶。為了確保我國在奧林匹克夏季奧運會金牌和獎牌總數的優勢地位，及時跟蹤虛擬現實技術的發展動態，深入研究虛擬現實技術對競技體育發展的現實意義顯得尤為重要。

一、虛擬現實技術與體育系統仿真

（一）虛擬現實技術

從本質上說，虛擬現實技術就是一種先進的計算機用戶接口技術，它通過給用戶提供視覺、聽覺、觸覺、味覺等各種直觀而自然的實時交互手段，最大限度地方便人機的交互操作，而不再需要進行繁瑣的敲擊鍵盤輸入，以提高整個系統的工作效率。主要有三個基本特征：沉浸（Immersion）、交互（Interaction）和構想（Imagination），即通常所說的“3I”。相互關系如圖1。

（二）體育系統仿真

體育系統仿真，是指運用現代系統仿真學的理論和方法，緊密結合體育運動實踐，同時吸收和借鑒其它學科的研究成果，對體育領域的問題進行全面系統研究，為體育運動實踐服務的一門綜合集成的交叉實驗學科。它是正在形成中的新興交叉學科，和其它學科一樣，既有開拓性和創造性的特點，又有不成熟的特點；既有研究對象新、方法新和發現新規律的特點，又有為人們研究和利用系統仿真提供新知識的特點。其通過計算機模擬技術再現體育教師的教學經驗、教練員的訓練意圖、管理者的組織方案和運動員的訓練過程，從而達到對體育系統的解釋、分析、預測、組織與評價。近些年來，系統仿真的研究熱點主要有面向對象的仿真方法、定性仿真、分布交互仿真、可視化仿真、多媒體仿真、基于VR的仿真和智能化的仿真等。

（三）基于VR的體育系統仿真應用

基于VR的體育系統仿真，就是應用虛擬現實技術對競技體育項目進行仿真訓練。它不僅能夠迅速提高運動訓練的效果和科技含量，還可以擴大系統仿真的應用范圍，促進虛擬現實技術的快速發展。因此，應用虛擬現實技術進行體育仿真訓練具有很好的應用前景，這也是由虛擬現實技術的特點所決定的。目前實際應用的虛擬現實系統大體可分為4類：第一，桌面虛擬現實系統，也稱窗口中的VR，它成本低，主要用于CAD/CAM；第二，沉浸虛擬現實系統，使用頭盔顯示器把用戶的感覺、聽覺及其他感覺封閉起來，產生一種身臨其境的錯覺；第三，分布式虛擬現實系統，它建立在沉浸虛擬現實系統和分布式交互仿真（Distributed Interaction Simulation）的基礎上；第四，基于網絡的虛擬現實系統，它可供多用戶同時異地參與分布式虛擬環境，處于不同地理位置的用戶如同進入到同一個真實環境中，通過姿勢、聲音或文字等“在一起”進行交流、學習、訓練、娛樂，甚至協作完成同一件復雜產品的設計或進行同一任務的演練[2]。而目前基于VR的體育系統仿真應用多屬第1類和第2類，這主要是因為競技體育訓練對VR系統各項性能指標的要求比較高，加之受虛擬現實軟、硬件技術等條件的限制，系統實時性和精度都有待提高，這些因素制約了VR技術在競技體育仿真訓練領域的應用和推廣。

二、基于VR的體育系統仿真的功能應用

（一）構建體育訓練場景和器材

基于VR的體育系統仿真可根據具體運動項目特點和訓練要求構建虛擬的訓練器械和場景，如美國圖像公司和加利福尼亞戴維斯大學聯合開發了一種雪橇比賽裝置，這種裝置可以把運動員帶到一個仿真世界，計算機技術造成的立體圖像將一間黑暗的訓練室變成了比賽現場，運動員在這套裝置上能真切地體驗到駕駛雪橇沿著跑道飛速下滑的感覺，實驗室的設備隨時檢測運動員的身體狀況，并進行技術分析和功能診斷，預測比賽中可能出現的各種問題，并制定最佳策略，設計最佳路線，從而達到提高運動員成績的目的[3]。通過構建虛擬的比賽場地及練習場景、比賽情景，運動員可以在一間特定的房間里進行練習，這對于受傷后處于恢復階段的運動員以及由于天氣、場地沖突和客場場地不便使用等情況具有特殊的重要意義。

