虛擬健身系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盧思敏 武瑛 王唯

摘要：虛擬健身系統(tǒng)是一個(gè)通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行健身指導(dǎo)的系統(tǒng)。人們可以通過(guò)鍵盤(pán)鼠標(biāo)或語(yǔ)音手勢(shì)進(jìn)行視角切換，從不同角度查看健身動(dòng)作的正確動(dòng)作，并且可根據(jù)自身需求選擇自己喜歡的健身動(dòng)作，根據(jù)人物模型的動(dòng)作對(duì)用戶的動(dòng)作進(jìn)行自我指導(dǎo)。不同于線下健身受到的健身指導(dǎo)較少，且成本較高的情況，虛擬健身可以在時(shí)間、空間和資源等因素的限制下進(jìn)行健身指導(dǎo)。本系統(tǒng)有相應(yīng)的健身場(chǎng)景、人物模型，用戶只需點(diǎn)擊與拖動(dòng)就可以完成所有操作，使用戶能夠得到良好的健身體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：虛擬健身;Unity3D;動(dòng)作捕捉;VR

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）14-0210-03

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)、傳輸技術(shù)等技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的水平也有較大提升，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)數(shù)字化的虛擬空間，呈現(xiàn)出了另一種不同的方式來(lái)更好的生活。現(xiàn)如今，健身作為一種健康積極的生活方式，成為了我們生活重要的一部分。

健康的身體是每個(gè)人追求的基礎(chǔ)，但目前成本普遍偏高，所以人們會(huì)選擇采取自學(xué)的方式進(jìn)行體育鍛煉達(dá)到健身的效果。在進(jìn)行健身的過(guò)程中，因?yàn)闆](méi)有健身指導(dǎo)，動(dòng)作不準(zhǔn)確，最后達(dá)到的效果會(huì)事倍功半，并且在健身過(guò)程中缺少健身指導(dǎo)可能會(huì)因動(dòng)作不準(zhǔn)確造成肌肉和骨骼的受傷。因此，正確的姿態(tài)與健身習(xí)慣可以讓人們?cè)诮∩砩鲜掳牍Ρ丁?/p>

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)廣泛使用于游戲、影視等多個(gè)行業(yè)，并且虛擬現(xiàn)實(shí)具有交互性、沉浸性和創(chuàng)意性的特點(diǎn)[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合傳統(tǒng)健身還可以與游戲、影視等場(chǎng)景結(jié)合起來(lái)[2]，同時(shí)具備了娛樂(lè)性和實(shí)用性。將健身和虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的虛擬健身系統(tǒng)，通過(guò)穿戴傳感器采集相關(guān)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳輸?shù)较到y(tǒng)并進(jìn)行分析，可以提供正確的健身指導(dǎo)，解決健身指導(dǎo)成本偏高和受傷的問(wèn)題。

2 虛擬健身系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

虛擬健身系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是為了給用戶提供一個(gè)真實(shí)的模擬健身場(chǎng)景，讓用戶能夠在健身的過(guò)程中能夠知曉自己肢體形態(tài)動(dòng)作是否正確，按照系統(tǒng)中提供的人物模型和場(chǎng)景進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)。

2.1 虛擬健身系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

虛擬健身系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃如下：

（1） 基本功能。

用戶通過(guò)菜單選擇不同的場(chǎng)景、人物模型進(jìn)行健身。

（2） 虛擬健身系統(tǒng)人物模型展示功能。

建立的人物模型盡可能接近真實(shí)人體，達(dá)到高仿真度，使用戶在進(jìn)行查看和自我姿態(tài)調(diào)整時(shí)更容易。

（3） 場(chǎng)景與人物動(dòng)作的高匹配度。

系統(tǒng)支持外部設(shè)備的匹配，當(dāng)用戶以第一視角使用虛擬健身外設(shè)，如機(jī)械平臺(tái)時(shí)，場(chǎng)景會(huì)根據(jù)用戶運(yùn)動(dòng)的變化而變化，如用戶進(jìn)行滑雪運(yùn)動(dòng)時(shí)，周圍的場(chǎng)景會(huì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化。

（4）運(yùn)動(dòng)建議功能。

通過(guò)穿戴更多外部設(shè)備，系統(tǒng)可通過(guò)外設(shè)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)用戶數(shù)據(jù)，發(fā)出建議或警告，告知用戶在鍛煉某些部位時(shí)應(yīng)該加強(qiáng)、減弱或不宜做的動(dòng)作。

