王宏宇

(吉林體育學(xué)院，吉林 長春 130022)

談在體育訓(xùn)練仿真中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用

王宏宇

(吉林體育學(xué)院，吉林 長春 130022)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在體育訓(xùn)練仿真中的應(yīng)用可以提高運動員的科學(xué)訓(xùn)練水平和運動競技水平。對基于虛擬現(xiàn)實的體育(訓(xùn)練)仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，討論了體育仿真的關(guān)鍵技術(shù)，并對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在體育訓(xùn)練仿真中的應(yīng)用前景進(jìn)行了研究。

虛擬現(xiàn)實；體育仿真；體育輔助訓(xùn)練

1 概述

1．1虛擬現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR)是由計算機(jī)生成的、模擬人類感覺的世界的實時表示，有時也被稱之為虛擬環(huán)境。這里的“世界”是指具有真實感的立體圖形，它既可以是某種特定現(xiàn)實世界的真實再現(xiàn)，也可以是構(gòu)想的世界。操作者可以通過視覺、聽覺、觸覺、力覺等與之交互，從而能產(chǎn)生“身臨其境”場景，所以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為人機(jī)交互提供了新的交互媒體。通常，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有多種輸出形式，可以處理多種輸入設(shè)備的能力，并且能夠進(jìn)行碰撞檢測、實時交互、視點控制和復(fù)雜行為建模等。

1．2體育系統(tǒng)仿真

現(xiàn)代競技體育正在向高、難、精、尖迅速發(fā)展，這就使得體育訓(xùn)練更多地借助于現(xiàn)代科技手段。為了最大限度地挖掘人的潛能，現(xiàn)代體育需要科學(xué)技術(shù)不斷地介入。這就需要綜合地運用與體育科學(xué)相關(guān)的學(xué)科知識，并采用系統(tǒng)科學(xué)的方法對體育運動的內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行研究。體育系統(tǒng)仿真是一門實驗技術(shù)科學(xué)，它是通過計算機(jī)模擬技術(shù)再現(xiàn)體育教師的教學(xué)經(jīng)驗、教練員的訓(xùn)練意圖、管理者的組織方案和運動員的訓(xùn)練過程，從而達(dá)到對體育系統(tǒng)的解釋、分析、預(yù)測、組織、評價的一種實驗技術(shù)科學(xué)。近些年來，系統(tǒng)仿真的研究熱點有面向?qū)ο蟮姆抡娣椒?、定性仿真、分布交互仿真、可視化仿真、多媒體仿真、基于VR的仿真和智能化的仿真等。與面向?qū)ο蟮姆抡娣椒?、定性仿真、分布交互仿真、可視化仿真和多媒體仿真方法不同，基于VR的仿真強(qiáng)調(diào)多種感知能力、交互性和沉浸感等，而許多體育訓(xùn)練恰恰需要運動員的多種感覺(視覺、聽覺、觸覺和嗅覺等)的共同參與，因此，隨著VR技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，基于VR的仿真必將在體育領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

2 基于VR的體育系統(tǒng)仿真

2．1功能要求

基于VR的體育仿真系統(tǒng)具有如下功能要求：

1)構(gòu)建虛擬訓(xùn)練場景。根據(jù)具體運動項目對訓(xùn)練場景有具體要求。2)運動數(shù)據(jù)捕獲。通過傳感器跟蹤設(shè)備直接記錄運動實體的運動數(shù)據(jù)并將其用于生成計算機(jī)動畫。這種方法的最大優(yōu)點是能夠捕捉到人類(包括訓(xùn)練器械)真實運動的數(shù)據(jù)，因而效果非常逼真，且能保證訓(xùn)練的科學(xué)性。3)生理生化和心理數(shù)據(jù)采集。生理生化和心理指標(biāo)是運動員競技狀態(tài)重要反映，根據(jù)運動項目的不同，可以通過各種傳感器和智能化儀器對運動員的生理生化數(shù)據(jù)，心理數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。4)動作重演和展現(xiàn)。動作重現(xiàn)是體育系統(tǒng)仿真的重要的要求，傳統(tǒng)的攝像手段在有些條件下并不能順利實現(xiàn)，比如：帆船帆板訓(xùn)練中訓(xùn)練技術(shù)錄像往往不是很理想。5)圖示化訓(xùn)練效果分析。圖示化訓(xùn)練效果分析方法，就是通過圖示來表示誤差分析結(jié)果的誤差評估方法，通常又分為在線式和離線式評估方法。

2．2系統(tǒng)組成

基于VR的體育仿真系統(tǒng)可以分為沉浸式和非沉浸式體育仿真系統(tǒng)，前者需要頭盔式三維立體顯示器、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套、立體聲耳機(jī)、圖形工作站和高性能計算機(jī)等設(shè)備，使得用戶能夠感受到比較真實的立體視覺、立體聽覺，與虛擬環(huán)境進(jìn)行自然的交互操作，使用戶能夠完全沉浸在虛擬環(huán)境中，這類系統(tǒng)特點是設(shè)備昂貴、沉浸感強(qiáng)；而后者主要依靠軟件技術(shù)來建立具有豐富視覺和聽覺信息的虛擬世界，其特點是經(jīng)濟(jì)、便利。