（二）體育運動數據的動態采集與處理

真實的豐富的數據來源是整個仿真系統是否可靠的重要因素。對體育運動的動態數據的采集主要有運動數據捕獲和生理生化、心理數據采集兩個方面。

1.運動數據的捕獲

運用虛擬現實技術進行體育運動仿真的一個前提就是要捕獲體育運動數據，如人體在運動中各個關節的三維坐標、角度等姿態信息，技術動作的節奏、發力順序、大小等運動技術參數信息。目前國際上比較流行的捕獲方法主要有兩種：一種是采用有源跟蹤法，即錄像時在被跟蹤的人體上加貼反光標注點，通過傳感器跟蹤設備直接記錄運動實體的運動數據并將其用于生成計算機動畫。這種方法的最大優點是能夠捕捉到人體（包括訓練器械）真實運動的數據，由于生成的運動基本上是主體人（或器械）運動的“復制品”，因而效果非常逼真，且能保證訓練的科學性。但用這種光學運動捕獲方式捕捉的數據，要經過大量的后期處理才能夠使用，實際操作起來較為麻煩。而且這種方法需要特殊的反光材料、特殊光源以及其它配套設施，價格比較昂貴。另一種是基于視頻的無接觸式人體運動跟蹤法，即針對包含人體運動的圖像序列進行分析，獲取人體的運動信息，圖像序列可以是單攝像機拍攝，也可以是多個攝像機同時從各個視角拍攝的。由于這種方法適用范圍廣、對跟蹤捕捉環境要求較低、價格便宜，近年來成為研究熱點。

2.生理生化和心理數據采集

生理生化和心理指標是運動員競技狀態的重要反映，根據運動項目的不同，可以通過各種傳感器和智能化儀器對運動員的生理生化數據、心理數據進行采集。如生理數據的捕獲主要包括對脈搏、血壓等人體的新陳代謝指標和各器官、各系統的機能指標的獲取。根據采集到的各項數據教練員可以進行動作的重新編排與設計，編排出符合本項目供能特點動作組合，教練可以從所有動作中挑選出需要編排的候選動作，將按照教練的意愿模擬編排動作，從而挑選出最優的編排，確定科學合理的訓練方案。

（三）體育動作編輯與重現

通過體育運動數據的動態采集與處理，建立某項目運動技術數據庫，教練員和科研攻關人員通過對數據庫相關信息的整理、分類、比較可以總結出該項運動的規律，同時根據訓練、比賽的要求對動作技術數據進行編輯、修改，不斷完善，最終形成一個標準技術動作庫，然后就可以利用計算機技術來進行模擬和仿真，輔助運動員訓練。借助該系統可實現運動員從以往接受比較抽象的教練員口述訓練指導，變為以圖形方式展示的技術動作形象的模擬演示指導以及相關動作的量化分析。這樣，運動員就能更容易、更快速地掌握技術動作要領，在訓練中該系統還可以將運動員整套訓練動作與根據教練員的意愿編排出來的標準模擬動作在計算機顯示屏上同步疊加對比，直觀地展示出動作差異，幫助運動員找出技術缺點并制定改進技術方案。除此之外，該系統還能結合運動員個體特點和運動能力，模擬出適應不同運動員最佳身體狀況下達到的最優的動作標準[4]，來指導運動員的平時訓練，從而達到個性化、最優化的輔助訓練的目的。

（四）體育運動員選材

應用虛擬現實技術對某項目的一些優秀運動員進行科學全面的測試，構建出該項目年齡階段的體格、機能、技術等方面都很理想的運動員模型，將這個模型運動員的身體形態學指標數據和他完成某些動作時的運動學指標數據作為該項目選材時的重要依據。在選材時，將被測試對象的全部資料數據（甚至遺傳基因的指標）輸人到計算機中，并同虛擬模型運動員的各項指標進行比較，便能顯示出該運動員今后所能取得成績的最大極限和適合的運動項目，選拔出更具有發展潛力的運動員。

