基于虛擬現實技術的運動訓練仿真模擬系統

張冰

（商洛職業技術學院體育部，陜西商洛 726000）

以標準技術動作為基礎的競技體育要求參與運動員具有嫻熟的技術動作。為實現此目標不僅需要運動員持續刻苦地訓練，更重要的是應向教練員提供科學有效的訓練方式，提升運動訓練水平[1]。我國競技體育運動訓練的科技水平一直以來均處于相對較低的狀態，大多數教練通過經驗與主觀意識進行運動訓練教導，僅依靠經驗與肉眼判斷引導運動員的技術動作，導致運動員需數次重復練習方可掌握技術要領，因此造成我國競技體育運動訓練質量低且技術動作水平提升緩慢。為此，國內外研究者通過研究及實際驗證得出，將數字圖形圖像技術加入運動訓練當中，能夠提升運動員運動訓練時掌握技術要領的效率，有效降低運動員運動訓練過程中受傷的幾率，提升整體運動訓練效果[2-3]。

虛擬現實技術也可簡稱為VR 技術，具有交互性、構想性及沉浸性等特點，通過綜合運用人工智能技術、多媒體技術、數字圖形圖像技術、計算機網絡技術及多媒體傳感技術等對人的感官功能進行仿真模擬，令用戶沉浸于其呈現的虛擬環境內，通過可以手勢及語言等方式實現實時交互，構建出一種適人化的多維信息空間，應用前景極為廣闊[4]。如今，虛擬現實技術已進入建筑設計、文化娛樂、工業級教育培訓等多個領域內，其中，體育領域的虛擬現實技術多用于運動訓練與教學中，基于此技術實現對訓練科學水平、訓練過程及技術動作的優化與完善[5]。

為此，文中研究基于虛擬現實技術的運動訓練仿真模擬系統，為有效提升教練員的科學訓練與運動員的技術動作提供了幫助。

1 運動訓練仿真模擬系統

1.1 系統整體概述

通過人體實際運動和運動生物力學兩種數據及數字化三維人體運動的虛擬現實技術，實現以虛擬現實技術仿真模擬、修正設計運動訓練動作的目的[6]，同時采用人體運動的動力學理論分析與檢驗所設計的技術動作，并將檢驗后的標準技術動作編排模擬為成套的動作序列，通過同步、同屏的方式對比該仿真模擬動作序列和運動員訓練動作視頻，提升仿真模擬的現實指導意義與應用價值。基于虛擬現實技術的運動訓練仿真模擬系統整體架構見圖1。

圖1 系統整體架構

構成系統的兩個關鍵部分為仿真模擬動作和運動訓練動作對比、標準技術動作仿真模擬。其中，運動訓練標準技術動作指的是在裁判員或教練頭腦中被認準的理想技術動作，此類技術動作能夠提升運動訓練水平與運動比賽時的得分[7-8]。為了更好的輔助運動訓練，可通過圖形化與量化裁判員和教練的先驗知識。基于此，需向裁判員或教練提供一種仿真模擬運動訓練標準技術動作的方式。以偏移映射方式修正、設計運動訓練捕獲動作數據庫中的動作，以運動員的人體參數為出發點，依據體態參數特點對我國人體慣性參數完成預估，同時，將該參數通過人體運動方程對仿真模擬結果進行檢驗，實現降低仿真模擬誤差的目的，對檢驗后的標準技術動作進行編輯模擬，得出成套標準技術模擬動作，構成三維標準模擬動作庫。仿真模擬運動訓練標準技術動作的過程見圖2。在現實運動訓練時，為提升運動訓練水平，可對比分析標準技術動作仿真模擬結果和運動員現實運動訓練動作，提升運動員對自身運動訓練時技術動作不足之處的認知[9]。通過攝影機正交投影模型，由運動訓練視頻內運算得出攝影機參數，以此確準運動訓練視頻視點相等的三維虛擬場景的控制參數，對比仿真模擬標準技術動作和現實運動訓練動作，為教練引導運動訓練提供有效幫助。

