基于VR 技術的籃球裁判員培訓及考核模擬系統

劉永峰，許瀚楊，姬鵬杰

（成都體育學院，四川 成都 610041）

虛擬現實（Virtual Reality， 簡稱VR），是一種計算機仿真系統，或可稱作是一種人工環境，它可利用計算機生成一種仿生模擬環境，利用電腦和外部模擬設備讓用戶在交互式的三維動態視景人工環境中進行多源信息融合和實體行為的體驗。隨著大數據和人工智能的快速發展，VR 技術的應用已在不同領域相繼綻放出其獨特的魅力，VR 發展的日趨成熟，多領域、多功能逐漸成為VR 的代名詞，諸多學者分別在自身的研究領域結合VR 技術運用研究達到了新的高度。整理文獻資料中發現，VR 系統在“三大球”領域的運用迄今還未涉獵，仍屬于嶄新的研究領域。鑒于此，如何結合虛擬現實技術（VR）對籃球裁判的臨場培訓和實踐考核體系，構建一套籃球裁判員培訓及考核模擬系統，對當下籃球裁判員教學改革有著重要的實用價值。

1 VR 虛擬現實技術應用籃球裁判考核中的板塊和設計

一個完整的虛擬現實系統構建是由4部分組成，即計算機設備、軟件系統、硬件設備和數據庫，4 個系統之間相互協調和構建。計算機設備是計算機構建與用戶交互的虛擬世界；軟件系統為虛擬世界合成并生成環境氛圍以及管理并通過外部設備與用戶建立聯系；硬件設備為用戶佩戴，是用戶與進入虛擬現實世界的橋梁負責輸出及輸入數據；數據庫主要存儲用戶數據以及構建虛擬環境的素材內容。四大設備的協調運用促成了整套VR 系統的運作。計算機含括控制器、傳感器與生成器。外部數據庫對計算機進行現世界及儲存視頻的輸入，通過計算機及軟件系統的處理，生成虛擬仿真世界。參考人員通過穿戴硬件設備（VR 眼鏡及模擬仿真器）進入虛擬仿真世界，對3D 畫面進行評定與交互，且用戶在虛擬世界中的表現數據通過計算機輸出并儲存于數據庫中，其系統的完整運作離不開先進的計算機設備。

2 籃球裁判員培訓及考核模擬系統的設計

2.1 籃球裁判員考核模擬系統設計的依據、理念及目的

該系統能夠緊密結合虛擬現實技術的要求的原理，滿足不同籃球裁判培訓、考核和提升需求，構建系統所需的軟、硬件環境。通過此技術可提供虛擬現實場景，利用現代信息技術，構建虛擬或現實的籃球比賽環境，對不同級別的籃球裁判員（3級、2 級、1 級和國家級）培訓和晉級考核。該系統的原理和方法，可移植到其他體育項目裁判員的培養和考核。該系統不僅能夠節約大量的人力、物力和財力資源，提供更為便捷的空間和臨場環境，而且又能夠利用即時反饋系統和糾錯系統的功能，不斷強化參考人員的臨場記憶和實踐操作技能。該系統主要應用于高等體育學院校（系）、軍隊、企業、政府體育部門等籃球裁判自學、培訓、篩選和考核等工作。

2.2 技術原理

通過虛擬現實技術，裁判穿戴VR 設備后利用虛擬現實技術讓裁判通過3D 的VR 影像觀看比賽參與執判，VR 影像可一次拍攝制作反復使用，無須每次訓練或考核都準備真實的比賽。虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真使參考人員沉浸到該環境中，相比于觀看傳統的常規形式的錄像，VR 影像更能讓裁判身臨其境的觀看比賽，裁判更易給出準確的判決，且VR 設備的空間定位功能，能通過裁判自身的朝向、移動模擬裁判在比賽場內的位置，讓裁判員考評時在虛擬的比賽環境中。裁判員可在室內利用該系統直接執判，可大大減少對比賽的干擾；也可在場內執裁遇到爭議性判決時，使用該系統輔助判決。根據比賽的激烈程度、裁判的判決難度等因素對比賽的VR 影像進行分級，可分為三級裁判員、二級裁判員、一級裁判員、國家級裁判員。籃球裁判訓練或考核模擬方法，包括如下步驟：（1）生成不同級別的籃球比賽VR 影像數據；（2）對不同級別的比賽中的犯規、違例等事件進行標注，便于正誤對比；（3）將VR 影像數據傳輸至裁判的VR 穿戴設備；（4）接收裁判觀看VR 影像過程中的判決；（5）對比裁判的判決結果與預設的正確判決，并輸出對比結果，以供裁判參考學習。通過虛擬現實技術，裁判穿戴VR 設備后利用虛擬現實技術讓裁判通過3D 的VR 影像觀看比賽參與執判，VR 影像可一次拍攝制作反復使用，無須每次訓練或考核都準備真實的比賽，相比于傳統方式的訓練或考核，該方法更簡便，更智能化。

