姜小峰

（延安大學,延安,716000）

藝術(shù)體操訓練中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用探討

姜小峰

（延安大學,延安,716000）

本課題構(gòu)建了一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的藝術(shù)體操仿真系統(tǒng)，該仿真系統(tǒng)包括藝術(shù)體操人體運動跟蹤模塊、模型變形模塊、虛擬現(xiàn)實場景仿真模塊幾部分構(gòu)成。

藝術(shù)體操訓練；VR；三維仿真

1 虛擬現(xiàn)實的簡述

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的定義

虛擬現(xiàn)實(VR)是將計算機仿真技術(shù)、多媒體、人機交互技術(shù)、傳感器、智能人機接口、圖形學、心理學、高性能計算技術(shù)、人類行為學、人工智能等多領(lǐng)域的技術(shù)綜合在一起的集成技術(shù)。虛擬現(xiàn)實可以在計算機上生成逼真的三維視、聽等感覺,在某種裝備的協(xié)助下使人與計算機的虛擬環(huán)境進行互動。

1.2 藝術(shù)體操虛擬仿真系統(tǒng)設計的必要性

藝術(shù)體操是集體操、音樂、舞蹈于一體的運動項目，它是一項追求人體健與美的高難度的藝術(shù)性體操。該項運動講究靈活性、協(xié)調(diào)性，采用科學的訓練方法及手段可以提高運動員的訓練效率、提高運動成績。為了使藝術(shù)體操的訓練更為科學化、合理化，以此來減少運動員的受傷幾率并能有效地提高訓練效率，該課題采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設計新穎豐富的體操動作。藝術(shù)體操虛擬仿真系統(tǒng)為體操教學和訓練提供一個較為理想的學習與訓練環(huán)境。

2 藝術(shù)體操運動員的運動數(shù)據(jù)采集

使用虛擬場景來開展藝術(shù)體操的訓練工作，首先要捕捉訓練者的運動數(shù)據(jù)，本文對這一環(huán)節(jié)進行了詳細的論述。

2.1 構(gòu)建人體骨架

人體的運動是通過骨豁上的肌肉牽引關(guān)節(jié)點旋轉(zhuǎn)配合完成的，由以上運動機理可以得出使用關(guān)節(jié)點構(gòu)成的骨架系統(tǒng)即可表示人體運動。將大量關(guān)節(jié)點以一定的級聯(lián)方式組合在一起最終構(gòu)成人體骨架，關(guān)節(jié)點之間的連接是通過子節(jié)點連接到父節(jié)點的方式連接在一起的，最終會構(gòu)成一個樹狀結(jié)構(gòu)，。該系統(tǒng)的人體骨架系統(tǒng)由23個關(guān)節(jié)點互相連接構(gòu)成，整個骨架全身的旋轉(zhuǎn)動作和在空間位置中的移動都由髓關(guān)節(jié)點控制，它是人體的根關(guān)節(jié)點也是唯一的根節(jié)點,髓關(guān)節(jié)點沒有父節(jié)點，其余22個關(guān)節(jié)點均只有一個父節(jié)點、零到多個子節(jié)點。

關(guān)節(jié)點有旋轉(zhuǎn)量和偏移量兩個基本的屬性。旋轉(zhuǎn)量指的是當前節(jié)點在運動過程中的旋轉(zhuǎn)情況，旋轉(zhuǎn)量是不斷發(fā)生改變的。偏移量是不可變量，它指的是當前節(jié)點到其父節(jié)點的偏移量。

其中關(guān)節(jié)點的旋轉(zhuǎn)量可以用四元數(shù)、歐拉角兩種方式表達，歐拉角表示法具有容易造成“萬象鎖”的缺陷，所以該系統(tǒng)采用四元數(shù)表示方式來計算關(guān)節(jié)點的旋轉(zhuǎn)量。

2.2 實時運動跟蹤

運動跟蹤技術(shù)主要包括視頻跟蹤、非視頻跟蹤、機器人輔助跟蹤三種。這三種跟蹤技術(shù)中，基于視頻的無標記點運動跟蹤技術(shù)與另外兩種相比具有顯著優(yōu)勢。視頻運動跟蹤技術(shù)具有使用方便、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本造價低廉等優(yōu)點。該系統(tǒng)采用的運動跟蹤設備是微軟的kinect攝像頭，kinect攝像頭對使用的背景環(huán)境沒有特別要求而且能實時捕獲人體關(guān)節(jié)的三維空間位置。

采用kinect攝像頭獲取場景的深度圖像，然后用OpenNI開發(fā)包從kinect攝像頭采集的深度圖像中提取出人體的關(guān)節(jié)點數(shù)

據(jù)。OpenNI是由primesense公司提供的骨架跟蹤模塊NITE和開源框架OpenNI組合而成。OpenNI的整個框架被分成硬件層、中間層、應用層三層。硬件層為傳感器設備可以與OpenNI進行數(shù)據(jù)交互，中間層為各種接口，應用層則為使用OpenNI進行幵發(fā)的應用程序。

2.3 運動跟蹤的實現(xiàn)