圖2 標準技術動作仿真模擬過程

1.2 虛擬現實技術的人體運動訓練仿真模擬

針對運動訓練的有關特征，運用虛擬現實技術中的各種圖形圖像技術進行仿真模擬，實現系統的仿真模擬功能，由于人體具備數個自由度，且整體結構較為繁瑣，需對運動中的整體骨骼肌肉進行綜合考量方可實現逼真的運動仿真模擬效果，所以，文中以三維人體運動仿真模擬技術進行運動訓練的仿真模擬[10]。先通過運動捕獲方式創建運動訓練動作數據庫，再以偏移映射技術對數據庫內的運動訓練動作予以修正和設計，并通過動作和動力學分析檢驗修正與設計后動作的合理性，采用運動拼接方法編排模擬檢驗后的單個標準技術動作，獲取全新的標準動作序列，在此基礎上，通過同屏的方式對比分析獲取的仿真模擬標準動作序列和運動員訓練動作視頻，提升運動訓練質量和運動員技術動作水平。

1.2.1 運動訓練動作修正及設計

運動捕獲為創建運動訓練動作三維數據庫的理想方式。其基本原理是完成采用傳感器追蹤設備對運動訓練目標運動數據的記錄[11]。其特點是可實現對人體實際運動數據的成功捕獲，同時所采集到的運動信息具備時間信息，能夠提升人體運動狀態改變的模擬逼真度。通過光學原理對人體表面標識點運動數據進行記錄，并將該記錄作為初始三維運動數據。為了將三維人體運動骨架從此類數據中成功提取出，需對此類數據實行過濾與降噪等處理[12]。

通過選取原始幀創建可匹配運動捕獲目標虛擬標識點與骨骼的系統，以實際標識點和虛擬標識點的最小間距準則為依據，對運動捕獲數據的骨骼運動實行優化運算。采用平滑處理方式對優化運算所得的運動數據實行降噪，并通過四元數線性時不變濾波系統過濾后獲取平滑的骨骼運動。通過對數運算將歐拉角數據轉化成相應的四元數，并將其向切空間內映射，采用濾波器對切空間進行濾波處理，向四元數空間內以指數運算方式映射濾波后結果，轉化為歐拉角度數據。完成運動訓練現實動作數據庫的創建后，將各個現實動作以虛擬人合成軟件包VHSDK5.0，并通過三維形式呈現，同時采用可視化方法對現實動作予以修正和交互設計，通過牛頓歐拉運動模型完成對修正及設計后所獲取新動作的合理程度的檢驗，獲取具有個性化的運動訓練標準技術動作。

假設相對于人體運動movement（t）來說，對運動姿態attitude（ti）進行修正獲取新的運動姿態attitude′（ti），可通過鼠標在X×Y大小的用戶視窗內選擇，并拉動對應的剛體實現修正過程，提升可視化交互動作設計的便利性。設Δx、Δy為鼠標拉動時x、y方向的變化量，以歐拉定理為依據設某動作b能夠通過zyx方向的歐拉角用表示為：

式中，影響因子用c、d、a表示，通過影響因子可表示Δx、Δy在x、y、z各坐標方向對歐拉角的影響狀況，對式（1）求解后可得到：

基于此，實現對新的運動姿態attitude′（ti）的設定。通過偏移映射技術獲取到新的運動movement′（t）。ti時刻偏移量的運算式為：

式中，b表示某動作，h和g分別表示當前幀、臨近幀內同當前幀相對應的點。用同樣的方式對其余時刻的偏移量進行運算，獲取對應movement（t）的運動偏移通過向初始運動movement(t)疊加運動偏移b(t)，即可獲取新的運動movement′(t)為：

以運動員體態參數特點為依據對人體慣性參數實現預估，并通過確立牛頓歐拉運動模型內所需的轉動慣量等參數實現個性化，依據此方程對新運動movement′(t)的合理程度予以檢驗，實現了以可視化交互設計、運動檢驗及反饋的交互過程，達到修正及設計運動訓練動作的目的。

