基于虛擬現實技術的羽毛球仿真系統的設計與研究

摘? 要：該系統利用3D Max建模、Unity3D引擎、VR和計算機仿真等現代信息技術，建構逼真的視、聽、觸覺一體化的羽毛球運動三維虛擬場景，用戶以自然交互方式實現羽毛球運動，將體育教學內容虛擬化、模塊化、標準化，使各種技術、戰術等融入課程設計中，通過體感互動數據的記錄，實現羽毛球正手擊高遠球技術的訓練和考核。為廣東東軟學院體育實踐教學提供輔助手段，深受學生們喜愛。

關鍵詞：Unity3D;虛擬現實;羽毛球;仿真系統

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）09-0094-03

Design and Research of Badminton Simulation System

Based on Virtual Reality Technology

LI Jing

（School of Computer Science，Neusoft Institute Guangdong，Foshan? 528225，China）

Abstract：The system uses modern information technology such as 3D Max modeling，Unity3D engine，VR and computer simulation to construct a realistic 3D virtual scene of badminton sport which integrates visual，auditory and tactile skills. The user realizes badminton sport in a natural interactive way，virtualizes，modularizes and standardizes the sports teaching content，integrates various technologies and tactics into the course design，and integrates them into the physical interaction record the data to realize the training and examination of the forehand hitting technique of badminton. It provides the auxiliary means for the physical education practice teaching of Neusoft Institute Guangdong，which is deeply loved by the students.

Keywords：Unity3D;virtual reality;badminton;simulation system

0? 引? 言

隨著虛擬現實技術的迅速發展，虛擬現實技術也逐漸應用到教育行業，其中體育運動仿真系統及技術已取得很大的發展。體育仿真系統是以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行試驗研究的一門綜合性技術[1]。羽毛球則是我國傳統的優勢項目，深受很大眾喜愛。在現實生活中，由于時間、空間的限制，很多人不能去室內或者室外去打球。采用虛擬現實逼真的展示手段與羽毛球運動結合，用戶借助設備便可以不受時間、空間的制約，體驗羽毛球運動。既可以滿足運動的需求，又可以放松身心起到娛樂作用。

“體育Ⅱ”課程是廣東東軟學院的一門公共必修課，2學分，共32學時，主要學習羽毛球比賽規則、正手發后場高遠球技術、單雙打的技戰術等，是一項簡單易學、較為普及的運動項目，在學生運動中也占據著重要地位，并深受部分學生的歡迎。大學羽毛球教學不僅能夠提升學生的羽毛球運動水平，而且還有助于提升學生的身體素質、智力水平、心理素質等。隨著社會對高校人才培養質量的要求不斷提升，針對大學羽毛球課程存在的室內羽毛球場地不足、室外場地由于天氣等因素、大多數學生上體育課積極性不高等問題。為了解決上述問題，本文基于虛擬現實技術為羽毛球課程設計了一種羽毛球仿真系統，通過學生實際體驗的方法驗證了系統的可行性。

1? 方案設計

1.1? 總體研究思路

羽毛球仿真系統根據“羽毛球”課程教學大綱、教學現狀進行分析，將體育教學內容按技能點和模式進行劃分，確定系統各個功能模塊，將虛擬仿真技術與羽毛球的各種技術、戰術相結合，通過體感互動數據的記錄，實現羽毛球正手擊高遠球技術的訓練和考核。

系統設計的功能主要包含訓練和考核，羽毛球對戰模式：單打模式、雙打模式、AI模式，訓練的主要技能點：發球、引拍、揮拍、接球、高遠球。系統的功能圖如圖1所示。

1.2? 羽毛球考核要求

學生選擇不同羽毛球技術（接發球、高遠球、扣球、定點球等）與系統進行單人訓練考核，可選擇不同分值（11分、21分）進行訓練，成績分為不及格、及格、良好、優秀四個等級，以11分為例，考核要求如表1所示。

1.3? 開發平臺與工具

由于羽毛球運動技能訓練的特殊性，項目重在構建羽毛球虛擬場地，訓練體驗接近真實情況，本項目的實施需要多種軟件技術融合構建。本項目所需的裝置和軟件主要包括以下3項：（1）HTC Vive設備：頭戴式設備、操控手柄、定位器及支架;（2）聯網的臺式計算機;（3）虛擬軟件：羽毛球虛擬仿真系統。

系統采用3D Max軟件進行建模和動畫制作并導出.fbx格式文件。在Unity3D軟件中將羽毛球場景、球拍、羽毛球等.fbx文件導入到Assets（資源）中，構建了實驗所需的三維虛擬仿真場景，通過編寫C#腳本實現UI事件設計、角色移動、球拍交互等功能，通過Steam VR插件，建構逼真的羽毛球運動三維虛擬場景。