運動跟蹤系統(tǒng)采用OpenNI開發(fā)包、C++開發(fā)語言實時的采集被跟蹤者的運動數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)中的OpenNI可以同時跟蹤多個用戶卻無法識別標識這些用戶的身份。該系統(tǒng)為了解決身份鑒定問題要求被跟蹤者作出相應的揮手動作以此來配合系統(tǒng)完成身份鑒別工作。系統(tǒng)采集到揮手信號后，確認訓練者身份后采集該跟蹤者的骨架、顏色直方圖等信息，以此鑒定身份。該系統(tǒng)的運動數(shù)據(jù)采集流程圖如圖1所示。整個流程主要包括初始化,跟蹤循環(huán),訓練者身份鑒別以及運動數(shù)據(jù)采集幾個環(huán)節(jié)。

圖1 運動數(shù)據(jù)采集的流程圖

（1）初始化

將OpenNI設備的對象進行初始化處理，并創(chuàng)建一個用戶產(chǎn)品節(jié)點,該節(jié)點用于分析場景狀況并且檢測到有用戶進入該場景后自動跟蹤此名用戶。在這個產(chǎn)品節(jié)點上設計相應的回調(diào)函數(shù),此種設計便于我們?nèi)〉酶鱾€階段相應的數(shù)據(jù)。

（2）跟蹤循環(huán)

初始化后系統(tǒng)自動進入跟蹤循環(huán)模塊，該系統(tǒng)采用while循環(huán)設計實現(xiàn)。在這個while循環(huán)中，程序監(jiān)測場景中的變化當發(fā)現(xiàn)新用戶時，就自動標定該用戶，確認被跟蹤的用戶是訓練者后，跟蹤該用戶的運動并采集該名訓練者的運動數(shù)據(jù)。

（3）釆集運動數(shù)據(jù)

獲取所有關(guān)節(jié)點的旋轉(zhuǎn)量及其根關(guān)節(jié)點的空間位置，采集人體運動數(shù)據(jù)。

2.4 運動數(shù)據(jù)濾波

Kinect攝像頭采集圖像的環(huán)境比較復雜，可能受到環(huán)境的影響，使捕捉到的運動數(shù)據(jù)存在一定程度的噪聲。在環(huán)境的影響下，即使用戶在場景中靜止不動可能圖像捕捉到的數(shù)據(jù)也是處于變化的狀態(tài)。噪聲包括以下兩種：①根關(guān)節(jié)位置跳動，根關(guān)節(jié)的位置至關(guān)重要，整個骨架在空間中的位置都由它來控制，所以說根關(guān)節(jié)的跳動會造成整個骨架的跳動②關(guān)節(jié)點旋轉(zhuǎn)量跳動，如果捕獲到某關(guān)節(jié)點的旋轉(zhuǎn)量存在變化，該節(jié)點的下端節(jié)點也會受其影響產(chǎn)生跳動現(xiàn)象。

針對以上兩種骨架跳動噪聲，該系統(tǒng)對其進行了濾波處理。第一種噪聲處理采用幀比較的方法，將當前幀的根節(jié)點位置與上一幀的根節(jié)點的位置進行比較，計算兩者的差值，,假如這個差值小于設定的閾值，認為根節(jié)點的位置沒有發(fā)生變化。對于關(guān)節(jié)點的噪聲，先將關(guān)節(jié)點的旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)角的表現(xiàn)形式，在比較計算與上一幀的差值，并累加所有關(guān)節(jié)點的差值，如果該差值小于設定的閾值，認為該關(guān)節(jié)點的位置沒有發(fā)生變化。如果確認當前幀的數(shù)據(jù)為噪聲數(shù)據(jù)，系統(tǒng)程序會自動跳過該數(shù)據(jù)不對其進行采集處理，并繼續(xù)使用上一次正確的運動數(shù)據(jù)。

3 三維模型的變形仿真

該課題采用三維場景構(gòu)建了一個虛擬的訓練場地，使用運動員的運動數(shù)據(jù)驅(qū)動該虛擬系統(tǒng)。

將真實場景中的訓練者用虛擬的三維模型來替代，虛擬三維模型能夠仿真訓練過程中運動員的動作狀況。該三維模型的變形系統(tǒng)是通過運動數(shù)據(jù)實時驅(qū)動的。按照模型變形的流程進行詳細設計。將藝術(shù)體操現(xiàn)實場景進行虛擬設計，使訓練者在虛擬場景中的訓練學習。

4 總結(jié)

基于虛擬現(xiàn)實的藝術(shù)體操仿真系統(tǒng)的應用研究在現(xiàn)代藝術(shù)體操教學和訓練中的具有很好的應用價值，它的應用可以幫助運動員在訓練過程中盡快掌握動作技術(shù)要領(lǐng)，大大提高了籃球運動員的訓練效率。

[1] 白海軍,高云麗.計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高校體育訓練中的應用研究[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學學報,2013,03:105-107+112.

[2] 周柳,王英華,劉強,孫弘進.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在運動康復中的應用[J].中國組織工程研究與臨床康復,2007,05:957-960.

姜小峰，男，1980—，陜西渭南人，講師，研究方向：體育教學與訓練、陜北體育文化研究

To explore the artistic gymnastics training in virtual reality technology

Jiang Xiaofeng
(Yan'an University,Yan'an,716000)

This paper constructs a virtual reality based simulation systems artistic gymnastics,rhythmic gymnastics,including the simulation system of human motion tracking module,model deformation module, virtual reality scene simulation modules of several parts.

artistic gymnastics training;VR;three-dimensional simulation