（5） 動(dòng)作糾正功能。

因?yàn)橄到y(tǒng)支持外部設(shè)備的連接，用戶可通過(guò)穿戴傳感設(shè)備，激活系統(tǒng)查看動(dòng)作糾正的功能。用戶在進(jìn)行健身時(shí)通常很難發(fā)現(xiàn)自己的動(dòng)作哪里做得不好，使用動(dòng)作捕捉設(shè)備[3]可以實(shí)時(shí)捕捉用戶的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)上傳，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)計(jì)算分析，糾正用戶動(dòng)作姿態(tài)[4]，從而達(dá)到健身指導(dǎo)的目的。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 人物模型建模技術(shù)

3D Studio Max通常被稱為3d Max，是由Discreet公司所開(kāi)發(fā)，可用于建立三維模型以及制作三維動(dòng)畫(huà)。使用3D Max進(jìn)行人物模型建立，建立不同數(shù)據(jù)的人物模型，在用戶輸入個(gè)人數(shù)據(jù)后根據(jù)最匹配的人物模型進(jìn)行動(dòng)作指導(dǎo)，在動(dòng)作上做到最匹配。

用戶也可自行選擇使用，系統(tǒng)允許用戶對(duì)人物模型進(jìn)行360°的旋轉(zhuǎn)和查看，并提供不同的交互手段讓用戶能夠在健身過(guò)程得到盡量良好的體驗(yàn)感。

2.2.2 虛擬場(chǎng)景建模技術(shù)

Unity3D是一個(gè)讓用戶能夠建立三維模型、三維游戲、三維動(dòng)畫(huà)等類型的專業(yè)游戲引擎。Unity3D可以設(shè)計(jì)出不同的健身場(chǎng)景。需要有不同的場(chǎng)景讓用戶可進(jìn)行選擇使用，使用戶在健身時(shí)保持良好的心情，所以本系統(tǒng)集成了多種場(chǎng)景的選擇供用戶自行切換。場(chǎng)景中的光線等參數(shù)用戶都可進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)整，讓用戶在使用上能夠有最舒暢的心情。

2.2.3 動(dòng)作列表技術(shù)

人體肌肉大約有639塊，鍛煉不同的部位有不同的動(dòng)作，所以本系統(tǒng)提供一個(gè)動(dòng)作列表，并對(duì)鍛煉不同的部位的動(dòng)作進(jìn)行分類，讓用戶進(jìn)行動(dòng)作預(yù)覽。當(dāng)用戶進(jìn)行不同的運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)鼠標(biāo)、觸屏或語(yǔ)音等操作對(duì)相應(yīng)部位的對(duì)應(yīng)動(dòng)作進(jìn)行選擇并鍛煉。

2.2.4 動(dòng)作效果技術(shù)

除了豐富的骨骼動(dòng)畫(huà)應(yīng)用于人物模型上，本系統(tǒng)的動(dòng)作主要通過(guò)動(dòng)作捕捉設(shè)備對(duì)真人動(dòng)作進(jìn)行捕捉并記錄數(shù)據(jù)，建立標(biāo)準(zhǔn)模型。用戶的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)對(duì)用戶的數(shù)據(jù)與建模的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，在健身鍛煉的過(guò)程中用戶可進(jìn)行特定的動(dòng)作矯正和動(dòng)作優(yōu)化。從而達(dá)到虛擬健身系統(tǒng)對(duì)用戶進(jìn)行健身指導(dǎo)的最終目的。

3 虛擬健身系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)中我們主要用到的技術(shù)主要有場(chǎng)景模型的建立、人物動(dòng)作捕捉、三維動(dòng)畫(huà)、骨骼綁定、Unity3D支持使用的JavaScript與C#對(duì)腳本的編寫(xiě)。具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)如下：

3.1 人物模型設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的用戶覆蓋面廣，用戶擁有不同的高矮胖瘦，針對(duì)不同的群體我們分為不同體型的模型，比如普通模型、梨型身材模型、瘦小型身材模型等，其中又含有男女兩種性別的模型。用戶根據(jù)自己的身材體型進(jìn)行模型選擇，對(duì)應(yīng)模型系統(tǒng)提供不同的健身建議。

使用3D Max完成了模型后，進(jìn)行骨骼綁定，骨骼創(chuàng)建完成后通過(guò)local Rotation Axes觀察骨骼的軸向[5]，如果不統(tǒng)一需要及時(shí)調(diào)整，檢查完后再對(duì)關(guān)節(jié)處進(jìn)行鎖定，防止人物模型關(guān)節(jié)處異常移動(dòng)。

3.2 人物動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)