2? 系統實現的核心技術

2.1? 系統UI

Unity3D引擎具有強大功能的UI系統，提供了許多UI組件，事件處理可由開發者編寫C#腳本進行控制處理。在Hierarchy Window（游戲對象層級面板）的Canvas上右鍵然后選擇UI，完成系統UI如圖2所示。

添加按鈕監聽事件代碼：

private void InitEvent（） {

btn_Standalone.onClick.AddListener（TurnGameSence）;

btn_Multiplayer.onClick.AddListener（Connecting）;

btn_Pattern.onClick.AddListener（ClickPattern）;

btn_PersonCtrl.onClick.AddListener（ChoosePersonPattern）;

btn_ComputerCtrl.onClick.AddListener（ChooseComputerPattern）;

}

2.2? 有限狀態機的設計

有限狀態機（Finite-state machine）簡稱FSM，表示有限個狀態以及在這些狀態之間的轉移和動作等行為的數學模型，它反映從系統開始到現在時刻的輸入變化的狀態，它存儲的是關于過去的信息，指示狀態變更的是相對應的動作，并且用滿足確定使轉移發生的條件來描述它[2]。它把復雜的控制邏輯分解成有限個穩定狀態，在每個狀態上判斷事件[3]。使用有限狀態機后，切換羽毛球AI的運動狀態，就只需要考慮轉化狀態的正確與否，而不需要考慮切換后的腳本邏輯。用戶在切換狀態時操作比較靈活、交互性較好，還能有效地避免游戲程序的冗余。

2.3? 角色移動控制

系統中的角色的移動由Player Movement管理，在其中Move方法管理角色位置的更新，監聽來自Horizontal及Vertical的事件更新角色的位置信息。為了使得系統的體驗更加的完美，借助Unity狀態機中的Blend Tree功能實現角色在不同情況移動下的體態。

2.4? 羽毛球規則程序實現

使用者需要有枚舉值屬性，分別為發球權，擊球權，和對方的擊球權。其發球權是用于判斷玩家是否擁有發球權，擊球權用于判斷玩家是否擁有擊球權，圖3為學生擊球效果，從而判斷玩家是否需要移動，對方的擊球權是玩家在擊打羽毛球回去后，將規則管理器的擊球權修改為對方的擊球權。

羽毛球規則程序實現代碼：

[Serializable]

public struct Right {

public RightToServe ownServeRight;

public RightToAttack ownAttackRight;

public RightToAttack nextAttackRight;

}

3? 實施效果

本系統于2018年9月，在廣東東軟學院部分專業進行體育教學改革中進行實際應用，現已服務過的本校學生人數為162人。通過使用VR虛擬羽毛球系統，訓練者將置身于虛擬羽毛球球館場景中，身臨其境，體會各種技能如揮拍、引拍、高遠擊球等技術的訓練;所有學生均可獨立參與實驗訓練，完成所有實驗步驟，避免了羽毛球運動中必須滿足2人以上的局限性，同時有效解決了由于時間、空間和場地不足等問題。學生可自主選擇時間、地點、場地進行虛擬實驗，提高了學生參與運動的積極性;羽毛球虛擬仿真系統通過體感互動數據的記錄，完成量化的考核，將學生成績分成不及格、及格、良好、優秀四個等級。學生實際訓練與VR訓練對比圖如圖4所示。

VR體育虛擬教學，是一種全新的體育教學手段，以學生為中心，重視學生的心理感受，改變傳統教學方式、轉變教學思路、解決現存問題。有效地提高體育教學質量的同時，又能使受訓者獲得身臨其境的感受和體會。

4? 結? 論

借助羽毛球仿真系統進行的體育教學改革，為體育實踐教學提供輔助手段，創造性地解決了運動項目傳統教學模式問題，開創了羽毛球運動訓練的新途徑，實現對傳統教學的有效延伸和拓展訓練內容，深受學生們的好評和喜愛。

參考文獻：

[1] 關志明.基于ODE的乒乓球虛擬現實場景的建立與研究 [D].沈陽：沈陽航空航天大學，2011.

[2] 張銳.圖的Ramsey數及相關極圖問題的研究 [D].北京：北京交通大學，2014.

[3] 蓋娜，王君，王智，等.基于有限狀態機的類人足球機器人決策系統設計 [J].工具技術，2019，53（8）：101-104.

作者簡介：李晶（1987—），女，漢族，陜西商洛人，講師，碩士，研究方向：軟件開發、游戲開發、虛擬現實。