三、虛擬現實技術在體育系統仿真中的應用趨勢

（一）目前國際上在進行運動技術捕捉多采用有源跟蹤法和基于視頻的無接觸式人體運動跟蹤法，顯然，后者由于成本低且不對訓練與比賽施加任何影響而受到歡迎，但是無法做到用攝像機對技術動作進行無死角地跟蹤與拍攝，獲得的運動信息必然是存在缺陷的，對下一步進行技術動作的三維仿真的逼真度帶來不利影響。因此，為實現仿真的逼真度，必須研究構建有6個自由度虛擬物體，考慮利用6DOF PHANTOM控制虛擬物體獲得真實的感覺。

（二）目前有關運動技術虛擬仿真的研究主要集中在技術類表現難美性項目如蹦床、跳水、體操等或者體能類分道競速類項目如跨欄上，鮮有對技能主導類同場對抗性項目如足球、拳擊、籃球的研究，究其原因不外乎兩個：1.此類項目比賽動作多變，并且與戰術密不可分，運動捕捉的信息量太大；2.此類項目運動員的技術動作與對手有關，針對性太強，這就增加了仿真的難度。因此，虛擬現實技術在技能主導類同場對抗性項目中應用的研究是今后的一個難點，也是一個重點。

（三）目前虛擬現實技術在體育運動仿真研究中所取得的成就，絕大部分還僅限于擴展了計算機的接口能力，剛剛開始涉及到人的感知系統和肌肉系統與計算機結合作用問題，而且計算機方面專家的勞動痕跡太明顯，由于未考慮運動員的個體生理、心理等因素而使其研究泛化，其實用性必然距離運動訓練、比賽的實際要求還較遠，這由于體育的特殊性，計算機專家很難獲得高水平運動技術直觀感覺的緣故。因此，確切地講，我國現階段的運動技術虛擬仿真研究還處于初級階段。體育界與計算機界的合作基本上是“訂貨與加工”的模式，為了改變這一現狀，今后應加強既精通運動訓練與比賽又精通計算機的高層次人才的培養。

（四）目前，體育界的虛擬現實技術多屬于桌面虛擬現實系統和沉浸虛擬現實系統的應用，他們自身存在的先天缺陷無法真正做到與競技體育的實踐接軌，而只有分布式虛擬現實系統和網絡式虛擬現實系統或者將兩者融合在一起才能創造接近比賽條件的情景，才能實現競技體育科研的投入節約化和大眾化。這是虛擬現實技術在我國競技體育中的發展方向。

（五）虛擬現實技術進行運動技術分析研究的核心問題就是對運動員進行建模。目前，人體模型的建模方法一般采用運動學和動力學的逆解或有限元分析的方法，這些研究方法對人體模型作了不同程度的簡化，每種研究方法都具有各自的優勢和特點，但是同時，都存在著不同程度的不足，尤其在運動員的運動建模與仿真中，由于以上的建模方法運算復雜，研究周期長，而且由于沒有在實際的應用中進行過修正，其仿真的實際效果較差。因此，人體模型的建模方法也是今后研究的一個重點。

四、結論

基于VR的體育系統仿真，就是應用虛擬現實技術對競技體育項目進行仿真訓練。其不僅能夠迅速提高運動訓練的效果和科技含量，還可以擴大系統仿真的應用范圍，促進虛擬現實技術的快速發展。因此，應用虛擬現實技術進行體育仿真訓練具有很好的應用前景，主要表現為實現構建體育訓練場景和器材、體育運動數據的動態采集與處理、體育動作編排與重現以及體育運動員選材等功能。今后應著重加強運動捕捉技術、虛擬現實技術在技術類同場對抗性項目中應用、分布式和網絡式虛擬現實系統的應用、人體模型建模方法以及符合型人才培養等方面的研究。

參考文獻：

[1] 數字化三維人體運動的計算機仿真研究進展[J].中國科學院院刊.2004.19（3）：206.

[2] 蘇建明，張續紅，胡慶夕.展望虛擬現實技術[J].計算機仿真.2004.21（21）：18-21.

[3] 紀慶革，潘志庚，李祥晨.虛擬現實在體育仿真中的應用綜述[J].計算機輔助設計與圖形學學報.2003.15（11）：1333-1338.

[4] 孫勇超.蹦床運動仿真中虛擬運動員動作編排方法的研究[R].首屆智能CAD與數字娛樂學術會議.2003.