2．3 關(guān)鍵技術(shù)基于VR的體育仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)如下：

1)基于物理和生理的建模。目前VR的體育仿真系統(tǒng)中的人體建模通常是指基于人體物理特性和生理特性的建模。這里人體物理特性是指人體形態(tài)、結(jié)構(gòu)、素質(zhì)、運動能力和適應(yīng)能力等；生理特性主要包括脈搏、血壓、肺活量等人體的新陳代謝指標(biāo)和各器官、各系統(tǒng)的機(jī)能指標(biāo)。2)虛擬人動畫。由上個世紀(jì)八十年代發(fā)展至今，人體動畫經(jīng)歷了四個發(fā)展階段：運動學(xué)控制、動力學(xué)控制、基于控制器的運動控制和運動捕獲。其中運動捕獲技術(shù)具有高效、真實感強(qiáng)等特點，得到人體動畫研究人員的高度重視。3)運動數(shù)據(jù)捕獲。運動捕獲技術(shù)是利用傳感器以三維的形式記錄真實人體的動作，然后計算機(jī)根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)驅(qū)動屏幕上的虛擬人。這種方法的最大優(yōu)點是能夠捕捉到人類真實運動的數(shù)據(jù)，由于生成的運動基本上是主體人運動的復(fù)制品，因而效果非常逼真，且能生成許多復(fù)雜的運動。4)實時繪制和交互。由于虛擬體育仿真涉及到虛擬場景和虛擬人(運動員)，在具有虛擬人參與的虛擬體育仿真環(huán)境中，實時繪制和交互就顯得格外重要。實時繪制技術(shù)分為可見性判斷、層次細(xì)節(jié)、基于圖像的繪制技術(shù)。這里交互概念主要指用戶通過虛擬現(xiàn)實交互設(shè)備與系統(tǒng)發(fā)生相互作用。

3 典型系統(tǒng)介紹

1)虛擬體操訓(xùn)練系統(tǒng)

通過對真實體操運動員的運動進(jìn)行建模，使虛擬體操運動員精確地重現(xiàn)體操運動員的體操動作，幫助體操運動員改進(jìn)技術(shù)動作，提高技術(shù)水平。體操運動員也可以被邀請接近虛擬體育館中的虛擬器械，看到虛擬人體接觸體操器械時是如何改變形狀的。

2)大型團(tuán)體操演練仿真系統(tǒng)

團(tuán)體操演練仿真系統(tǒng)分為三個子系統(tǒng)：隊形或圖案設(shè)計系統(tǒng)、行為動作生成系統(tǒng)和團(tuán)體操隊形或圖案變化仿真系統(tǒng)。隊形或圖案設(shè)計系統(tǒng)負(fù)責(zé)設(shè)計團(tuán)體操各個章節(jié)的隊形或圖案。行為動作生成系統(tǒng)能夠根據(jù)人體捕捉數(shù)據(jù)編輯團(tuán)體操需要的動作。團(tuán)體操隊形或圖案變化仿真系統(tǒng)的目標(biāo)就是將虛擬人群的初始隊形連續(xù)變換到目標(biāo)隊形。首先，團(tuán)體操隊形或圖案變化仿真系統(tǒng)定義虛擬人的初始位置和目標(biāo)位置；其次，對路徑進(jìn)行規(guī)劃。最后，實現(xiàn)基于事件驅(qū)動的團(tuán)體操隊形或圖案的變化仿真。

4 結(jié)論

本文對基于VR的體育仿真的研究開發(fā)現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)和典型系統(tǒng)進(jìn)行了介紹?？梢灶A(yù)見，隨著2008年奧運會在北京召開，必將促進(jìn)我國對基于虛擬現(xiàn)實的體育仿真技術(shù)的深入研究。在奧運各項籌備工作中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以實現(xiàn)虛擬奧運，提高奧運各項工作中的高科技含量。

[1] 汪成為,高文,王行仁.靈境(虛擬現(xiàn)實)技術(shù)的理論、實現(xiàn)及應(yīng)用[M].清華大學(xué)、廣西科學(xué)技術(shù)出版社,1996:1-10.

[2] 潘志庚,姜小紅,張明敏,石教英.分布式虛擬環(huán)境綜述.軟件學(xué)報[J]．2000,11(4):461-467.

TalkingabouttheVirtualRealityTechnologyintheSportsTrainingintheSimulationApplication

Wang Hongyu

(Jinlin Institute of Physical Education,Changchun，130022，Jinlin,China)

The virtual reality technology may raise athlete's scientific training level and the movement athletics level in the sports training in the simulation application.This article to (training) the simulation technology development present situation carries on the summary based on the virtual reality sports,discussed the essential sports simulation and technology,and has conducted the research to the virtual reality technology in the sports training simulation and the application prospect.

virtual reality;sports simulation;sports supplemental training

2007-01-05

王宏宇(1954-)，女，副教授，研究方向：體育多媒體教學(xué)。