基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的武術(shù)訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王玉霞

摘 ?要： 針對(duì)傳統(tǒng)武術(shù)訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)不含貼片式壓力傳感器，從而造成無(wú)法在系統(tǒng)中顯示出武術(shù)訓(xùn)練動(dòng)作的力量值的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的武術(shù)訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)。硬件部分使用C8051F410單片機(jī)采集卡采集武術(shù)動(dòng)作的力量值，單片機(jī)連接一款貼片式壓力傳感器，用來(lái)測(cè)量武術(shù)訓(xùn)練者的關(guān)節(jié)力量值，選用采樣刷新率為1 600 Hz、鏡片材料為液晶材料的VR眼鏡，完成硬件部分的設(shè)計(jì)。軟件部分首先將武術(shù)動(dòng)作轉(zhuǎn)換為一個(gè)四桿結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)力量值，使用Java編程將得到的關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)化為代碼，完成系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)武術(shù)訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)相比，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的武術(shù)訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)可以顯示出武術(shù)訓(xùn)練動(dòng)作的力量值，增強(qiáng)武術(shù)訓(xùn)練者的訓(xùn)練效果。

關(guān)鍵詞： 武術(shù)訓(xùn)練; 動(dòng)作模擬; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù); 壓力傳感器; 力量值測(cè)量

中圖分類(lèi)號(hào)： TN606?34; X524 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）12?0127?03

Abstract： The traditional Wushu training action simulation system does not contain the pressure sensor with patch type， resulting in the strength value of Wushu training action cannot be displayed in the system. A Wushu training action simulation system based on virtual reality technology is designed. In the hardware part， the acquisition card of C8051F410 single?chip microcomputer is used to collect the strength value of Wushu actions， and the single?chip microcomputer is connected with patch type pressure sensor to measure the joint strength value of Wushu trainers. The VR glasses with a sampling refresh rate of 1 600 Hz and lens material of liquid crystal are selected to complete the design of hardware part. In the software part， the Wushu action is transformed into a four?bar structure， the joint force value corresponding to the structure is calculated， and the obtained joint data value is transformed into code by Java programming to complete the design of the software part of the system. The experimental results show that， in comparison with the traditional Wushu training action simulation system， the Wushu training action simulation system based on virtual reality technology can show the strength value of Wushu training action and enhance the training effect of Wushu trainers.

Keywords： Wushu training; action simulation; system design; virtual reality technology; pressure sensor; strength value measurement

0 ?引 ?言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將虛擬和現(xiàn)實(shí)結(jié)合的一項(xiàng)技術(shù)，從理論上講，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是利用現(xiàn)實(shí)生活中的數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生電子信息，將其與各種輸出設(shè)備結(jié)合，使其轉(zhuǎn)化為能夠讓人們感受到的實(shí)景現(xiàn)象[1]。武術(shù)訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)可以記錄武術(shù)訓(xùn)練動(dòng)作，將武術(shù)訓(xùn)練分為基本功、基本動(dòng)作和典型動(dòng)作的整學(xué)零練再到整套訓(xùn)練或是格斗訓(xùn)練四個(gè)不同的層次[2]。循序漸進(jìn)地引導(dǎo)武術(shù)學(xué)習(xí)者完成武術(shù)的訓(xùn)練。本文設(shè)計(jì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的武術(shù)訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)，可將傳授者的動(dòng)作使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)直接投放到武術(shù)學(xué)習(xí)者身邊，打造出一種 “一對(duì)一”式武術(shù)教學(xué)，提高武術(shù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率[3]。

1 ?模擬系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 ?設(shè)計(jì)采集設(shè)備

采集設(shè)備使用C8051F410單片機(jī)采集卡，利用采集卡上的串口功能，連接一個(gè)模擬外設(shè)，模擬外設(shè)設(shè)計(jì)一個(gè)12位ADC，保證24個(gè)外部輸入與200 Kb/s的可編程的轉(zhuǎn)換率[4]。采集卡內(nèi)設(shè)兩個(gè)12位的電流輸出DAC、兩個(gè)比較器、一個(gè)欠壓檢測(cè)器，將電壓基準(zhǔn)[5]設(shè)定為可編程電壓值1.5 V和2.2 V。數(shù)字外設(shè)部分設(shè)計(jì)24個(gè)I/O端口、4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。使用硬件SMBus，SPI和UART串口。時(shí)鐘源部分內(nèi)設(shè)置一個(gè)24.5 MHz的內(nèi)部振蕩器，用來(lái)支持UART操作[6]。外部振蕩器選用外部時(shí)鐘， smaRTClock振蕩器選用32 kHz晶體諧振器。將片調(diào)試調(diào)整為全速、非侵入式的系統(tǒng)調(diào)試功能，選用支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察及修改儲(chǔ)存器的寄存器[7]。儲(chǔ)存器選用256 B+2 048 B RAM，使用64 B的電池后備。設(shè)計(jì)的C8051F410單片機(jī)采集卡如圖1所示。