1.2.2 運動訓練動作編排模擬

通過對運動訓練動作的修正與設計獲取標準的數個單獨技術動作，從中選出固定數量的動作并以特定次序相連，實現成套標準技術動作的編排模擬。為大幅降低運動訓練風險和教練確準運動訓練動作編排方法提供幫助，可通過三維圖形預先呈現出成套標準技術動作的編排模擬結果[13-14]。因此，設計一個能夠完成運動訓練動作挑選、拉動及刪除等操作的圖形界面，編排模擬成套標準技術動作時僅需著重考慮兩個動作間的連接。兩個運動訓練動作片段分別以n1(t)、n2(t) 表示，通過運動過渡（Motion Transition）與運動鏡像（Motion Mirroring）技術將兩個動作片段連接為一個全新的標準技術動作序列。運動片段n1(t)的最終一個姿態attitude1(t1)與運動片段n2(t)的首個姿態attitude2(t2)依次表示為：

2 仿真測試

將文中系統應用于某地區跳水隊與排球隊的運動訓練中，對兩隊運動訓練過程中的運動員動作進行仿真模擬，通過仿真模擬效果文中系統呈現該體操隊的訓練效果，檢驗文中系統的應用性能。

2.1 仿真模擬效果分析

通過PC/Windows/VC5.9 軟件環境實現文中系統的開發[16]，應用文中系統仿真模擬某跳水運動員的起跳技術動作與某男子排球運動員的發球技術動作，并用y方向的歐拉角分別表示兩個動作，對比技術動作的仿真模擬效果與y方向歐拉角表示的相似度，檢驗文中系統的仿真模擬效果。技術動作效果呈現及歐拉角表示如3 所示。通過圖3 可看出，該系統對兩個技術動作的仿真模擬效果與y方向歐拉角表示極為相符，說明文中系統仿真模擬效果好，模擬結果可用于實際運動訓練中，且更便于在該系統模擬結果的基礎上實現對動作的修改，以及便于將模擬結果用于之后與訓練視頻的對比分析中。

圖3 仿真模擬效果呈現

2.2 實際應用效果分析

從兩隊中各自抽取10 個運動員，檢驗兩隊應用文中系統前后的運動訓練效果，通過對比運動員對技術動作的掌握程度及掌握效率，實現運動訓練效果的對比。運動訓練效果對比情況見圖4。由圖4可看出，應用文中系統后，兩隊運動訓練時對技術動作的掌握人數均高于應用文中系統前，且每個掌握技術動作的運動員，對于掌握動作所用時長均較應用文中系統前有所降低，由此說明，應用文中系統后兩隊的運動訓練效果更好且效率更高。

圖4 運動訓練效果對比

兩隊在應用文中系統前后，掌握各技術動作的平均用時可更進一步驗證該系統的實際應用效果，對比結果見表1。通過表1 可得知，兩隊在運動訓練中應用文中系統后，運動員對技術動作的掌握程度更高，動作的平均掌握效率也明顯提升，且應用該系統后兩隊技術動作的掌握人數比例分別為70%和80%，遠高于應用該系統前40%和50%的人數比例，足以說明，文中系統具備非常高的實際應用價值，且應用效果顯著。

表1 應用效果分析

3 結束語

文中針對基于虛擬現實技術的運動訓練仿真模擬系統展開研究，虛擬現實技術包括計算機網絡、多媒體、多媒體傳感及數字圖形圖像等技術，具備沉浸

性與交互性等功能特征，能夠實現對人體特性的仿真模擬，并令使用者沉浸于其虛擬環境內與其實現交互，文中構建了包含對比仿真模擬動作和運動訓練動作及標準技術動作仿真模擬兩部分的整體系統，并運用虛擬現實技術中的各種圖形圖像技術仿真模擬運動訓練動作的相關特點，實現系統的仿真模擬功能，通過實際應用驗證了文中系統可提升運動訓練效果及效率，具有較高的實際應用價值。