人物的模型在用戶進(jìn)行健身的時(shí)候需要不停做出相應(yīng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作讓用戶觀察并模仿做出對(duì)應(yīng)動(dòng)作，這就需要在模型上添加對(duì)應(yīng)動(dòng)作的骨骼動(dòng)畫(huà)了。我們使用動(dòng)作捕捉設(shè)備對(duì)健身教練的標(biāo)準(zhǔn)健身動(dòng)作進(jìn)行捕捉，獲取數(shù)據(jù)并綁定到對(duì)應(yīng)人物模型上，保證人物模型動(dòng)作在真實(shí)人體上符合科學(xué)性與準(zhǔn)確性，在人物模型進(jìn)行動(dòng)作時(shí)就會(huì)有較高的靈活與真實(shí)性，也能讓用戶更好地模仿。

3.3 場(chǎng)景設(shè)計(jì)

健身系統(tǒng)中，為了能讓用戶能夠持久堅(jiān)持健身這種生活習(xí)慣，良好的健身環(huán)境是必不可少的一部分。美觀并使人放松的環(huán)境能夠很大程度上提高用戶的體驗(yàn)，讓用戶能夠沉浸其中，使其能夠在感官上獲得更舒適的體驗(yàn)。音樂(lè)也是場(chǎng)景不可或缺的一項(xiàng)，我們?cè)O(shè)計(jì)幾種不同的場(chǎng)景與音樂(lè)提供給用戶不同的健身環(huán)境，除此之外，我們提供用戶對(duì)場(chǎng)景的環(huán)境光燈光、顏色與音樂(lè)的自定義調(diào)整，用戶可通過(guò)點(diǎn)擊和滑動(dòng)等交互動(dòng)作，對(duì)unity3D的自帶屬性進(jìn)行調(diào)整。

3.4 交互設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)單的交互可以在Unity3D中使用JavaScript或C#腳本實(shí)現(xiàn)[6]，并通過(guò)讀取數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信將其處理結(jié)果發(fā)送發(fā)到Unity3D對(duì)應(yīng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)交互。清晰明了的GUI交互界面，能夠?yàn)橛脩魩?lái)良好的體驗(yàn)，對(duì)于GUI交互界面的設(shè)計(jì)需要讓用戶能夠簡(jiǎn)單易懂的使用系統(tǒng)。

（1） 視角切換。

當(dāng)用戶以第一視角進(jìn)行健身時(shí)，用戶可身臨其境的在環(huán)境中走動(dòng)，并選擇、查看運(yùn)動(dòng)動(dòng)作。當(dāng)切換到用戶第三視角時(shí)，人物模型為VR環(huán)物模型，用戶此時(shí)可對(duì)通過(guò)拖拽對(duì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作實(shí)現(xiàn)360°查看。本系統(tǒng)默認(rèn)為第一視角。

（2） 動(dòng)作匹配模式。

用戶可通過(guò)穿戴設(shè)備使系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算分析并與標(biāo)準(zhǔn)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，對(duì)用戶錯(cuò)誤的姿勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)糾正。實(shí)現(xiàn)沒(méi)有健身教練卻又有健身指導(dǎo)效果的目的。

（3） 場(chǎng)景切換功能。

用戶通過(guò)鼠標(biāo)、觸屏或手勢(shì)[7]對(duì)GUI按鈕進(jìn)行點(diǎn)擊，切換不同的場(chǎng)景和音樂(lè)。用戶可以選擇并調(diào)整至其最喜歡的環(huán)境下進(jìn)行健身訓(xùn)練。可緩解在局限空間中健身的心情壓抑感。

在這些功能設(shè)計(jì)好后，在系統(tǒng)中通過(guò)鼠標(biāo)、觸屏對(duì)GUI界面中的按鈕進(jìn)行點(diǎn)擊，無(wú)縫切換系統(tǒng)中的場(chǎng)景與動(dòng)作，展示動(dòng)作姿態(tài)與人物動(dòng)作動(dòng)畫(huà)，主要通過(guò)切換健身的人物模型與場(chǎng)景模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到生活中，采用虛擬現(xiàn)實(shí)與健身結(jié)合的形式，利用3D Max構(gòu)建人物模型，借助Unity3D游戲引擎實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景的仿真設(shè)計(jì)。用戶可以選擇喜歡的動(dòng)作進(jìn)行第一人稱或第三人稱視角進(jìn)行鍛煉，并選取喜歡的環(huán)境，很好地提高了用戶的體驗(yàn)感。該系統(tǒng)為在時(shí)間、空間與資源等有局限人們提供了一個(gè)好的健身環(huán)境，以迎合全民健身時(shí)代的到來(lái)。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】