淺析400米障礙訓練的虛擬現實仿真模擬設計

中圖分類號：G804 文獻標識：A 文章編號：1009-9328（2016）02-000-01

摘 要 虛擬現實技術對于提高軍人體能訓練水平，改進訓練方法有較大的研究潛力。針對當前院校400米障礙訓練存在的若干問題，從理論上和實際應用上基于虛擬現實技術的400米障礙訓練仿真模擬的設計做出論述。提出了模擬設計的相關問題。

關鍵詞 虛擬現實 400米障礙建模 訓練仿真

虛擬現實技術是一種新興的人機交互形式，可以創建虛擬世界，仿造自然世界，用戶可以從各種感官上產生親臨真實情況的體驗。上世紀90年代初期，虛擬現實技術已大量應用于作戰指揮、訓練模擬、武器試驗等。400米障礙訓練是軍人常態化基礎體能訓練的科目，但是訓練過程中往往出現的傷病情況較多。基于虛擬現實技術仿真模擬障礙訓練，可以對訓練進行科學的指導和教學，在系統中實現模擬人類專家的決策，讓參訓學員在虛擬環境中身臨其境的訓練，有效地避免無謂的傷病，提高訓練效果。

一、系統組成

虛擬現實系統，需要滿足用戶與虛擬世界的自然交互，僅靠一臺計算機是無法完成的，對于虛擬世界的身體感覺也不是僅僅靠鍵盤和鼠標就能夠達到的。參訓人員在虛擬訓練場上運動時，需要三維的訓練環境、虛擬的聲音以及抓、拉、爬、攀等動作的觸感和力感的體驗，還需要智能化儀器的支撐，可以說各種硬件設備是實現虛擬現實系統的基礎。

整個仿真模擬系統由兩種生成模式去實現，一種是由參訓人員配備一系列數字化裝備采集數據，計算機建模，經由高性能計算機處理輸出到視覺通道、聽覺通道、力覺通道反饋給訓練人員，體驗如真實般的訓練場景。另一種，則是由建模技術，對訓練環境、個人訓練情況和預演的訓練技術動作建模，生成虛擬的訓練畫面，從而幫助參訓人員全面了解自身訓練情況和需要改進的技術動作，以及改進方案。

二、系統功能

（一）訓練情況再現。動作重現是仿真系統中的重要功能，以其三維式可以讓用戶觀看到模擬人能夠在虛擬訓練場上逼真的、較精確再現自身的訓練動作。是對自身的一種直觀認識，同時也可以形象化地幫助參訓人員掌握動作要領和技術動作，同時減少了訓練傷病。

（二）訓練技術動作預演。創新技術動作和預演未知情況在提高訓練效果上有很大的作用。通過障礙物的技術動作的改進和創新是提高訓練成績的一大重要途徑，但是創新的動作的實際應用可能會導致運動員出現傷病，通過虛擬現實技術仿真模擬可以避免這樣的傷病出現。

（三）訓練教學。教員可以利用模擬仿真訓練對新學員進行教學，錄入教員對于障礙訓練的語音和文字講解，配合虛擬訓練畫面，可以使新學員直觀的印象，掌握技術動作要領，達到了訓練前“熱身”的作用。

（四）訓練效果圖示分析。形象直觀的虛擬畫面可以給參訓人員直觀的映像，分析對比參訓人員的訓練動作和標準的模擬動作，給予相同的視點，同步對比每一個通過障礙物的動作，讓參訓人員更快捷的找出自身痼癖動作和缺陷動作。量化分析速度、位移等數據，并使其與“標準”數據進行對比，找出差異，對于改進參訓人員的技術動作會有較好的指導意義。

三、基于虛擬現實技術的仿真模型建立

（一）虛擬障礙訓練可視化建模。模型是對現實世界或虛擬世界中各種事物或現象的一種抽象化的表現方法。400米障礙訓練環境的建立是虛擬訓練仿真的基礎。障礙訓練環境模型是對障礙訓練環境采用物理、數學等表示方法進行表示的模型，提供訓練環境的基礎數據和動態數據。包括障礙訓練場地貌幾何建模，障礙訓練場地物幾何建模，參訓人員行為建模等。

（二）聽覺建模技術。整個虛擬訓練環境的逼真性，還需要加入三維模擬聲音，這是增強用戶在虛擬環境中沉浸感和交互性的必要手段。聲音的來源可以是計算機合成的聲音信號也可以是采樣的真實聲音信號。目前的研究中，由于觸覺（力覺）反饋實現難度大，迄今為止還沒有能夠令用戶滿意的觸覺（力覺）反饋系統，所以虛擬聲音對于提高虛擬環境的逼真感就有很大的作用，增強臨場效果。

四、訓練分析圖示

（一）數據圖示分析。數據的分析是一個重要的環節，是對于訓練人員訓練效果的直接反饋，可以采用柱狀坐標圖來很好地完成。主要從模擬訓練與模擬標準訓練作對比，讓訓練人員找到差異，改進自身訓練動作。舉出一個簡單例子，通過錄入標準的數據對虛擬訓練數據的對比分析，可以得出誤差，集合虛擬訓練畫面和標準訓練畫面，讓參訓人員直觀找到自己技術動作存在問題，然后解決技術動作缺陷，提高訓練成績。

（二）重心軌跡分析。人體重心對于研究運動起著很重要的作用，尤其是跳躍動作，故在400米障礙中正確分析重心軌跡誤差可以幫助提高訓練成績。400米障礙訓練中起跳點的正確選擇是決定成功通過障礙物的關鍵因素，也是提高成績的重要途徑，重心軌跡的分析可以幫助學員判斷自己的起跳點是否正確。同時重心軌跡分析也可以幫助學員準確發力，在合理支配體能上也起到了很大的作用。身體平衡也是保證訓練成績的一個重要因素，重心軌跡誤差分析可以推斷出學員的平衡能力，從而教員可以根據情況制定出相應的平衡訓練手段方法。

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