為更加精細(xì)地采集到武術(shù)訓(xùn)練動(dòng)作的力量值，在壓力采集卡上，設(shè)計(jì)采集壓力的貼片式壓力傳感模塊，規(guī)格尺寸選用0.5 cm×0.5 cm、厚度為0.20～1.25 mm。傳感器的壓力感測(cè)范圍為1～100 N，壓力感測(cè)精度為0.5 N。實(shí)際貼片式壓力傳感器如圖2所示。

貼片式壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集卡連接后，設(shè)計(jì)支持采集卡運(yùn)行的電源模塊，將電源輸入口設(shè)計(jì)為AC 100～240 V、50/60 Hz，輸出口為DC 9 V、600 mA。傳感采集卡設(shè)計(jì)完畢后，再設(shè)計(jì)一款虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡，支持武術(shù)訓(xùn)練者日常訓(xùn)練時(shí)使用[8]。

1.2 ?設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)VR眼鏡

眼鏡選用采樣刷新率為1 600 Hz、內(nèi)含螺旋儀、16位加速器的6軸運(yùn)動(dòng)傳感器，鏡片選用38 mm的高透鏡片。調(diào)整眼鏡的可視場(chǎng)角，將鏡片的透光率調(diào)整為93%，支持600°近視以及200°遠(yuǎn)視，將頭圍尺寸控制在525～630 mm之間[9]，分辨率調(diào)整為單眼為1 600×1 440。設(shè)計(jì)的VR眼鏡如圖3所示。

VR眼鏡使用一個(gè)多路復(fù)合的方式，將武術(shù)動(dòng)作顯示在武術(shù)訓(xùn)練者的視野中，鏡片材質(zhì)選用液晶材料[10]。貼片式壓力傳感器會(huì)安裝在武術(shù)訓(xùn)練者的關(guān)鍵發(fā)力部位上，VR眼鏡此時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出武術(shù)訓(xùn)練者的動(dòng)作，以及根據(jù)壓力傳感器傳輸出來(lái)的力量數(shù)值，判斷訓(xùn)練者的武術(shù)動(dòng)作是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，將武術(shù)動(dòng)作的力量數(shù)值使用軟件呈現(xiàn)在VR眼鏡的視野中[11]。

2 ?模擬系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 ?計(jì)算武術(shù)動(dòng)作的關(guān)節(jié)力量值

3 ?實(shí) ?驗(yàn)

3.1 ?實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備武術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)的軟硬件環(huán)境如表1所示。

使用如表1所示的軟硬件環(huán)境搭建如圖5所示的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。

使用一種傳統(tǒng)的武術(shù)訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)與基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的武術(shù)訓(xùn)練模擬系統(tǒng)來(lái)模擬武術(shù)動(dòng)作，對(duì)比兩種系統(tǒng)能否顯示出武術(shù)動(dòng)作的各關(guān)節(jié)的力量值。

3.2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

兩種武術(shù)訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由實(shí)驗(yàn)圖6可知，傳統(tǒng)的武術(shù)訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)只可以模擬出動(dòng)作，無(wú)法顯示出武術(shù)訓(xùn)練動(dòng)作的關(guān)節(jié)力量值，武術(shù)訓(xùn)練者無(wú)法感受到訓(xùn)練動(dòng)作的力量，不利于訓(xùn)練者訓(xùn)練武術(shù)動(dòng)作。而基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的武術(shù)訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)不光將武術(shù)動(dòng)作予以虛擬顯示，還在各個(gè)重要的關(guān)節(jié)部位顯示出了武術(shù)動(dòng)作的力量值，更方便武術(shù)訓(xùn)練者掌握武術(shù)動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)，為武術(shù)訓(xùn)練帶來(lái)積極的教學(xué)作用。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，逐步應(yīng)用到武術(shù)訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的武術(shù)訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，只呈現(xiàn)出武術(shù)動(dòng)作，無(wú)法顯示武術(shù)動(dòng)作中人體關(guān)節(jié)的力量值。針對(duì)這一不足，在原有的技術(shù)上，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的武術(shù)訓(xùn)練動(dòng)作模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)一款貼片式壓力傳感器，安裝在武術(shù)訓(xùn)練者上，讓武術(shù)訓(xùn)練者以VR眼鏡作為審視標(biāo)準(zhǔn)，檢查自身的武術(shù)動(dòng)作是否達(dá)到最理想的力量值，增強(qiáng)武術(shù)訓(xùn)練者的學(xué)習(xí)效果。

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