2.3 處理模塊設計

圖1 系統結構框架圖

一種籃球裁判訓練或考核模擬系統包括： VR 影像生成模塊，用于將真實比賽的3D 視頻信息轉化成VR 影像數據或將制作的3D 籃球比賽動畫視頻信息轉化成VR 影像，其中根據真實比賽的3D 視頻信息轉化可實時轉化或比賽全部拍攝完成后統一轉化；控制器，用于處理VR 影像數據并將其發送至VR 設備； VR 設備，用于通過虛擬現實技術將VR 影像顯示給訓練或考核的裁判；裁判判決模塊，用于接收裁判的判決；裁判判決對比模塊，用于將裁判的判決與預設的正確判決對比，生成訓練或考核成績；訓練或考核結果顯示模塊，用于將訓練或考核成績顯示，以供訓練或考核的裁判查驗。優選地，所述VR 影像生成模塊包括：3D 視頻拍攝子模塊，用于對真實比賽進行直接拍攝，并生成3D 視頻信息；VR 影像生成子模塊，用于將真實比賽的3D 視頻信息轉化成VR 影像數據或將制作的3D 籃球比賽動畫視頻信息轉化成VR 影像。優選地，所述控制器包括存儲器和驅動模塊。其中，所述存儲器用于存儲VR 影像數據的；所述VR 驅動模塊用于驅動VR 設備顯示VR 影像。優選地，所述控制器還包括分級模塊，根據三級裁判員、二級裁判員、一級裁判員、國家級裁判員的標準對VR影像數據進行分級，并在訓練和考核時根據選擇的級別調用對應的VR 影像數據。

具體裁判考核系統運作模塊如圖1 所示。（1）VR 影像生成模塊，用于將真實比賽的3D 視頻信息轉化成VR 影像數據或將制作的3D 籃球比賽動畫視頻信息轉化成VR 影像，其中根據真實比賽的3D視頻信息轉化可實時轉化或比賽全部拍攝完成后統一轉化；（2）控制器，用于處理VR 影像數據并將其發送至VR 設備；（3）VR 設備，用于通過虛擬現實技術將VR影像顯示給訓練或考核的裁判；（4）裁判判決模塊，用于接收裁判的判決；（5）裁判判決對比模塊，用于將裁判的判決與預設的正確判決對比，生成訓練或考核成績；（6）訓練或考核結果顯示模塊，用于將訓練或考核成績顯示，以供訓練或考核的裁判查驗。具體地，所述VR 影像生成模塊包括： 3D 視頻拍攝子模塊，用于對真實比賽進行直接拍攝，并生成3D 視頻信息；VR 影像生成子模塊，用于將真實比賽的3D 視頻信息轉化成VR 影像數據或將制作的3D 籃球比賽動畫視頻信息轉化成VR 影像。具體地，所述控制器包括存儲器和驅動模塊；其中，所述存儲器用于存儲VR 影像數據；所述VR 驅動模塊用于驅動VR 設備顯示VR 影像。具體地，所述控制器還包括分級模塊。所述分級模塊，用于根據三級裁判員、二級裁判員、一級裁判員、國家級裁判員的標準對VR影像數據分級，并在訓練和考核時根據選擇的級別調用對應的VR 影像數據 。

圖2 裁判判決參數對比流程圖

圖3 硬件框架結構

2.4 軟件設計

VR 技術環境開發平臺使用無線開發工具包，該工具包面向的對象是具有工業強度開發和具有Open GL 和3ds MAX 開發系統的數據采集與調試模塊以及使用VC++6.0 現實模塊構建的虛擬現實專業應用程序 。

籃球裁判考核過程較為煩瑣，考核過程對臨場執裁要求較高，而通過VR 虛擬現實技術模擬考核現場，可提高考核效率，規避作弊風險。圖2 所呈現出的籃球裁判判決參數流程所示。首先以籃球比賽視頻為模擬環境基礎參數，裁判員判罰時機、

犯規和違例參數、手勢及裁判員選位等路徑為運動參數，進行虛擬環境的模擬，并通過模擬測試得出結果參數，運用結果參數與對比參數進行對比得出最終結果，通過系統界面得出最終考核結果。

2.5 硬件設計

本系統硬件框架結構體系如圖3 所示，考核人員穿戴VR 傳感設備通過交互引擎進入VR 系統構建的虛擬現實世界之中，并通過傳感設備對設計人員進行標準裁判姿勢的捕捉采集，在通過轉換器輸入到系統外接數據庫中進行存儲，以此構建合理的考核數據對照組模型數據；參考人員通過穿戴VR 傳感器進行到交互的虛擬空間內進行臨場執裁，并由所穿戴的VR傳感設備對其動作姿態進行捕捉，并通過解釋器進行對比分析，最終通過輸出設備輸出考核結果。

3 結 語

創新、科技是未來體育領域發展的新方向。在籃球裁判員培訓及考核模擬中引入VR 虛擬現實技術的設計理念和方法，不僅為籃球裁判培訓及考核開辟了新的道路，還為我國籃球裁判人才的培養提供了便捷的技術指導。基于VR 技術的籃球裁判培訓及考核模擬系統，打破了傳統的籃球裁判員的考核評定方法，不僅有助于考試資源的合理管控和量化考評，更重要的是提升籃球裁判考核質量，開辟了VR 技術運用裁判員培訓領域的先河。